Партнеры журнала:

Биоэнергетика

Будущее за комбинатами глубокой переработки

Энергетические и сырьевые потребности человеческого общества в недалеком будущем дойдут до кризисной точки. Это произойдет прежде всего по причине роста цен и потребностей в ископаемых источниках энергии, из-за обилия которых мы стали зависимыми от энергии, топлива, химических материалов и сырья.

Население Земли продолжает расти, а экономика развивается со скоростью, до сих пор неизвестной истории, особенно те области, где ранее отмечалась очень незначительная потребность в ископаемых источниках энергии на душу населения.

Перспективы развития мировой энергетики

Совершенно очевидно, что пропорционально росту потребления ископаемых ресурсов продолжается рост выбросов парниковых газов (GHGs) и сокращение объемов естественных, природных хранилищ углерода, а это оказывает воздействие на климат всей планеты. Основная стратегия действий, предлагаемая международным научным сообществом для улучшения климата, — снижение темпов глобального потепления за счет сокращения использования ископаемых энергоносителей. Привлекательной альтернативой им может стать биомасса, которая может служить в качестве возобновляемого источника энергии, в том числе тепловой и электрической. Из биомассы можно получать моторные топлива, использование которых приведет к снижению выбросов в атмосферу двуокиси углерода, серы и тяжелых металлов, а также к повышению энергетической безопасности в результате замены угля, нефти и природного газа биомассой.

Предполагается, что участниками международного биоэнергетического рынка станет широкий круг поставщиков из различных регионов Земли и импорт биоэнергии не будет подвергаться таким же геополитическим влияниям, как рынок нефти и природного газа. Вклад биоэнергетики в повышение энергетической безопасности в большой степени зависит от разделения потоков энергии — биотопливной и полученной из нефти и газа. В странах, где изменения климата наиболее значительны и принято строгое экологическое законодательство, существует весомый стимул развития поставок возобновляемых энергоносителей для удовлетворения нужд стационарных и мобильных потребителей. В то же время в отдельных частях мира новые директивы по развитию альтернативных и возобновляемых источников химических материалов, например регламент Европейского союза (Regulation (ЕС) № 1907/2006), регулирующий с 1 июля 2007 года производство и оборот всех химических веществ, включая их обязательную регистрацию, приведут страны к переоценке возможностей использования биомассы и биотехнологий для химических производств.

Однако такой документ принят пока лишь в Европе. Будем надеяться, что подобные директивы окажут влияние на производителей и дистрибьюторов во всем мире. Во многих странах энергетическая безопасность, вопросы защиты окружающей среды и развитие альтернативных, чистых источников сырья для обрабатывающей и химической промышленности в скором будущем станут стимулирующим обязательством для принятия важных решений. Уже существуют стимулы развития энергетики и химической промышленности на основе возобновляемых ресурсов. Недавнее бурное развитие промышленности на основе использования биоэнергии (совместное производство тепловой и электрической энергии, производство электрической энергии, а также газообразных энергоносителей и топлива для транспорта) на фоне повышения цен на потребительские товары вызвало пересмотр теории и практики использования пахотных земель, поставив проблему выбора между производством органических энергоносителей с одной стороны и продуктов питания и фуража с другой. Развитие производства того, что мы определяем термином «биологические топлива первого поколения», может рассматриваться как необходимый шаг в развитии технологий, ведущих к неистощительной и соответствующей поддержанию доброкачественной окружающей среды системе использования ресурсов.

Величина ущерба, наносимого природе деятельностью человека, соразмерная производству и использованию энергии из ископаемых видов топлива, а также некоторых химических продуктов и материалов, привела нас к необходимости разработки новых систем производства, основанных на принципах уменьшения загрязнения окружающей среды, снижения темпов изготовления опасных материалов и создания производства экологически безопасной продукции в рамках «зеленой» цепочки поставок возобновляемого сырья. Для этого требуется организация постоянных поставок возобновляемого сырья с низкими выбросами двуокиси углерода.

В мировом масштабе единственным источником такого сырья является биомасса, которая содержит те же элементы, что входят в состав ископаемых источников энергии в различных комбинациях.

Изменения в мировой экономике стимулируют создавать промышленность завтрашнего дня уже сегодня, чтобы, изменившись под воздействием окружающего мира, мы были готовы на глобальном уровне развивать материальный достаток человеческого общества в части снабжения его энергией и сырьем ради нового витка устойчивого промышленного развития. Технически и технологически обеспечивать указанные потребности могут совершенные комбинаты комплексной механической переработки органического сырья (КГП) .

Почему КГП?

На нефтеперегонном заводе из сырой нефти вырабатывается различная продукция, например топливо для транспорта или для производства электрической энергии или ценные химические вещества (примерно 5 % от начального объема сырья). Преимуществом традиционных технологий является то, что перечень видов изготавливаемой продукции известен заранее, а также независимость поставок сырья от сезонности. Вместе с тем очевидны и недостатки ископаемых видов топлива — ценовые колебания на них на рынках сбыта, слабые гарантии поставок, а также загрязнение атмосферы и выбросы парниковых газов в результате использования этих продуктов.

Человечеству требуются доступные и дешевые возобновляемые энергоносители, которые могут выращиваться и использоваться в соответствии с принципом неистощительности. Этими качествами обладает биомасса. Превращение её в энергоносители и ряд других полезных продуктов, включая продовольствие и фураж, может быть осуществлено на КГП.

Несмотря на то что рынок жидких видов биотоплива и побочных продуктов их производства развит недостаточно, технологии изготовления таких жидких топлив первого уровня, как этанол и биодизель, считаются основой развития комбинатов полного химического цикла переработки сырья. Сырьем для самых рентабельных комбинатов этого уровня является сахарный тростник.

Увеличивающиеся потребности в альтернативных энергоносителях, основных химических элементах и материалах, получаемых из органического сырья, сделают технологии производства энергоносителей первого поколения неперспективными. Основанные на новых принципах организации КГП имеют очевидные преимущества перед обычными нефтеперегонными заводами и заводами первого поколения, использующими технологии, рассчитанные на производство только одного продукта например рапсового масла или биодизеля из рапсового масла. Из указанного сырья КГП могут производить целый ряд видов продукции с высокой степенью добавленной стоимости.

Технологически более сложные комбинаты второго поколения развиваются на основе органического сырья с качествами, позволяющими осуществлять наиболее полную и безотходную его переработку. На таких комбинатах используются чистые термомеханические и биологические технологии. Перед комбинатами второго поколения ставится цель снижения негативного воздействия промышленной деятельности на окружающую среду, а также обеспечения максимальных выгод для человечества. В ближайшем будущем они должны обеспечить потребности химической и обрабатывающей промышленности в комплексных материалах, а также на гарантированной основе частично покрыть потребности человечества в энергоносителях.

Что же такое biorefinery?

Комбинаты могут существовать в различных формах и производить различную продукцию, потому требуют определения, которое характеризовало бы их общие черты. Исполнители программы № 42 остановились на определении: «КГП (Biorefinery) — это производство, где осуществляется рациональная переработка биомассы в востребованные рынком продукцию и энергию». Оно включает в себя систему, которая может существовать как концепция, сооружение, процесс, завод или даже группа сооружений. В этом обзоре мы рассмотрим только несколько видов комбинатов.

Комбинаты будут производить широкий ассортимент товаров и энергию. Товарами могут быть как полуфабрикаты, так и готовые изделия — продукты питания, фураж, материалы, химикаты, жидкие энергоносители. Соответствие строящихся КГП требованиям, предъявляемым к производствам такого типа, должно определяться анализом ключевых моментов:

  • всей применяемой на КГП технологической цепи переработки сырья в конечный продукт;
  • соответствия деятельности КГП принципам устойчивого развития общества (его экологическим, экономическим и социальным интересам);
  • возможных последствий конкуренции, создаваемой КГП на рынке продовольствия и биоэнергетических ресурсов;
  • воздействия, оказываемого комбинатами на природу в результате водопользования, и оценки качества использованной ими воды;
  • возможных изменений в землепользовании, вызванных деятельностью КГП (например, содержания углерода в земле и плодородия почвы);
  • сальдо объемов парниковых газов (например, разница объемов парниковых газов, выделяемых при производстве топлива, и сокращенных объемов парниковых газов при использовании этого топлива);
  • негативного воздействия на биоразнообразие;
  • потенциальных технологических рисков и энергоэффективности.

Одновременно необходимо принимать во внимание влияние деятельности КГП на динамику международного и местного развития, на нужды конечных потребителей.

В качестве сырья комбинаты могут использовать все виды биомассы, в том числе древесину и сельскохозяйственные культуры, органические отходы растениеводства и животноводства, промышленные органические отходы и органические отходы, содержащиеся в твердых бытовых отходах, а также биомассу, которая существует в водной среде — водоросли, панцири ракообразных и т. п.

Комплексная переработка сырья на одном производстве — КГП — концепция не новая. Многие традиционные технологии, используемые для переработки биомассы, такие как технологии переработки сахаро- и крахмалосодержащего сырья, производства целлюлозы и бумаги, похожи на те, которые применяются на комбинатах.

Вместе с тем несколько экономических и экологических требований или условий, таких как неусугубление процесса глобального потепления, сохранение энергии, гарантированное обеспечение человечества продукцией (энергией и товарами), участие в сельскохозяйственной деятельности, обуславливают необходимость улучшения применяемых на КГП технологий.

Цены на продукцию, выпускаемую комбинатами, должны быть конкурентоспособными.

Предполагается, что комбинаты, которые будут построены и начнут функционировать в ближайшие несколько лет, станут производить в основном различные виды топлива для транспорта. Возможно, наиболее перспективными будут те, которые могут быть смешаны с бензином, дизельным топливом и природным газом, что даст выгоду от использования уже имеющейся инфраструктуры обеспечения потребителей моторными топливами на основе нефти.

Преимущества КГП

Известное выражение «Если у вас есть энергия — у вас есть все» применительно к тематике этой публикации можно перефразировать так: «Если у вас есть энергия, вы можете удовлетворять потребности людей в товарах из органического сырья». КГП наиболее полно отвечают экологическим, экономическим и социальным требованиям, предъявляемым обществом к перерабатывающим производствам для выпуска такой продукции. Они будут инструментом, обеспечивающим развитие местной промышленности и занятость населения, полигонами развития новых технологий, источниками снижения предприятиями выбросов СО2 .

Многообразие видов сырья, доступного для КГП на территории, где они располагаются, широкий спектр конкурентоспособной продукции, выпускаемой из этого сырья, и определяемые видами местного сырья профили КГП являются несомненными сильными сторонами концепции Biorefinery в целом как предприятий будущего, отвечающих требованиям устойчивого развития.

Классификация КГП

В настоящее время КГП классифицируются по отраслевой принадлежности, применяемым на них технологиям и видам перерабатываемого ими сырья:

  • обычные КГП 1, 2 и 3 поколений;
  • КГП, использующие безотходные термомеханические технологии;
  • КГП, применяющие передовые технологии для переработки лигнинсодержащего сырья;
  • КГП, использующие сырье из вод­ной среды;
  • КГП, основанные на технологиях двух технологических платформ.
  • «зеленые» КГП.

Программа № 42 предлагает более точную классификацию, основанную на сути технологической цепочки переработки органического сырья в конечный продукт. В соответствии с ней КГП можно условно подразделить на две категории:

1. КГП — производители энергии (основной целью производства является выпуск энергоносителей — жидких моторных топлив и/или энергии с одновременным производством побочных продуктов, отличающихся высокой добавленной стоимостью).

2. КГП — производители продукции (кроме энергии). Основной целью такого типа комбинатов является выпуск продовольственных товаров, химических элементов, материалов. Часто побочная продукция используется для производства вторичных энергоносителей — электрической и тепловой энергии — как для продажи на рынках, так и для использования в генерирующих энергию бытовых установках.

Существует и более подробная система классификации, построенная на четырех основных признаках, которые идентифицируют и описывают различные типы КГП:

1. Виды передовых технологий (технологические платформы). Передовые технологии, применяемые на комбинатах (например, технологии С5/С6 переработки сахаросодержащего сырья или получения синтетического газа или биогаза), являются связующими между различными типами КГП и применяющимися на них технологическими процессами.

Количество используемых на КГП передовых технологий является показателем уровня комплексности технологических процессов, применяемых на конкретном комбинате.

2. Виды энергии или виды производимой продукции. Две группы продукции — энергоносители (например, биоэтанол, биодизель и синтетический газ из органического сырья) и химические элементы, материалы, продовольственные товары и корма.

3. Виды сырья: сельскохозяйственное сырье для производства энергии (например, крахмалосодержащие растения и древесные растения с коротким жизненным циклом), а также древесные отходы и отходы сельскохозяйственных культур, такие как кора, солома, щепа, другие отходы от переработки биомассы, а также использованное кулинарное масло.

Технологические процессы переработки сырья: биохимический, термохимический, химический и механический.

КГП сегодня

Комбинаты глубокой комплексной переработки органического сырья уже функционируют в Австрии, Франции, Дании, Германии, Канаде, Нидерландах.

Так, австрийская фирма Lenzing AG выпускает фурфурол, уксусную кислоту, сульфит натрия, калий, лигнин. Одновременно производится тепловая и электрическая энергия на основе лигнина как энергоносителя.

Канадская фирма Ensyn перерабатывает отходы сельскохозяйственных культур и древесные отходы. Производит биодизель, древесный уголь, связующие смолы, «зеленый бензин» (биоэтанол), дизельное и авиационное топливо. Применяется быстрый пиролиз. Производимый биодизель используется для получения тепловой и электрической энергии, моторных топлив и ряда химикатов. Канадская компания Dynamotive перерабатывает опилки и вторичную древесину, производит пиролизное масло, древесный уголь, тепловую и электрическую энергию. Применяется быстрый пиролиз.

Датская фирма Daka Biodiesel перерабатывает животный жир (боенные отходы) и производит биодизель, глицерин, сульфат калия. Мощность производства 55 млн л продукции в год.

Немецкая Biowert перерабатывает траву и производит биогаз, изоляционный материал, композитные материалы. Применяются технологии производства соков и получения волокон из травянистых растений.

Голландская фирма Vierhouten Vet перерабатывает использованные в кулинарии масла и жиры и производит биодизель.

Голландская фирма Ecoson/Vion производит биогаз, биодизель, тепловую и электрическую энергию, перерабатывая отходы пищевой промышленности. Применяются технологии комбинированных производств биогаза, жиров и биодизеля из отходов мясной промышленности.

Ten Kate Vetten (Голландия) перерабатывает животные жиры в жиры для потребительского рынка, ароматизаторы, желатин, тепловую и электрическую энергию. Применяются технологии комбинированного производства пищевых продуктов, тепловой и электрической энергии.

Эффективность КГП обеспечивается за счет повышения уровня эффективности переработки органического сырья. Одновременно происходит упрочение рыночных позиций различных секторов экономики — агропромышленного комплекса, лесного хозяйства и ЛПК, химической и энергетической отраслей. Органические ресурсы ограничены, а потому они должны использоваться максимально эффективно, что и является целью создания и развития многоцелевых КГП.

Идея КГП позволяет свести несвязанные прежде отрасли в многоотраслевую систему, способную решать комплексные задачи, инициировать необходимые исследования в общих интересах и ускорить внедрение разработанных технологий (технологических платформ).

По материалам Программы № 42,
подготовил Владимир СЕНДЕЦКИЙ

Кстати

Первый в мире завод по производству биологического дизельного топлива (БДТ) второго поколения введен в эксплуатацию на юге Финляндии 31 мая 2007 года. Запланированный объем производства — 170 тыс. т в год.

БДТ изготавливается из таких воспроизводимых ресурсов, как растительное масло и животный жир. Это экологически чистое топливо, его обычно используют в смеси с традиционным дизельным с целью повышения эффективности двигателей и сокращения выбросов выхлопных газов. БДТ первого поколения производится в основном из масла семян овощных культур, а БДТ второго поколения — из пальмового и соевого масел и жира животных. По сравнению с БДТ первого поколения БДТ второго более экологически чистое.

Результаты тестирования показывают, что выброс углекислого газа при использовании БДТ второго поколения составляет всего лишь от 16 до 40% выброса этого газа в случае применения традиционного дизельного топлива, а содержание частиц в выхлопных газах снижается на 30%. По сравнению с технологией производства БДТ первого поколения технология производства БДТ второго поколения имеет такие преимущества, как низкая себестоимость и низкий уровень загрязнения. Это топливо можно использовать отдельно или в смеси без внесения конструктивных изменений в двигатель.

Информационно-аналитический портал «Нефть России»

Первый немецкий завод по производству биотоплива нового (второго) поколения начнет промышленное производство в 2010 году. Завод строится в городе Фрайбург (Южная Германия) компанией Choren Industries. Здесь планируется производить около 15 тыс. т жидкого древесного топлива (BTL) в основном из отходов деревообработки.

Германия является одной из первых европейских стран, где строятся опытные заводы для производства в промышленных масштабах биотоплива второго поколения из различных биоматериалов — от опилок и другой древесной продукции до соломы, сена, травы, овощных отходов и зерновых культур низкого качества. Сейчас для производства биотоплива первого поколения используются зерновые культуры, а также рапсовое и пальмовое масла. Существует опасение, что использование этих ресурсов для производства биотоплива может поднять цены на продовольствие.

Choren также планировал строительство более крупного предприятия — завода по производству жидкого древесного биотоплива второго поколения мощностью 200 тыс. т в городе Шведт (Восточная Германия). Но решение по этому проекту зависит от возможности государственной поддержки разработки технологии биотоплива второго поколения, которая обходится очень дорого.

Пока неясно, будут ли какие­то квоты на биотопливо второго поколения, будет ли введен льготный тариф на биотопливо второго поколения, который помог бы установить фиксированные цены на этот энергоноситель, сохранив честную конкуренцию с биотопливом первого поколения.

Аenergy.ru