Технологии энергетического использования биомассы

Химический состав биомассы может различаться в зависимости от ее вида. Углеводородная фракция состоит из множества молекул сахаридов, соединенных между собой в длинные полимерные цепи. К наиболее важным категориям углеводородов можно отнести целлюлозу. Лигниновая фракция состоит из молекул несахаридного типа. Природа использует длинные полимерные молекулы целлюлозы для образования тканей, обеспечивающих прочность растений. Лигнин представляет собой «клей», который связывает молекулы целлюлозы между собой.

Основные источники биомассы для применения в энергетических целях можно разделить на первичные и вторичные (отходы).

Первичная биомасса является продуктом преобразования энергии солнечного излучения при фотосинтезе. Несмотря на весьма низкий КПД фотосинтеза (около 1 %) ежегодно только на территории, занимаемой Россией, продуцируется до 15 млрд т биомассы (по сухому веществу), накапливающей энергию в виде органических веществ, эквивалентную примерно 8 млрд т условного топлива. Напомним, что современное мировое энергопотребление оценивается 12 млрд т у.т.

Первичные источники – биомасса растущих деревьев, кустарников, некоторых многолетних трав, водорослей. Ряд специалистов предлагает создавать и использовать специальные «энергетические плантации» быстро растущих в естественных условиях культур типа ивы, тополя, тростника, кукурузы, овса, сорго и т. п. Эта биомасса затем может быть применена непосредственно как топливо на тепловых электростанциях или в котельных. При условии, что на место использованных растений высаживается такое же количество новых, такой подход позволяет исключить накапливание С0₂ в атмосфере.

Растительное сырье разделяют на три поколения.

Биотопливо первого поколения производят из сахара, крахмала, растительного масла и животного жира, используя традиционные технологии. Основными источниками сырья являются семена или зерно. Например, семена подсолнечника прессуют для получения растительного масла, которое затем может быть использовано в биодизеле. Из пшеницы получают крахмал, после его сбраживания – биоэтанол. Вместе с тем из подсолнечника, пшеницы и других подобных культур можно произвести продукты питания, поэтому возникает конкуренция с жизненно важным для человечества сегментом рынка пищевым. Более того, производство биотоплива из подобных культур требует существенной финансовой поддержки государства и зачастую экономически невыгодно. Кроме того, многие экологи уверены, что при производстве данных видов биотоплива выбрасывается слишком много парниковых газов, что перекрывает экологическую выгоду от использования этих биотоплив.

Растительное сырье второго поколения. К биотопливам второго поколения относятся все виды жидкого и газообразного биотоплива, которые производятся не из пищевых культур: древесины, шелухи, и другой биомассы – органических отходов растительного и животного происхождения. Лигноцеллюлозный этанол получают из гидролизатов целлюлозы, используя: нагревание паром, ферменты и другие предобработки. С помощью брожения из данных сахаров можно получить этанол таким же путем, как и биоэтанол первого поколения. Побочным продуктом этого процесса является лигнин, которой может быть сожжен как не влияющий на концентрацию углекислого газа в атмосфере для выработки тепла и энергии. Также лигноцеллюлозный этанол сокращает выбросы парниковых газов на 90 % по сравнению с ископаемой нефтью.

Растительное сырье третьего поколения. Совершенно новый вид – биотопливо третьего поколения или водорослевое топливо изготовляется из водорослей. Водоросли – одновременно дешевое и высокопродуктивное сырье для получения жидкого биотоплива. Эксперты утверждают, что с одного акра водорослей можно произвести в 30 раз больше биотоплива, чем с акра любого наземного растения. Более того, жидкое биотопливо из водорослей может без труда заменить продукты из нефти без качественных потерь для пользователей и с улучшением экологической составляющей. Эксперты утверждают, что как только жидкое биотопливо из водорослей станет экономически рентабельным для производства в большим масштабах (а сейчас к этому приближаются), то нефтяное топливо уже будет не конкурентно способным.

К отходам относят:

– отходы лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно- бумажной промышленности, сельскохозяйственные отходы – остатки первичной биомассы (солома, шелуха зерновых культур, жмых масличных культур) и отходы животноводства, птицеводства (навоз, помет);

– промышленные жидкие отходы некоторых промышленных производств (пищевая, сахарная промышленность, виноделие и другие производства);

– муниципальные отходы городских очистных сооружений, городских свалок (подземные хранилища), твердые бытовые отходы и др.