Біомаса — ресурс землі

Біомаса як похідна енергії Сонця в хімічній формі є одним з найпопулярніших і найуніверсальніших ресурсів на Землі. Вона дає змогу отримувати не лише їжу, а й енергію, будматеріали, папір, тканини, медичні препарати й хімічні речовини.

Біомасу використовують для енергетичних цілей із моменту відкриття людиною вогню. Нині пальне з біомаси може бути використане для різних цілей - від обігрівання житла до виробництва електроенергії і пального для автомобілів.
Хімічний склад біомаси може розрізнятися залежно від її виду. Зазвичай, рослини складаються з 25% лігніну і 75% вуглеводів або цукридів. Вуглеводнева фракція складається з безлічі молекул цукридів, сполучених між собою в довгі полімерні ланцюги. До найважливіших категорій вуглеводнів належить целюлоза. Фракція лігніну складається з молекул нецукридного типу. Природа використовує довгі полімерні молекули целюлози для утворення тканин, що забезпечують міцність рослин. Лігніном є "клей", який зв'язує молекули целюлози між собою.
В Українi iснує достатнiй енергетичний потенцiал практично всiх видiв біомаси, i потрібна науково-технiчна та промислова база для розвитку цієї галузi енергетики.
Основними складовими потенціалу біомаси є солома (5,6 млн т у. п./год) та інші відходи сільського господарства (стебла, качани, лушпиння і так далі - 4,7 млн т у. п./год) й деревні відходи. В Україні заготовляють до 15 млн м3 деревини, відходи під час обробки якої становлять:
   12% обсягу лісозаготівель;
   35% обсягів лісопиляння;
   31% під час виробництва меблів;
   31% під час будівництва житла.
Спалювання біомаси є найстарішим і найпростішим способом одержання енергії. У багатьох випадках цей спосіб вважають найекономічнішим. У хімічному розумінні спалювання полягає в конверсії всіх органічних матеріалів на двооксид вуглецю та воду за наявності кисню (зазвичай, атмосферного).
Пальне з біомаси з традиційним різниться тим, що воно практично нейтральне щодо збільшення парникового ефекту. Адже рослини, які вирощують для його виробництва, забирають вуглець з атмосфери та виділяють кисень. Тобто, споживаючи біопаливо, можна призупинити глобальні зміни клімату. Тому з енергетичної, економічної та екологічної точок зору виробництво енергії з біомаси є актуальним напрямом розвитку аграрної сфери.
У перспективі біомаса (без частки, яку використовують інші сектори економіки) і торф можуть забезпечити понад 10% загальної потреби України у первинній енергії. Але на сьогодні в Україні використовують лише 0,5% біомаси від загального використання первинних енергоресурсів.
Там, де вирощують зернові культури, найдоступнішим пальним є солома.
У соломи як у пального є низка переваг:
 солома - це нейтральний вид пального, і тому вона є екологічно найчистішим джерелом енергії;
 солома є місцевим видом палива, доволі поширеним у сільгоспрайонах;
 солома - побічний продукт виробництва зерна і тому є відносно дешевим видом палива порівняно з традиційним паливом (газ, вугілля, мазут).
У середньому щороку її виробляють понад 25 млн т, це 5,6 млн т у.п. на рік.
Сільськогосподарська біомаса, що її використовують як пальне, має низку особливостей, за якими вона різниться з традиційними енергоресурсами, які застосовують для опалення. Найважливішою пально-технологічною характеристикою біомаси, що використовують як тверде біопальне, є її теплотворна здатність, яка залежить від багатьох чинників: генетичних особливостей енергетичних рослин, впливу навколишнього середовища, умов зберігання, вологості тощо. У таблиці наведено середню теплотворну здатність сільськогосподарської енергетичної сировини (що раніше належала до відходів агропромислового виробництва) за абсолютної її вологості на рівні 20 відсотків.
Останнім часом поряд зі значним підвищенням цін на газ, електроенергію, нафтопродукти зросло значення деревини як джерела енергії.
За найдоцільніше вважається спалювання деревних відходів для отримання тепла, що відчутно скорочує витрати на закупівлю енергоносіїв. Адже теплотворна здатність деревини рівноцінна теплотворній здатності бурого вугілля.
Але слід мати на увазі, що дерево з 12-20%-ним вмістом вологи має теплоту згоряння 4 кВт.год/кг деревини, дерево з 50%-ним вмістом води має теплоту згоряння 2 кВт.год/кг деревини. Сира деревина мало гріє, погано горить, сильно димить й істотно скорочує термін служби котла і димохідної труби. Потужність котла знижується до 50%, а витрата пального збільшиться вдвічі.
Для ефективного спалювання потрібні три умови:
Доволі висока температура. 
Належна кількість повітря.
Достатній час для повного згоряння.
Якщо кількості повітря, що надходить, недостатньо, згоряння відбувається не повністю. При цьому утворюється чорний дим, що складається з незгорілого вуглецю. Як наслідок, утворюються відкладення сажі в димарі, що підвищує небезпеку спалаху.
Якщо кількість повітря, що надходить, дуже велика, то температура в зоні горіння знижується і гази покидають її незгорілими, відносячи тепло.
Правильна кількість повітря приводить до оптимального використання пального. При цьому не утворюються запах і дим, виключається небезпека спалаху в димарі.
Технологія прямого спалювання є найочевиднішим способом витягання енергії з біомаси. Вона проста, добре вивчена і комерційно доступна. Існує безліч типів і розмірів систем прямого спалювання, в яких можна спалювати різні види пального: пташиний послід, солом'яні пакунки, дрова, муніципальні відходи й автомобільні шини. Тепло, одержане під час спалювання біомаси, може бути використане для опалювання та гарячого водопостачання, для виробництва електроенергії і в промислових процесах.
Дуже велика неоднорідність біомаси з точки зору хімічного складу та фізичних властивостей спричинює певні труднощі як у процесі спалювання, так і емісії компонентів, які є побічними продуктами процесу.
Дуже важливо розуміти, що для кожного виду біопального існує своя спеціальна і специфічна технологія спалювання.
Котли, призначені для біомаси вологістю менше 30%, не будуть ефективні для спалювання вологого біопального із вмістом води близько 50%. Котли, призначені для біомаси вологістю близько 50%, не будуть ефективні для спалювання гранул, брикетів, пелет, рафінованого біопалива.
Твердопаливні котли вже впродовж багатьох років застосовують для опалення і постачання гарячої води до котеджів, невеликих промислових і адміністративних будівель. Зазвичай це будівлі, розташовані в негазифікованих районах і там, де є можливість використання дешевого місцевого пального і невигідно купувати дороге дизельне пальне.
Однією з основних переваг більшості твердопаливних котлів є те, що з їхньою допомогою можна створити повністю автономну систему опалювання. Адже вони працюють без використання допоміжних джерел енергії і можуть експлуатуватися за відсутності електричної енергії.
Ефективність роботи твердопаливних котлів найбільшою мірою визначається способом спалювання біомаси.
Відомо багато способів спалювання деревного палива і торфу в котлах малої потужності: шахтні топки, вихрові топки системи Шершньова, топки швидкісного горіння Померанцева, топки реторт, що похило перештовхують грати, циклонні топки. Котли вітчизняних і зарубіжних виробників, в яких застосовують ці способи спалювання, широко представлені на ринку України.
Аналізуючи традиційні моделі твердопаливних котлів, варто відзначити, що існують не лише примітивні варіанти з низьким ККД і повною відсутністю автоматики, а і набагато прогресивніші моделі.
Котли малої потужності, в яких спалюють дрова, деревну тріску і гранули, забезпечують теплом системи теплозабезпечення, на відміну від печей, які забезпечують теплом лише найближче приміщення.
Деревний котел може забезпечити теплом і гарячою водою всю будівлю (для якої він розрахований). Водночас деревні котли екологічніші. У процесі роботи вони викидають в атмосферу ту саму кількість вуглекислого газу, яку поглинають дерева в процесі зростання.
Деревні котли малої потужності завантажують уручну.
За останні десять років великий прогрес досягнуто у вдосконаленні котлів для підвищення ефективності та зниження емісії (пил і монооксид вуглецю). Поліпшення торкнулися конструкції топкової камери, повітроподання та автоматизації контролю процесу згоряння. Ефективність збільшилася від 50% до 75-90 відсотків.
Автоматична підтримка температури на виході теплоносія з твердопаливного котла здійснюється так. На котлі встановлено датчик, що відстежує температуру теплоносія. Цей датчик механічно сполучений із заслінкою. У разі, якщо температура теплоносія стає вищою за задану, заслінка автоматично причиняється, і процес горіння сповільнюється. Коли температура знижується, то заслінка прочиняється. Ще раз хочеться підкреслити, що цей пристрій не потребує підключення до електричної мережі.
Результати розробки проблем енергетичного використання біомаси втілилися у створення нового покоління піролізних опалювальних котлів із коефіцієнтами корисної дії у межах 80-89 відсотків.
 Конструкція котлів розрахована на спалювання деревини за принципом використання генерування газу з застосуванням вентилятора тяги, що вилучає спалені гази з котла і подає повітря до нього. Корпус котла виконаний із металу завтовшки 3-8 мм. Основними елементами котла є камера для пального, котра в нижній частині обладнана керамічними вставками з поздовжнім отвором, який забезпечує циркуляцію газів і диму. Камера додаткового згоряння також обладнана керамічними вставками. У задній частині котла наявний димовий канал, котел обладнано люком для розпалювання.
Будова котла дає змогу спалювати великі шматки деревини. Велика камера згоряння забезпечує тривалий час горіння. Використання димового термостату забезпечує автоматичне відмикання котла після спалювання пального. Зручне вилучення попелу: наявна велика камера для попелу (попіл видаляється раз на тиждень).
Системи опалення та гарячого водозабезпечення з використанням соломи як пального не різняться з традиційними системами за конструктивним застосуванням та розміщенням. Основною особливістю цієї системи є соломоспалювальний котел.

   Результати розробки проблем енергетичного використання біопального з рослинної маси втілилися у створенні нового покоління опалювальних пристроїв, що мають за оптимального режиму роботи ККД у межах від 85 до 90 відсотків.
Спалюванню соломи в печах передує збирання, за потреби, висушування та зберігання сировини. Важливою характеристикою цієї біомаси є її щільність. Звичайно, сухі біологічні матеріали мають щільність утричі-вчетверо нижчу, ніж вугілля. Важливим чинником якості твердого біопалива є технологія приготування біомаси до спалювання. Загалом у котлах палять тюковану солому.

Вага малого тюка становить 15-25 кг, це дає можливість широко використовувати ці тюки для спалювання в невеликих котлах із ручним завантаженням.
Циліндричні та прямокутні тюки, вага яких становить 200-450 кг, використовують у фермерських котлах і у великих котельнях централізованого теплозабезпечення. Для застосування цих тюків потрібна спеціальна техніка для складування і завантаження в котли.
Тюки соломи, які використовують як пальне, зберігають просто неба або під накриттям.
На сьогодні в Україні вже кілька фірм: АТ "Бриг", ТД "Теплосфера", ТД "Крігер" - освоїли технологію спалювання соломи та випуск обладнання для виконання цього технологічного процесу.
Після успішного впровадження першого котла на соломі фірми Passat Energy в Україні українська фірма "ЮТЕМ" придбала ліцензію на виробництво таких котлів в Україні та розпочала їхній випуск.

   В Україні випускають соломоспалювальні котли тепловою потужністю від 150 до 600 кіловат.
Котли для спалювання соломи зовнішнього виконання ізольовані, готові до експлуатації і не потребують жодних додаткових робіт із підготування та зведення споруд, окрім підготовки фундаменту, монтажу димаря і під'єднання до наявної тепломережі.
Залежно від потужності, топка котла може бути пристосована для спалювання малих або великих тюків.
Для спалювання соломи західні фірми випускають широкий модельний ряд газогенераторних котлів потужністю від 89 кВт до 4 мегават.
У комплекті з правильно підібраним водяним теплообмінником такі котли утворюють високоефективні та економічні системи.
Так, наприклад, із використанням пального як високої, так і низької якості газогенераторні котли фірми НERLT у процесі експлуатації сягають максимально можливого ККД - 92 відсотків.
Розробка сучасних технологій підготовки біомаси до використання як твердого палива, систем автоматичного управління процесом спалювання, спеціальних матеріалів (керамічних) для камер згоряння дає змогу підвищити ефективність використання котлів і можливість упроваджувати котли нового покоління.
Розвиток технологій та обладнання для виробництва біопаливних гранул започаткував створення нових типів котлів із повною механізацією процесу завантаження пального і автоматизацією контролю за процесом горіння.
В основі технології виробництва паливних біобрикетів лежить процес пресування відходів (лушпиння гречки, соняшнику тощо) і сильно подрібнених відходів деревини (тирса) та соломи (січка) під високим тиском за нагрівання від 250 до 350° Цельсія. Отримувані біобрикети не містять ніяких речовин, що їх склеює, окрім однієї натуральної - лігніну, що міститься в клітинах рослинних відходів.
Виготовляють паливні біобрикети, за ТУ У 30842484.007-2006, у вигляді чотиригранного бруса перетином 50 х 50 мм з отвором у центрі для відведення диму, що утворюється в процесі брикетування, а також для стійкого горіння.
Теплотворна здатність паливного біобрикету вища, ніж у вугілля. Наприклад, кубічний метр тирси або стружки вологістю 15% під час згоряння виділяє 500-600 тис. ккал, а такий самий об'єм паливних брикетів під час згоряння дасть від 4 до 5 млн кілокалорій.
Паливні біобрикети мають широке застосування і можуть бути використані для всіх видів топок, промислових котлів, печей, чудово горять у камінах, печах, грилях тощо. Великою перевагою брикету є постійність температури під час згоряння впродовж двох годин.
Сама технологія виготовлення не різниться залежно від типів сировини: є однаковою як для соломи, так і для тирси різних порід дерев.
Біопаливні гранули легко транспортувати, вони не набирають вологи, не гниють і не втрачають своїх властивостей під час зберігання, найпридатніші для автоматизованого завантаження до енергетичної установки в процесі її роботи. Весь процес переміщення гранул від виробника до споживача здійснюється без застосування ручної праці.

   Використання гранульованого біопалива дало можливість розробити котли на біомасі із самозавантажувальною системою і технології використання біопалива котлом в автоматизованому режимі впродовж усього опалювального сезону без затрат ручної праці.
Увесь запас гранул на опалювальний сезон зберігається в спеціальних складських приміщеннях (прямо у будівлях або в прибудовах до будівель).
Завантажування гранул, залежно від способу складування і будови складу для гранул, може бути виконане в такі способи: за допомогою шнекового транспортера; комбінованої схеми: шнековий транспортер + пневмотранспортна система; координатної пневмотранспортної системи.

В. Роженко, С. Балабуха, УкрНДІПВТ ім. Л.Погорілого
І. Роженко, студент НУХТ,
М. Джима, заступник директора
навчально-виробничого комбінату “Гребінківський”