Біоенергетика в Україні: ефективна конвертація біомаси
Україна завдяки сприятливим ґрунтово-кліматичним умовам і структурі земельних угідь має значні можливості й реальні резерви для розвитку рослинної біоенергетики.
Від початку розвитку біоенергетики в Україні для виготовлення біопалива надавали перевагу використанню наявної в сільськогосподарському виробництві сировини у вигляді соломи, бадилля рослин, стебел кукурудзи, соняшнику, ріпаку, відходів деревообробної та лісової промисловості. Нині відбувається перехід до переробки на біопаливо цілої низки нових біоенергетичних культур: світчграсу, міскантусу, енергетичних верби, тополі та акації й інших. Учені-дослідники провадять пошук і розробку ефективних елементів технології вирощування таких культур із визначенням економічної та екологічної ефективності їхнього застосування як окремих видів палива. На черзі — визначення найефективнішого із наявних видів палива, яке б за рівних енергетичних витрат на його одержання давало найвищу віддачу теплової або електричної енергії.
Саме в цьому напрямі ведуть пошуково-дослідницьку роботу вчені Інституту біоенергетичних культур і цукрових буряків НААН України — з обґрунтуванням послідовності дій і переліком основних технічних рішень, пов’язаних із заміщенням викопних видів палива. Особливу увагу в дослідженнях приділяють використанню нових біогазових і синтез-газових технологій для одержання біогазу та синтез-газу в стисненому та скрапленому вигляді, а також отриманню на їхній основі моторних палив, виробництва теплової та електричної енергії. Наукові джерела й попередні власні дослідження свідчать про те, що найрентабельнішою є енергія, отримана шляхом перетворення органічної сировини на газоподібне паливо.
Переробка біомаси
Проблема ефективної переробки й спалювання біомаси досі залишається актуальною в усьому світі. Це пов’язано, в основному, з тим, що біомаса є низькосортним видом палива з високою вологістю (до 85%), має низьку енергетичну щільність та теплоту згоряння й неоднорідність фракційного складу. Установки для прямого спалювання біомаси мають низький ККД, що не дає змоги на їхній основі побудувати стійку енергетичну систему. З відомих технологій утилізації органічних відходів саме піроліз та газифікація привабливі тим, що дають змогу отримувати дешеві енергоносії. Саме це обумовлює економічну доцільність низки виробництв.
За газифікації тільки частина вихідної сировини переходить у газоподібну форму зі зміною хімічного складу під впливом високих температур, каталізаторів та інших фізичних, хімічних і біологічних впливів.
З-поміж широкого спектра технологій переробки біомаси саме ферментація та газифікація є ефективними та привабливими, оскільки дають змогу отримувати екологічно чисте паливо та енергоносії з низькою собівартістю.
У структурі собівартості виробництва продукції переважає енергетична складова. Тому з урахуванням різкого подорожчання й дефіциту висококалорійних енергоносіїв на основі викопних палив виникла гостра потреба в створенні технологій і устаткування для отримання теплової та електричної енергії з поновлюваних і місцевих видів палива (відходи промислові та с.-г. виробництва, біомаса спеціально вирощених біоенергетичних культур), вартість яких наразі приблизно вчетверо-вшестеро нижча від вартості нафтопродуктів.
Виробництво енергії з відходів біомаси може бути конкурентоспроможним уже сьогодні, навіть за умови закупівлі іноземного обладнання. З урахуванням низької вартості сировини виробництво якісного генераторного газу з відходів біомаси буде рентабельнішим, аніж виробництво традиційних енергоносіїв, вартість яких динамічно зростає. Ефективним обладнанням нового покоління для виробництва енергії слугують газові мікротурбіни, які працюють на низькокалорійних піролізних газах різного компонентного складу, що не потребують значного очищення, а також на біогазі за мінімальних викидів в атмосферу NOx — 9 мг/м3 та СО — 46 мг/м3. Виробники цих установок пропонують широкий діапазон потужностей мікротурбін — від 15–100 кВт до 2–10 МВт, що дає можливість установлювати генератори електричної енергії безпосередньо поблизу місця її споживання без потреби великих газосховищ.
Отримання газу методом ферментації
Ферментація — хімічний або біохімічний процес перетворення біомаси під впливом ферментів, тобто біохімічних каталізаторів, які можуть прискорювати процеси як асиміляції, так і дисиміляції органічних сполук. У результаті ферментації утворюється горючий газ, що в різних пропорціях містить: СО, СО2, О2, Н2, N2, H2S, Н2О, СН4 тощо.
За хімічним складом біогаз наближений та сумісний із природним газом — метаном, що є одним із найпоширеніших у використанні біопалив у світі. Біогаз складається із суміші: метану — 65%, вуглекислого газу — 30%, сірководню — 1% і незначних кількостей азоту, кисню, водню й окису вуглецю. Всі технології обробки, транспортування, зберігання, а також модифікації в зручніші синтетичні види моторного палива є в цілому однакові.
У таблиці 1 наведені цифри виходу біогазу залежно від виду сировини в сухому вигляді. Оскільки солома зберігається практично в сухому стані, вихід біогазу з 1 т соломи дорівнює 0,340 м3 за вмісту метану 58%. Таким чином, з 1 т соломи можна отримати близько 0,200 м3 біометану.
У розрахунках щодо виробництва біогазу використовують терміни «суха речовинина» (СР) або «сухий залишок» (СЗ). Щоб вирахувати вихід біогазу з конкретної сировини, потрібно визначити вміст у ній жирів, білків і вуглеводів. Під час такого визначення важливо встановити відсотковий вміст швидкорозчинних (фруктоза, цукор, сахароза, крохмаль) і важкорозчинних речовин (целюлоза, геміцелюлоза, лігнін). На практиці з 1 кг сухої речовини цукрових буряків, силосної кукурудзи, цукрового сорго або сильфії пронизанолистої отримують у середньому від 0,3 до 0,6 м3 біогазу. Однак біогаз, який виділяється у результаті анаеробного бродіння, в своєму складі містить приблизно 2/3 метану, тому його насамперед потрібно застосувати для спалювання в котлах для отримання теплової енергії. Рекомендують таке спалювання проводити в звичайних газових котлах з пальниками, які використовують для спалювання природного газу, або пропан-бутану. Теплотворну здатність біогазу можна виразити в калоріях або джоулях. Але найзрозумілішим буде порівняння біогазу за теплотворною здатністю з природним газом. У природному газі міститься 92–98% метану, а в біогазі — 55–75%. Співвідношення метану в цих видах газу — 65/95 = 0,68.
Важливим продуктом метанового бродіння є рослинні рештки, які використовують як біодобриво, що за багатьма показниками в рази переважає інші органічні добрива. До того ж воно не містить насіння бур’янів та патогенну мікрофлору. Основна перевага біодобрива перед традиційним органічним (гній, послід тощо) щодо елементів живлення — це їхня форма, що є легкодоступною для рослин, і збалансованість. А ще — високий рівень гуміфікації органічних речовин, які слугують потужним енергетичним матеріалом для ґрунтових мікроорганізмів. Тому після внесення біодобрива в ґрунт відбувається активізація азотфіксуючих та інших мікробіологічних процесів. Біодобриво завдяки своїй формі починає ефективно працювати відразу після внесення.
Отримання газу методом піролізу
Ще одним перспективним способом переробки органічної сировини є газифікація методом піролізу, що відбувається шляхом хімічного розкладання вихідних сполук на простіші компоненти під впливом високих температур без участі окисника. Піроліз — це термічне розкладання палива (деструкція), за якого утворюється горючий газ, який тривалий час використовували для освітлення вулиць міст. Цей процес, що перебігає за участі водяної пари, називають гідропіролізом.
У результаті піролізу за нормальних умов можуть бути виділені тверді, рідкі та газоподібні речовини. Газоподібні продукти піролізу утворюють газ, що містить CH4, СО, Н2 (Qнр=12–20 МДж/м3), вихід якого — до 70% маси сухої сировини за високотемпературного швидкого піролізу. ККД піролізу становить 90%. Перебіг піролізу за високих температур (1200…1500 °С) сприяє глибокій переробці, за якої можна отримати висококалорійні гази: ацетилен, етилен, пропілен, бутадієн. Отримання того чи іншого продукту піролізу визначає споживач відповідно до своїх потреб.
Принципи газифікації біомаси були відомі ще з кінця XVIII ст. Спочатку цю технологію застосовували для заправляння газових ліхтарів. Під час енергетичної кризи 70–80-х років XX ст. газифікацію біомаси розглядали як альтернативу викопним паливам. Крім того, почали використовувати газифіковані установки для виробництва електричної енергії.
Термохімічна газифікація — це процес часткового окислення вуглецевої сировини, такої як біомаса, з отриманням газоподібного енергоносія — генераторного газу. Вироблений газ складається з монооксиду вуглецю, водню, метану, діоксиду вуглецю, невеликої кількості вуглеводневих сполук вищого порядку, таких як метан і етан. Також він містить пари води, азот (за повітряного нагнітання) і різні домішки, такі як смоли, часточки вуглецевих речовин і золи. Як окисники під час газифікації можна використовувати повітря, кисень, пару або суміші цих речовин. Максимальна температура процесу становить 800...1300°С.
За повітряної газифікації утворюється генераторний газ із вищою теплотою згоряння — 5–6 МДж /м3 (низькокалорійний газ). Цей газ можна спалювати в котлах, а після очищення — в газових двигунах або турбінах. Але через низьку енергетичну щільність він не придатний для транспортування трубопроводом. Газифікація з використанням кисню дає синтез-газ калорійністю 10–12 МДж/м3, що придатний для транспортування трубопроводом та для отримання метанолу та газоліну.
За застосування парової газифікації можна отримати газ із більшою теплотою згоряння — 15–20 МДж/м3. Досягається це за двостадійного процесу, який перебігає в двох реакторах киплячого шару. Світовий досвід експлуатації установок із вихровим киплячим шаром показав, що в такий спосіб можливе спільне спалювання практично будь-яких горючих речовин, зокрема й з високою вологою та зольністю. Основною його перевагою є можливість зменшення шкідливих викидів шляхом зниження температури окислювальних процесів. Конструкції установок і технологічні осо бливості процесів за переробки різних палив відрізняються, але не принципово. Спільна переробка традиційних палив і біомаси дасть змогу поєднувати переваги різних видів палив.
Аналіз досліджень роботи пілотних установок із газифікації різних палив, що містять органічні речовини, показує, що отримання з них рідких нафтопереробних і газоподібних продуктів, твердого палива є економічно ефективнішим порівняно з переробкою сирої нафти.
Особливо слід підкреслити, що поєднання в одному технологічному процесі виробництва біопалива й утилізації відходів газогенератора дасть змогу якомога повніше використати вуглець, що міститься в них, — практично до 95%.
Газифікація біомаси — це термохімічний процес перетворення органічної сировини (біомаси, відходів деревообробного та с.-г. виробництва тощо). Він полягає головним чином у перетворенні певного виду твердого палива на піролізний газ (синтез-газ). Цьому процесу зазвичай піддають різні види біомаси (водночас відбувається часткове згоряння такої біомаси). Процес часткового згоряння відбувається, якщо кількість повітря, що подається (O2), менша від кількості, потрібної для повного спалювання біомаси. Шведський учений Таннер установив, що без додаткового палива органічні речовини можуть горіти за вмісту вологи (W) не більш як 50%, золи (А) — не більш ніж 60% і горючих речовин (С) — не менш як 25%. Згідно з цією теорією, нижня межа теплоти згоряння високозольної і вологої органічної речовини, за якої можливе спалювання, відповідає умові: W = 50%, А = 25%, С = 25%. Отже, основна вимога — щоб вміст вуглецю становив більш ніж 25%.
Органічні речовини містять вуглець, водень, сірку, кисень, азот, які перебувають у складних високомолекулярних сполуках. Негорючі домішки під час спалювання перетворюються на золу та вологу.
Так, 1 кг паливної тріски деревини енергетичних верби чи тополі можна перетворити на 2,5–3 м3 синтез-газу із теплотворною здатністю 1000–1350 ккал/м3. Такий синтез-газ придатний для використання в топках газових і рідинних котлів, спеціальних топкових пристроях і в сушильних камерах для вироблення теплової енергії, а також у поршневих двигунах, електроагрегатах — застосовують замість традиційних нафтових рідких палив для вироблення електроенергії. Попри невисоку калорійність самого газу, теплотворна здатність його суміші з потрібною для повного згоряння кількістю повітря перебуває на рівні теплотворної здатності суміші, що утворюється в циліндрах бензинового двигуна. Тому за заміни бензинового палива газом потужність двигуна не змінюється. Синтез-газ, отриманий на установках високотемпературного піролізу, як баласт містить інертні складові — азот (N2) і двоокис вуглецю (СО2), які знижують його теплотворну здатність. Однак наявність інертних складових у суміші, що подається в дизельний двигун силової електростанції, знижує ймовірність її детонаційного (вибухового) згоряння навіть за вмісту такого активного компонента, яким є водень. Швидкість підвищення тиску в циліндрах знижується. Також зменшується максимальний тиск циклу та вібрація. У поєднанні з паливним газом можна успішно спалювати в бензиновому двигуні рідкі палива з низьким цетановим числом і розширеним фракційним складом, такі як газові конденсати, сира нафта, різні рідкі синтетичні палива, не побоюючись за жорсткість процесу згоряння.
Аналіз досліджень пілотних установок із піролізу та газифікації біомаси на основі органічної речовини показує, що з їхньою допомогою можна отримувати газоподібне та тверде паливо так само ефективно, як і за переробки нафти. Перспективним напрямом електрогенерації є нові розробки українських учених щодо використання НВЧ-технологій із застосуванням плазмотронів, що прискорюють реакцію перетворення органічної речовини на газоподібну форму (до того ж за зменшених енергозатрат порівняно зі звичайним нагріванням та піролізом).
Висновки
Широке застосування в Україні нових технологій у біоенергетиці дасть можливість замінити четверту частину споживаного природного газу, оскільки біометан можна використовувати для вироблення теплової та електричної енергії для забезпечення потреб ЖКГ. З одного боку, розвиток комунальної енергетики потребує значних витрат (ясна річ, темпи зростання тарифів на електроенергію і вартість Гкал теплової енергії збільшуватимуться), з другого — з низки об’єктивних причин близько половини території України не може бути забезпечена централізованим енергопостачанням. Наявні котельні і міні-ТЕЦ працюють на привізному дорогому паливі, що значно збільшує собівартість виробленої енергії порівняно з тарифом, установленим для населення, а збиток покривається за рахунок бюджетних субвенцій.
Біоенергетика в її поточному стані на найближчу перспективу поки не здатна стати безальтернативною заміною вуглеводневій енергетиці, однак уже тепер може стати важливим елементом якщо не подолання, то бодай не поглиблення дефіциту на вуглеводневу сировину та запорукою енергобезпеки споживачів.
М. Гументик, канд. с.-г. наук, ст. наук. співробітник,
Інститут біоенергетичних культур і цукрових буряків НААН
Інформація для цитування
Ефективна конвертація біомаси/ М. Гументик // Пропозиція. — 2016. — № 12. — С. 178-180