Биотопливо. 4

БИОТОПЛИВО

Общие сведения

Биомасса это составляющая всех живых организмов, т.е. животных и растений. Ее основой является углерод и его органические соединения, выделяющие тепло при соединении с кислородом в процессе сгорания или при своем собственном естественном  метаболизме. Биомасса может преобразовываться в определенные типы топлива:

- жидкий метанол;

- газообразный метан;

- твердый уголь (древесный);

Это происходит с помощью  биохимических, а так же химических процессов. Благодаря фотосинтезу  (под воздействием солнечного света), что является наиболее естественным способом преобразования энергии солнечного излучения, возникает кислород – первичная энергия всей биомассы. Энергия биомассы будет рассеиваться в процессе ее горения, но продукты, возникающие при этом, могут быть превращены в биотопливо через ряд сельскохозяйственных или же экологических процессов. Получается, что для обеспечения достаточно эффективного получения энергии с минимальными загрязняющими факторами биотопливо подходит как нельзя лучше. Такую систему получения энергии называют агропромышленной. Основными материалами переработки для нее являются древесина и сахарный тростник, т.к. при использовании этих материалов были достигнуты наилучшие результаты. Биомасса, при пересчете ее на сухую массу, образуется в биосфере со скоростью т / год. Кроме того, энергия, которая потребляется в процессе фотосинтеза, равна примерно Дж/год или Вт. При оценке восполнения и распределения биомассы так же нельзя забывать о том, что лишь 0.5% от всей биомассы человек употребляет в пищу.

Использование биомассы в  промышленности открывает небывалые  горизонты с точки зрения экономичной  выработки энергии. Отходы производства различных материалов и ресурсов, например сахара, для стран –  экспортеров являются далеко не последним  видом топлива и, соответственно, источником энергии. Навоз, древесина  и ботвы сельскохозяйственных растений – все это служит человеку и  покрывает потребности в топливе для половины населения планеты. Общая выработка при этом достигает 300 ГВт. Биомасса, являясь возобновляемым ресурсом, должна вырабатываться в достаточном количестве, как минимум на том же уровне, что и ее потребление.  

Рассмотрение биомассы как  аккумулятора энергии является фундаментальным  в наше время, ведь конечная цель это  обеспечение производства подходящих к любой отрасли видов топлива, включая сферу транспорта, где топливо необходимо исключительно в жидком состоянии.

Получаемая в процессе сжигания удельная энергия (чистая) меняется для различных веществ и материалов:

- 10 МДж / кг  - сырая древесина;

- 55 МДж / кг – метан;

- 40 МДж / кг  - жиры и нефтеподобные вещества;

- 20 МДж/кг – сухая биомасса (преимущественно углеводы).

Для переработки биомассы были составлены основные принципы и  правила, соблюдение которых обеспечит  наибольшую эффективность и даст большую вероятность успешного развития данной системы. Вот наиболее значимые принципы:

А) Каждый из существующих видов  производства биомассы в состоянии  предоставить достаточно большой спектр разных продуктов, например в области  производства сахара из тростника. В  данном производстве от переработки  различных отходов волокна  или  патоки есть возможность получать множество  ценных веществ, а так же энергию  в процессе их сжигания. Зола, образующаяся в результате этого, может быть отправлена в почву как удобрение.

Б) Некоторые технологии выработки топлива из биомассы требуют значительно больше энергии, чем способно выработать топливо, создаваемое в процессе производства. К подобным относится получение этилового спирта из крахмала растений.

В) Внедрение комплексной переработки оказывает неоценимый эффект на агропромышленные отрасли и границы данных рекомендаций нужно указывать достаточно жестко. Различают, например:

- самообеспечение, рост национального дохода с активным увеличением уровня занятости в сельскохозяйственной деятельности, уровень снижения импорта;

- улучшение материального  состояния поселения за счет  удовлетворения собственных хозяйственных  потребностей своими силами, не  используя централизованную помощью.

Г) Только в случае использования  постоянно пополняемых ресурсов в виде дешевого сырья производство биотоплива может считаться экономически выгодным, а также экономически оправданным. Аналогом такого производства является гидроэнергетика. Примеры подобных ресурсов:

- навоз;

- опилки и обрезки с  лесопилок;

- городские стоки;

- солома злаковых растений.

Разработка плана технологий по ресурсосбережению в государственных  и локальных (местных) масштабах  очень важна, как и оценка возможности  получения соответствующего сырья  в необходимых масштабах.

Д) Уничтожение лесных массивов, эрозия почв, а также смена урожаев, предназначенных для пищи, «урожаями» топлива являются основными опасностями, приводящими к экстенсивному  использованию топливных ресурсов из биомассы.

Е) Основная особенность  биотоплива заключатся в том, что оно представляет собой производные органических соединений. Данные соединения могут быть использованы в качестве конструкционных материалов, а также химического сырья.

Например:

- пальмовое масло, которое  является одним из компонентов  мыла;

- пластмассы, производимые  из сырья натурального происхождения;

- строительная сфера, в которой используются композитные материалы, основанные своей структурой на растительных волокнах.

Производство  биомассы для энергетических целей

Рассмотрим такое понятие, как энергетическая ферма (ЭФ). Энергетической фермой обозначают топливное производство, которое выступает как основной или дополнительный продукт с/х производства (например, поля), лесоводства (леса), аквакультуры (морские или пресные воды), а также некоторые типы бытовой и промышленной деятельности. Процесс производства энергии мог бы стать основной задачей переработки сырья, но нахождение наилучшей зависимости между получением из разных типов биомассы (а также энергии) и биотоплива является более выгодным.

Предприятия, основывающие свою деятельность на  выращивании  и переработке сахарного тростника, являются характерным примером ЭФ. В таком случае, данное производство будет зависеть от процесса по сжиганию отходов тростника, который так  необходим в целях обеспечения  энергией всей цепи технологии. При  должной механизации есть шанс получить дополнительную энергию, необходимую  производству для изготовления побочных продуктов на продажу.

Развитие энергетики с  помощью активного использования  с/х культур обладает рядом достоинств и недостатков.

Достоинства:

•  меньшие загрязнения  воды и атмосферы, за счет использования  эффективной комплексной  переработки;

•  разнообразие культур;

•  огромные потенциальные  запасы;

•  разнообразное применение (транспорт и производство электроэнергии);

•  поощрение интегрированного с/х производства;

•  эффективное использование отходов, стоков и побочных продуктов;

• утилизация отходов, способствующая улучшению экологии;

•  связь с существующей агрокультурой и лесоводством;

•  приводит к развитию сельского хозяйства; 

•  экономичнее по отношению  к территории, продуктам и занятости специалистов;

•  большой потенциал в тропических  странах;

•  создание  агропромышленности.

Опасности и трудности:

•  возможно оскудение  и эрозия почв;

• неверное использование генной инженерии способно привести к возникновению неконтролируемых организмов;

•  эффективное управление крупномасштабной  агроиндустрией может  оказаться  слишком  сложным;

•  перегрузка транспорта, вследствие перевозок биомассы  к перерабатывающим предприятиям;

• загрязнение окружающей среды, вызванное ошибками проектирования;

Наибольшей существующей опасностью является то, что производство энергии может конкурировать  с производством продуктов питания. Обширное увеличение объемов производства биотоплива (к примеру, этилового спирта) может привести к негативному влиянию на пищевой мировой рынок. Иной опасностью становится эрозия и возможное обеднение почв по причине интенсификации взращивания культур, предназначенных для нужд энергетики. Наиболее эффективной тактикой по устранению этих явлений будет выращивание тех культур, которые пригодны как для употребления в пищу, так и для энергетических нужд, при условии одновременного уменьшения части урожая, предназначенного для животного корма.

Говоря о географическом распределении, можно сказать, что  тропические страны обладают большим  потенциалом для эффективного развития энергетических ферм. Делать подобный вывод можно на основании того, что страны с тропическим климатом обладают необходимыми условиями по количеству осадков и качеству почв.

Анализы энергетической и  экономической составляющих процесса получения и переработки биомассы вызывают определенные сложности. Однако, можно считать существенным, что использование дешевых отходов для получения электроэнергии и тепла имеет не последнее значение для оценки эффективности процесса.

Сжигание биотоплива для получения тепла

Тепло, получаемое в результате сжигания биомассы, используют для  обогрева жилища, приготовления пищи, при переработке урожая. Также с помощью этого тепла получают электроэнергию, необходимую для работы разной техники. В большом количестве развивающихся стран наибольшую долю потребности в топливе покрывают именно благодаря сжиганию биомассы. Это следствие как увеличения применения печей, которые отапливаются древесиной, так и масштабного использования биомассы в получении энергии (например, для приведения в действие мельницы для обработки сахарного тростника). В развитых странах всё наоборот – здесь предпочтительнее применение ископаемого топлива, а лишь иногда – атомной энергии.

Обогрев жилищ  и приготовление пищи. Для различных бытовых нужд древесину и иные типы биотоплива использует чуть меньше половины населения Земли. Потребление топлива на одного человека в среднем составляет кг биомассы в сутки (это примерно равно 150Вт). Если помножить данное значение на , получается уже 300 ГВт. Постоянное использование 150Вт исключительно на приготовление пищи кажется необоснованно большим. Связано это с применением методов, большинство из которых основано на использовании открытого огня. Такие методы малоэффективны, т.к. КПД соответствующих «устройств» не превышает 5%. Из-за неполного сгорания материала, а также за счет достаточно больших потерь тепла, вызванных воздушными потоками, несовершенством технологии и т.п., оставшаяся часть будет безвозвратно теряться. Кроме того, на объемы потерь могут влиять излишние испарения и некачественное или сырое топливо.

Однако эффективность  таких методов приготовления  пищи можно повысить за счет:

- применения иных способов  приготовления, к примеру, паровых скороварок;

- увеличение догорания  топочных газов;

- хорошо выбранных кастрюль  и крышек, использования улучшенных нагревателей, что уменьшает тепловые потери;

- использования надежных  и простых методов управления  нагревателем.

С учетом данных улучшений  усовершенствованные кухонные плиты  позволяют использовать по назначению до 20% энергии сгорания, т.к. имеют  естественную циркуляцию воздуха. А с использованием электрического вентилятора (т.е. принудительной воздухоподачи) можно увеличить эффективность до 50%.

Также существуют разработки альтернативных устройств, предназначенных  для замены плит, использующих древесину. Эти устройства работают на топливе, полученном из отходов с/х культур, и на биогазе. Соответствующие устройства крайне необходимы в связи с ростом пустынь и уничтожении лесов.

К обогреву жилищ относится большая часть замечаний по поводу приготовления пищи. При должном качестве сжигания первичных продуктов нужно иметь хорошо управляемую скорость горения. Существуют устройства, в которых для уменьшения тепловых потерь и циркуляции воздуха в обогреваемом помещении, воздух подводится к печи напрямую с улицы.

Сушка технических  культур. Для обеспечения сохранности технических культур (таких как какао, чай, кофе) используется их сушка. Она достигается либо с помощью лишнего тепла, полученного от выработки электроэнергии, либо же путем сжигания древесины или, полученных в результате обрабатывания самих культур, отходов. Материал, который необходимо высушить, можно расположить прямо в потоке газообразных веществ, полученных в результате сгорания, но в таком случае пищевые качества могут ухудшиться. Поэтому используют другой способ – сушку проводят теплым воздухом.

Сжигание отходов – целесообразный способ применения биотоплива, которое располагается близко от места использования энергии. Чистые потоки горячих газов можно получить при сжигании в печах с температурой примерно . Путем смешивания с холодным воздухом эти газы могут быть остужены до необходимой температуры. При данной утилизации обеспечивается избыток энергии, т.к. общий объём отходов биомассы больше необходимого на сушку технических культур.

Производство  тепла  и  электроэнергии. В результате сжигания разных отходов биомасс в топках котлов получают пар, необходимый для производства. В этом случае есть возможность использования метода сжигания в псевдоожиженом слое. Для выработки электроэнергии наиболее выгодно физически использование высокотемпературного тепла. Вследствие этого при получении энергии постоянно происходит сброс низкотемпературного тепла. Эффективность выработки электроэнергии с помощью паровых котлов достаточно мала, т.к. преобразуется лишь некоторая часть тепла. Кроме того, сами котлы довольно дороги. Иногда удается оптимизировать получение тепла на нужды производства за счет передачи электроэнергии в местные сети.

Для примера можно  рассмотреть ТЭЦ, которая работает на биомассе с ОЦР (органический цикл Ранкина).

Общие сведения

Установку ТеплоЭлектроЦентрали на биомассе с ОЦР ввели в эксплуатацию в Австрии на заводе «STIA» в 1999 году. Данная установка предназначалась для передачи электроэнергии деревообрабатывающему заводу и местному монастырю.  За счет получения тепла от одного котла на биомассе и двух на мазуте удовлетворялись все технологические и отопительные потребности завода. Теплоснабжение монастыря осуществляли три топки, которые работали на мазуте. Через некоторое время старые установки уже не соответствовали техническим стандартам, и руководство завода «STIA» приняло решение об их замене на новую систему, полностью работающую на биомассе. Это был первый демонстрационный проект, реализуемый в рамках ЕС-15, предусматривающий разработку установки ТЭЦ на биомассе с орг. циклом Ранкина. Раньше технологии ОЦР применялись только на геотермальных установках и не использовались в работающих на биомассе.

Описание ТЭЦ

Установка имеет два котлоагрегата. Первый включает тепловой котел, номинальная мощность которого . Второй - водонагревательный  котел (номинальная мощность ).  Не подвергавшиеся хим. обработке древесные отходы и опилки применяются в качестве топлива. За каждой топкой есть электроосадитель, который соединен с блоком конденсации топочного газа. При введении в эксплуатацию новой ТЭЦ на биомассе были остановлены пять прежних котлов на мазуте; в качестве резервных применяются два котла.

Процесс ОЦР (с номинальной  тепловой мощностью и номинальной электрической ) соединяется с топкой на биомассе через цикл теплового масла и котел с тепловым маслом. Схема ОЦР представлена на рис. 1. Органический цикл Ранкина – это целиком замкнутый процесс, где как органическое рабочее тело используется безвредный для окр. среды кремний. Под давлением подаваемый в испаритель, кремний сначала испаряется, а потом расширяется в осевой двухступенчатой турбине, которая соединена напрямую с асинхронным генератором.  Далее расширившееся масло проходит через регенератор (где совершается рекуперация тепла) и попадает в конденсатор. При температуре 80 – 90 происходит конденсация кремния. Затем рабочее тело в жидком состоянии попадает в питательные насосы и вновь достигает нужного давления горячей стороны цикла.

 Рис. 1. Схема процесса ОЦР

С помощью котла с тепловым маслом обеспечивается выработка тепла согласно базовой нагрузке установки. Водонагревательный котел обыкновенного типа запускается, если необходимость в теплоте больше мощности котла теплового масла. Новая ТЭЦ на биомассе осуществляет снабжение теплом небольшой длины сеть (470 м).  Такая короткая сеть обеспечивает высокий показатель тепловой мощности и низкие тепловые потери.

Применение нового, безвредного с точки зрения экологии, органического рабочего тела является одной из инноваций установки на биомассе. По сравнению с процессами ОЦР геотермальных установок, которые предназначены только для выработки электричества, в данной ТЭЦ процесс ОЦР проходит с более высокими температурами, чем и обусловлена необходимость применения именно кремния.

Другой инновацией является первое применение ТЭЦ с ОЦР, которая  соединена с топкой через цикл теплового масла. К сожалению, некоторые  эксплуатационные проблемы, возникающие  при работе установки, решены не были, поэтому другие инновационные аспекты  были заменены стандартными.

Финансирование

Общие затраты на создание установки на биомассе (не учитывая водонагревательный котел) составили примерно 3,2 млн. евро, учитывая стоимость распространения информации и мониторинг. На эксплуатацию и тех. обслуживание ТЭЦ выходит примерно 381000 евро в год:

- на персонал 34000 евро  в год;

- на потребности в производстве  дополнительной энергии 26000 евро  в год;

- на топливную биомассу 256000 евро в год (примерно 67%);

- на тех. обслуживание  и ремонт 50000 евро в год;

- прочие затраты (страховые,  административные и т.д.) 10000 евро  в год.

Приведенные данные демонстрируют  одно из самых важных достоинств технологии ОЦР – невысокие объем тех. обслуживания  и необходимость  в персонале.

Результаты

Весь первый год рассматриваемая  установка работала с неизменной производительность. Она была отключена лишь на несколько дней в период лета для проведения тех-обслуживания, а также из-за неполадок (в частности, ошибок измерения параметров)  в различных измерительных приборах. После проведения монтажных и испытательных мероприятий, в связи с нерешенными эксплуатационными проблемами, из установки были исключены два конструктивных элемента системы, в работе которых и были обнаружены данные проблемы:

- ротационный сепаратор  частиц;

- система для подачи  клеевой жидкости.

Суммарный объем произведенной  э/э в 2001г. превзошел отметку в 1900 МВт (4 750 рабочих часов под полной нагрузкой). Значение промышленного КПД по э/э держалось на уровне 18% (при частичной нагрузке), что немаловажно при рабочем режиме, который заключается в регулируемом производстве теплоты. Тепловая мощность на выходе составляет около 10000 МВт. Прибыль от продажи э/э и тепла равна, соответственно, 620 000 и 210 000 евро/год.

Новая ТЭЦ дает возможность  прекратить использование в бенедиктинском монастыре только ископаемого топлива, а также использование его на деревообрабатывающем предприятии “STIA”. Кроме того, путем замены пяти старых котлоагрегатов, было частично прекращено использование мазута в качестве ресурса для производства э/э. Новые установки производят низкие уровни выбросов, что является сдерживающим фактором для изменения климата, а так же снижают степень загрязнения воздуха в регионе.

Уровень выбросов CO2 снизился до 68% (2800 т усл. толпива, пересчитывая на нефть* / год), SO2 – 86% (15 т*/год), NOX – 48% (11т*/год), CO – 77% (21т*/год), пыль – 75% (10т*/год), а также уровень выбросов общего числа органических соединений был снижен до 44% (4/год).

Новым техническим стандартом ТЭЦ, которые работают на биомассе, в мощностном диапазоне от 0.3 … 1.2 МВт, стали результаты проекта. В 2002г. в г.Льенц в эксплуатацию была введена новая установка, значительно крупнее предыдущих, работающая на биомассе системы централизованного теплоснабжения, номинальная мощность которой не превышает 1МВт. Кроме того, было начато возведение еще четырех ТЭЦ с ОЦР. Весь проект служит образцовой моделью для работающих на биомассе децентрализованных установок в промышленной сфере лесообработок, а также установок региональных систем предназначенных для централизованного теплоснабжения.

Нельзя игнорировать тот  факт, что древесина, даже  являясь  возобновляемым источников энергии, может  быть эффективным ресурсом лишь в  том случае, когда скорость прироста древесных ресурсов выше скорости их уничтожения. Возобновление может  быть как в природном лесу, так  и на искусственных плантациях, на которых рост значительно быстрее. Древесные ресурсы из всех мировых  источников можно распределить на несколько  основных групп по расходу материала:

- тепловая энергия (реакция  горения);

- строительные материалы;

- бумажно-целлюлозное производство;

Сюда же можно отнести  и обширные сжигания лесных массивов в процессе санитарных рубок.

 Расходы древесины  на топливо во многих странах  (Кения, Непал, Судан) значительно  превышают ее прирост, что ведет  к истощению топливных запасов.  Нельзя также забывать, что прирост  населения тех стран, что были  перечислены ранее, составит (2…3)% / год. Это вызывает резкую нехватку топлива, предназначенного для приготовления пищи. Для устранения этого нужно переходить на куда более эффективные способы приготовлении пищи.