Перспективы современной биоэнергетики

Юрий Юдкевич, к. т.н., доцент, гл. специалист отд. «Биоэнергия» -Технология» (AF)

+63 *****@***ru http://bioenergy-spb. *****/

Введение Безотходное производство в лесозаготовке и деревообработке пока не существует. Большая или меньшая часть перерабатываемой древесины превращается в отходы. Если сделать баланс расходования древесины от лесосеки и до конечных изделий, то окажется, что в качественную товарную продукцию переходит не более половины массы того, что произрастало в лесу. При этом вторая половина редко используется даже на треть. Особенно низка эффективность использования древесной массы в многолесных районах. При неразвитых транспортных коммуникациях деревья, отжившие свой век, падают и сгнивают. В ряде регионов России обширные переспелые леса остаются на корню из-за бездорожья и отсутствия потребителей. В Европейской части России, Украине, Балтийских республиках после 2 мировой войны с целью быстрого восстановления народного хозяйства активно вырубались доступные хвойные массивы. При этом, не делалось лесовосстановительных работ. Допускались выборочные рубки, когда валилась только наиболее ценная часть деревьев, а невостребованные оставались на корню. Известно, что на месте хвойного леса, если его не восстанавливать искусственно, первоначально вырастет лиственный лес, причем, сперва быстро растущие малоценные породы. Потом под их пологом постепенно начнет восстанавливаться хвойный лес или наиболее ценные твердолиственные деревья. На такой двойной цикл уйдет от полутора до двух веков. За 60 лет, прошедших с момента массовых вырубок, реализовалась только часть первого цикла. В этих лесах не делали рубок ухода и плотность деревьев там высокая. Взаимное угнетение приводит к тому, что вырастают малоценные, тонкие, кривые деревья. Процесс воссоздания ценных пород можно ускорить и значительно, если вырубить такой лес и из питомников завезти и высадить саженцы, соответствующего вида. Но возникает вопрос – а куда девать то, что вырублено? Отпускать в качестве дров? Где-то это выход. Но вырубки надо вести интенсивно, а хранить дрова несколько лет проблематично. Какую-то часть возьмет целлюлозно-бумажная промышленность, какую-то производство древесно-стружечных и древесноволокнистых плит, но только там и тогда, где и когда есть для этого мощности.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Возобновимое сырье – потребность и мода Протокол Киото определил, что сжигание возобновляемых топлив не наносит ущерб окружающей среде, ибо не сожженные, но погибшие растения все равно разложатся при гниении и углекислый газ высвободится. Сжигание минеральных топлив было объявлено причиной глобального потепления. Не будем обсуждать степень достоверности этих положений. Следует учесть, что побочный эффект – снижение потребления минерального топлива важен сам по себе и для экологии и, особенно, для экономики стран его экспортирующих. Многие страны в этой связи приняли законы, поощряющие использование именно возобновимого топлива. Это оказалось кстати для производителей оборудования по изготовлению пеллет. В частности, немецких и шведских. Любопытно, что эта технология повторяет почти без изменений хорошо известные во второй половине 20 века в Советском Союзе аппараты для производства витаминных гранул. Такие стояли почти в каждом колхозе, сушили, мололи и брикетировали сено. Производство пеллет вначале базировалось на использовании опилок. Но количество опилок одной или нескольких близлежащих лесопилок не позволяло организовать экономически эффективное производство. Обрело популярность направление, по которому все отходы, включая кусковые, перемалывают в муку и делают пеллеты. Здесь уже кроется некая нелепица: сперва превратить кусок в муку, потом из муки сделать кусковой материал. Это выгодно до тех пор, пока стоимость энергии в форме электричества, необходимого для размола и брикетирования меньше, чем стоимость энергии в пеллетах.

Пеллеты – удобное бытовое топливо. Но для них требуются специальные топочные устройства. И пеллеты не получаются дешевыми. Они привились в тех странах, где власти взяли на себя значительную часть расходов либо в форме субсидирования сооружения домашних топочных устройств, либо путем налоговых льгот и других преференций. Это направление привлекательно в качестве экспортного. Хотя спрос на пеллеты в Европе нельзя назвать устойчивым, но, то или иное количество пеллет будет затребовано достаточно долго. Конечно, спрос будет зависеть и от мировых цен на нефть и газ, и от успехов России по прокладке в Европу новых газопроводов, и от погодных условий и от конкуренции производителей других видов топлива. Однако, на территориях, прилегающих к портам, позволяющим вывозить продукцию в Европу, некоторый спрос будет весьма долго.

В России власти намерены осуществить повсеместную газификацию. Пеллеты не выдерживают конкуренции с газом по многим параметрам и, прежде всего, по простоте и комфортности использования. Нужно так же учесть ментальность и материальный уровень населения. Там, где нет центрального отопления и централизованного газоснабжения, в лесных районах используются дрова. Их заготавливают на месте, и они получаются дешевле, чем пеллеты. В других регионах используют каменный уголь, заметно более дешевое топливо. Местные котельные могли бы стать потребителями пеллет, но хозяйственников отпугивает их высокая цена и необходимость реконструкции топочных устройств. Почти единственными потребителями остаются владельцы коттеджей в элитных поселках и производители подстилок для животных. Но это не те масштабы, которые могут обеспечить спрос на все производимые пеллеты. По нашему мнению производство пеллет в многолесных районах, удаленных от границ, не станет рентабельным в обозримом будущем. Более привлекательно производство экструзионных брикетов (так называемые «евродрова»). Там можно обойтись и меньшим количеством сырья и существенно ниже капиталовложения на единицу продукции. Эти брикеты удобны и тем, что их можно сжигать в обычных дровяных печах без всякой переделки.

Производство жидких и газообразных топлив из возобновимого сырья О производстве «бионефти» сегодня не говорит только ленивый. Своим рождением это направление обязано высоким ценам на нефть в недавнем прошлом и опасениями европейских стран и США относительно энергетической зависимости от нефтедобывающих стран, в частности, России. Большая часть разработок направлена на получение жидкого горючего из пищевых продуктов, в основном растительных масел. Мы не будем рассматривать здесь этическую сторону этого направления, весьма сомнительную. Только скажем, что в условиях массового голода во многих развивающихся странах (ВОЗ утверждает, что сейчас голодает каждый шестой житель Земли и каждые шесть секунд один человек умирает от голода), мировые цены на продовольствие растут из-за использования для технических целей. Заметим, что резкий и болезненный для малоимущих категорий населения скачок цен на растительные масла в России объясняли как раз использованием части их в качестве топлива. И это притом, что пока в Европе «бионефть» составляет немногим более 2% от всего потребляемого моторного топлива. Не будем рассматривать и политическую сторону дела. Скажем только, что «бионефть» из растительных масел заведомо дороже нефтепродуктов, даже с учетом накручиваемых производителями цен. Другой вариант, это этанол. Бразилия производит его из сахарного тростника. США из кукурузы. Обе страны имеют климат, позволяющий выращивать эти растения интенсивно с высоким урожаем и малыми затратами. В обоих случаях в основе пищевые продукты. Но в США положение с продовольственной безопасностью вполне благополучно, а Бразилия имеет возможности многократно расширять посевы ради технических культур. Весьма активно обсуждается возможность получения этанола из древесины. В Советском Союзе работало несколько гидролизных заводов. Прекращение их деятельности связано с появлением намного более дешевого синтез-спирта из природного газа. Кроме того, эти заводы половину массы перерабатываемой древесины превращали в не имеющие применения кислые отходы. Отвалы таких отходов до сих пор отравляют окружающую природу. Другое направление, это получение жидких продуктов путем пиролиза древесины. Некоторое время назад в России очень активно начал работать концерн «Dynamotive Energy Systems Corporation», имеющий штаб-квартиру в Канаде. Они как свое открытие рекламирует хорошо известный факт, что при термической обработке тонко измельченной древесины выход жидких продуктов возрастает, а угля снижается. В качестве продукта, именуемого ими «BioOil» предлагается использовать фактически суммарную жижку с влажностью до 25%, сильно кислую и вязкую. Реклама, подкрепленная созданием в Москве дочерней компании «Экофлора», подталкивает неосведомленных предпринимателей заключать договора на строительство предприятий так называемого «скоростного пиролиза». С учетом распространенности этого термина в последнее время, стоит заметить, что скорость термического распада компонентов древесины после достижения ими температурного порога составляет от нескольких секунд до минуты. Длительность процессов пиролиза на самом деле определяется не скоростью самой химической реакции, а скоростью подвода тепла к древесине внутри куска или в объеме. Термин «скоростной пиролиз» спекулятивен и ненаучен так же, как и термин «медленный пиролиз».

В отличие от этого, явно не жизнеспособного, хотя и крикливого направления, имеются работы, в результате которых можно получить вполне качественное жидкое топливо из древесины. Этого можно добиться путем химического облагораживании продуктов пиролиза, а так же ожижением древесины. Такие работы была начаты в Германии во время второй мировой войны, когда страна, не имевшая своих источников нефтепродуктов, начала испытывать трудности из-за недостатка жидкого топлива для транспорта. Очень значительные силы и средства, вложенные в эту работу, не привели к созданию промышленного производства. Заметим, что в тот момент себестоимость топлива не играла решающей роли. Сегодня специалистам ясно, что, будь такое топливо сделано, оно будет многократно дороже нефтепродуктов, даже с учетом их спекулятивных подорожаний..

Еще одно, вошедшее в моду направление, это газификация древесины.

Я имел возможность и честь работать с такими первопроходцами в области газификации древесины в России, как , и . Так что судить могу не понаслышке. Сам процесс газификации древесной щепы не вызывает затруднений. Хорошо отработаны и прямой и обращенный и полуобращенный процесс. Всю информацию можно найти и в учебниках и в многочисленных статьях. Реакции, протекающие при этом, гидравлика, теплообмен, кинетика освещены во множестве диссертаций. Изобретать «новый» газогенератор не более продуктивно, чем изобретать новое колесо для телеги. Грамотный путь состоит в расчете и проектировании с опорой на уже накопленные знания. Но создавать «свою» конструкцию стало модой или способом привлечь клиентуру. При этом выдаются откровенно несбыточные обещания. Постоянно встречаются сообщения о создании генератора, питающего своим газом тот или иной двигатель. При этом делают реверанс в сторону транспортных генераторов военного времени. Я принадлежу к поколению, которое видело эти автомобили в действии. Проехав несколько километров, водитель останавливался и сливал на дорогу бурую, дурно пахнущую жидкость. Дело в том, что при газификации, в большей степени при прямом и в меньшей степени при обращенном процессе, образуются жидкие продукты термораспада древесины. Они содержат, помимо влаги фенолы, кислоты, эфиры, метанол. Сконденсировав эти продукты, их нужно куда-то деть. Никто не позволит их просто вылить. А сжигать их энергетически невыгодно – на это уйдет не меньше тепла, чем приносит сам газ. Даже при самой полной очистке в газе остаются кислоты. Двигатель надо делать из кислотостойких материалов, и реальна опасность, что в него попадут смолы. Единственное достойное применение для продуктов газификации, это сжигать их в котельной без конденсации, чтоб не расходовать тепло на повторное испарение влаги. Но тогда возникает вопрос – а не дешевле ли реконструировать котельную под щепу, например, превратить ее топку в топку-генератор, как предложил еще полвека назад . В топке Померанцева (рис.1) эффективно сжигается даже кора от мокрой корообдирки. В этом случае будет использовано и все физическое тепло паров и газов, что невозможно в раздельном процессе. КПД системы будет заметно выше.

Удивительно! Доступен огромный багаж знаний, накопленных специалистами теплотехниками, энергетиками. Любой из подобных процессов поддается точному расчету. Отработаны и формализованы методики анализа процессов и оборудования. Но нынешние инвесторы об этом не слыхали, к специалистам-профессионалам за экспертной оценкой не идут и покупаются на сладкие речи новых «Эдисонов», непрофессиональных, но напористых. Главный критерий, чтоб подешевле было. И получают оборудование на уровне образцов 19 века. Часто оно и опасно и экологически грязно. И нередко неработоспособно. Следует понимать, что сегодня рекламу, особенно в Интернете, никто не контролирует, и истинность утверждений зависит только от добросовестности рекламодателя.

Древесный уголь. Существует недооцененный сектор использования отходов. Это производство древесного угля. Сравним производство пеллет и древесного угля. Уголь проигрывает по степени сохранения энергии исходной древесины. В уголь переходит только около половины энергии сырья. Но это как посчитать! Затраты внешней энергии на производство 1 тонны древесного угля составляют порядка 43 кВт/т, а на 1 тонну пеллет - 180 кВт/т. Тепловая ценность древесного угля 28,7 мДж/кг, а пеллет 18 мДж/кг. При этом минимальные капвложения в предприятие по производству пелет от 400 000 евро, а в производство древесного угля от 70 000 евро. Минимальная потребность в сырье для организации рентабельного производства пелет составляет от 40 тыс. м3/год, а угля от 3 тыс. м3/год. Очевидно, эти направления занимают совершенно разные ниши.

Спрос на древесный уголь зависит от нескольких факторов. Бытовое потребление древесного угля отражает уровень жизни населения. В какой то мере это элитное топливо. Без него можно обойтись, но оно привлекательно. Помимо шашлычниц и барбекю потенциальным потребителем являются камины. В странах центральной и южной Европы, где камины распространены, все чаще используется именно древесный уголь. Дело в том. что это единственный вид топлива, не выделяющий при горении угарный газ. Потому, можно греться у камина с открытой дверцей, наслаждаясь «живым» теплом.

Существует несколько серьезных направлений промышленного потребления древесного угля. Быстро растет производство кремния. Особо чистый кремний для электроники можно сделать, только используя в качестве восстановителя древесный уголь. Будет расти спрос на активированный уголь. Он необходим для очистки ряда пищевых продуктов и алкогольных напитков, но наибольший рост спроса можно ожидать в направлении подготовки питьевой воды. Некогда в России большое количество древесного угля расходовалось для варки высококачественного ковкого чугуна. На древесном угле работали все Демидовские заводы Урала. Благодаря его пластичности, он применялся там, где необходимо было точное литье. На Всемирной выставке в Париже в 1900 году в центре всеобщего внимания был русский павильон из ажурного чугуна, отлитый на заводе в Касли (рис.2) Из такого же чугуна отлиты все знаменитые решетки Петербурга и других городов (рис.3). В 18-19 веках Россия поставляла высококачественный чугун в другие страны. До сих пор заводы в Касли и Кусе воспроизводят изящные художественные изделия, отливаемые по моделям конца 19, начала 20 века (рис.4).

Теперь в роли главного производителя серого угля, выплавляемого на древесном угле выступает Бразилия, экспортирующая большое количество такого чугуна по всему миру. В Советском Союзе стали использовать более дешевый и доступный каменноугольный кокс.

Нам полезно бы было позаимствовать японский опыт использования угля. Там он далеко не только топливо. С учетом способности угля поглощать вредные положительные ионы (образующиеся при жизнедеятельности и при работе некоторых видов аппаратуры) и выделять полезные отрицательные ионы, создана большая коллекция разнообразных товаров, прочно вошедших в быт японцев, но незнакомых нам. Это и шампуни и разновидности мыла, и специальная бумага с закрепленной на ней угольной пылью для заворачивания продуктов, и экраны между рабочими столами, защищающие в офисах соседей от взаимных вредных излучений, и многое другое. Особую роль играют японские печи «хибаци»(рис.5). Это горшок из керамики или другого материала с небольшим поддувалом сбоку и вкладываемым колосником. Используется свойство древесного угля – отсутствие в дыме при горении и тлении вредных выбросов, в частности угарного газа. Потому, такой горшок можно внести без опаски в помещение для приготовления или подогрева пищи. Небольшое помещение, например, палатку, летний домик удобно обогреть таким устройством.

Хорошо известно, и применялось в Советском Союзе, но практически забыто в постсоветском пространстве в последние годы применение древесного угля в сельском хозяйстве для облагораживания почв и оздоровления птицы и свиней при клеточном содержании. Улучшением почв древесным углем в последние годы заинтересовались в Канаде, США и некоторых других странах. Подсказка пришла с неожиданной стороны. Ученые обратили внимание, что большая часть почв в Латинской Америке малоплодородна, но есть отдельные высокоплодородные участки. Там земля имеет необычный для тех мест черный цвет. Аборигены изначально знали о преимуществах этих территорий. Их называли terra preta (черная земля). Исследователи обнаружили в ней много измельченного древесного угля. Установлено, что уголь сорбирует на себе влагу и питательные вещества. Он становится регулятором, улучшающим рост растений. Кроме того он отпугивает вредных насекомых. Болезни и вредители значительно реже угнетают растения. Это позволяет увеличить урожай и сделать корнеплоды более лежкими при хранении. Современные исследователи используют термин biochar и считают, что с его применением начнется новая зеленая революция, которая даст человечеству большой прирост пищевых ресурсов.

В СССР такие опыты велись в 50х годах прошлого века с хорошим результатом для многих растений от картофеля до винограда.

Скотина и птица при стойловом содержании мало двигаются. В желудке накапливаются газы. Желудок распирает. Аппетит уменьшается. Если давать с кормом древесноугольную крупку, она будет работать так же, как аптечный карболен. Привесы заметно возрастают.

Итоги 1. Котельная с топкой-генератором на щепе экономически привлекательнее и по капиталовложениям и по эксплуатационным расходам в сравнении с другими разновидностями биоэнергетики. 2. При создании производства пеллет необходимо иметь ясные представления о потенциальных возможностях сбыта, не переоценивая заверения зарубежных поставщиков оборудования, если не даны юридически неоспоримые гарантии. 3. Производство экструзионных брикетов может быть, в большей мере, чем пелетное, ориентировано на внутренний рынок. К его преимуществам относится возможность эффективного функционирования при сравнительно небольших объемах выпуска. 4. Производство аналогов нефтепродуктов из растительных материалов путем пиролиза обречено на неудачу, а на основе синтеза в прогнозируемом периоде не будет конкурентоспособным. 5. Использование древесного угля недостаточно развито в странах постсоветского пространства. Более или менее в быту древесный уголь известен только как элитное топливо. Между тем, существует множество других направлений его применения, реализуемых весьма успешно. Особое значение имеет применение древесного угля в сельском хозяйстве. По данным исследователей, внедрение этого направления даст и прирост урожаев, и улучшение качества многих продуктов сельского хозяйства.