CC BY
11РАЗВИТИЕ
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ БИОЭНЕРГЕТИКИ
Дмитрий Стребков,
директор Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства, академик Российской академии сельскохозяйственных наук
Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) создан в марте 1930 года как российский научно-производственный центр по энергообеспечению, электрификации и автоматизации сельского хозяйства, использованию возобновляемых и нетрадиционных источников энергии. В институте работают более 200 высококвалифицированных специалистов. За время своего существования научный багаж института составил свыше трех тысяч изобретений. Ряд разработок института в областях биоэнергетики, технологии производства и передачи электроэнергии вышли по своему значению из отраслевых рамок сельского хозяйства и могут быть применимы во многих других отраслях экономики.
КПД фотосинтеза в 10 раз меньше, чем КПД преобразования солнечной энергии в полупроводниковых солнечных элементах, однако у фотосинтеза есть важное преимущество - это способность аккумулирования солнечной энергии в биомассе растений и деревьев.
Годовое использование биомассы в мире эквивалентно потреблению 1 млрд тонн нефти и сравнимо с уровнем потребления природного газа и угля. Биоэнергетика - единственный источник энергии для 2 миллиардов человек с доходом 1 долл./ сутки.
В Российской Федерации имеется 21 процент мировых ресурсов леса. Ежегодный прирост лесной биомассы в России составляет 800 млн м3, из которых 50 процентов может быть использовано в биоэнергетике. Биотопливо может обеспечить 20 процентов тепловой энергетики России. Для этого потребуется менее 20 процентов расчетной лесосеки.
Таблица 1. Доля биоэнергетики в мировой энергетике
Годы %
2010 10
2030 20
2060 40
Таблица 2. Темпы роста европейского рынка биотоплива
Годы %
2008 42,8
2009 28,6
2010 17
2015 12,8
В северных областях на биотопливо можно перевести 60 процентов котельных [1].
Энергетические установки, использующие биомассу, отходы, могут дать столько же энергии, сколько все атомные станции в России и все нефтяные месторождения республики Коми. Получение и использование этого топлива, а также смесевого и модифицированного топлива позволит пополнить энергобаланс сельских предприятий и регионов и в значительной мере снизить зависимость от централизованных закупок ископаемого топлива и электроэнергии [2-4]. По оценкам экспертов, доля биоэнергетики в мировой энергетике возрастет с 10 процентов в 2010 году до 40 процентов в 2060 году (таблица 1).
В ENERGY BULLETIN
Европейский рынок биотоплива в 2010 году составил 28,2 миллиарда долларов, что эквивалентно 102 миллионам баррелей нефти, в 2015 году будет 56,6 миллиарда долларов. Новая директива ЕЭС требует соблюдения принципа устойчивого развития при производстве биотоплива: не ухудшать качество жизни, не нарушать продовольственную безопасность, не увеличивать нормы выброса парниковых газов. с введением этой директивы связано снижение темпов роста европейского рынка биотоплива (таблица 2), поскольку для производства биотоплива первого поколения использовались продовольственные культуры.
В таблице 3 представлены показатели энергопотребления в сельском хозяйстве РФ до 2020 года. Значительная часть по-
требляемых энергоресурсов может быть получена сельскохозяйственными предприятиями с использованием технологий биоэнергетики. В связи с этим сельскохозяйственные предприятия могут выступать в роли производителей не только продовольствия, но и энергетических ресурсов, в первую очередь, биотоплива.
Виды биотоплива: топливная древесина, древесный уголь, биодизель, биоэтанол, биогаз (метан), биоводород. Преимущества биотоплива: снижение зависимости от нефти, снижение выбросов парниковых газов. Для производства биотоплива первого поколения используются продовольственные культуры: кукуруза, рапс и др. Развитие биотоплива имеет значительные последст-
Таблица 3. Энергетическая стратегия сельского хозяйства РФ до 2020 г.
Показатели энергопотребления Годы
2010 2020 (прогноз)
1. Электроэнергия (всего), млрд кВт^ч, в том числе: 61,0 71,0
- в сельхозпроизводстве (по статье «Сельхозпредприятие»), млрд кВт^ч 15,8 22,0
- в социально-бытовой сфере, ЛПХ, крестьянских (фермерских) хозяйствах, млрд кВт^ч 45,2 48,0
2. Жидкое топливо, млн тонн/млн т усл.топлива 7,8/11,5 9,5/14,0
3. Твердое топливо (уголь, дрова, торф), млн тонн/млн т усл. топлива 20,0/17,0 16,0/14,0
4. Нетрадиционные энергоресурсы (ВИЭ, биомасса, отходы), млн т усл. топлива 0,7 7,0
Потенциально воз- Ежегодно образу- Потенциально возможные можное количество ющиеся запасы ра- объемы использования или использования или растительное сырье, отходы , стительного сырья, переработки сырья на топли- получения топлива из отходов, тыс. т во, тыс. т (на 2020 г.) растительного сырья, тыс. т у. т. (на 2020 г.)
солома 150000 50 000 8 500
лузга (риса, проса, гречихи, подсолнечника и т.д.) 3 000 1 500 370
стержни початков кукурузы 1000 500 130
костра льна 100 50 20
Древесные отходы (опилки, щепа, кора, стружка и т.д.) 5 000 2 500 1000
торф 1000 400 170
семена рапса и др. масличных культур 750 700 260
сорго (сок, стебельная масса) 350 250 150
энергетические плантации
Всего 161200 55 900 10 600
Таблица 4. Ресурсы и возможные объемы использования растительного сырья в России
вия для продовольственной безопасности и окружающей среды в том случае, если для производства биотоплива используются продовольственные культуры, земельные и водные ресурсы. Например, в США более 40 процентов кукурузы используется для производства этанола, что привело к увеличению цен зерна в два раза. Сырье для биотоплива второго поколения: целлюлозная биомасса энергетических плантаций, рисовая шелуха, отходы сахарного производства, сельскохозяйственные и городские отходы.
В таблице 4 представлены ресурсы и возможные объемы использования растительного сырья в России.
Применение биогазовых установок на животноводческих фермах обеспечивает получение дополнительной энергии в виде биогаза и высококачественных органических удобрений, а также позволяет значительно снизить антропогенную нагрузку на окружающую среду.
Как теплоэнергетическое сырье навоз животных и помёт птиц может служить для выработки горючего биогаза путём его аэробного и анаэробного метанового сбраживания. Из 1 тонны сухого вещества навоза в результате сбраживания при оптимальных условиях можно получить 340 м3 биогаза, или в пересчете на одну голову крупного рогатого скота (КРС) 2,5 м3 в сутки, а в течение года примерно 900 м3.
Стоимость биогазовой станции (БГС) -4-6 млн евро; время переработки - 20 дней (КРС), 55 дней (птицефабрика); санитарно-защитная зона свиноводческой фермы на 100000 голов: 12 км без БГС; 300 м с БГС.
В ГНУ ВИЭСХ в 2011 году разработана установка для получения котельного биотоплива из органических отходов.
Сырье: опилки, торф, навозные стоки свиноферм, ферм КРС и птицефабрик.
Рис. 1-а. Установка для получения смесевого биодизельного топлива производительностью 2 тонны в час.
Рис. 1-б. Установка для получения смесевого водо-мазутного топлива производительностью 2 тонны в час.
Таблица 5. Фракции биотоплива из сухой биомассы при различных температурах пиролиза
Технология Температура и Фракции биотоплива
время процесса Жидкое Древесный уголь Газ
Быстрый пиролиз 600° С 75% 12% 13%
Медленный пиролиз 400° С 30% 35% 35%
Газификация 800° С 5% 10% 85%
В ENERGY BULLETIN
Рис. 2. Образец мини-ТЭС электрической мощностью в диапазоне 30-100 кВт с модулем пиролиза производительностью 1 тонна растительного сырья в сутки
1. Роторно-пульсационный аппарат производительностью 15 куб.м /час, энергопотребление 15 кВт/ч. - 1 шт.;
2. Электронасосы производительностью 5 куб.м /час, энергопотребление 1,5 кВт/ч. -3 шт.;
3. Ультразвуковой проточный реактор производительностью 15 куб.м /час - комплект;
4. Технические емкости (по требованию Заказчика) - согласуется;
5. Системы гидравлики - комплект.
На рис. 1 представлены гидродинамические установки для смешивания многокомпонентных жидких сред разработки ГНУ ВИЭСХ.
Пиролизные энергетические установки используются для получения котельных то-плив, пиролизного газа, тепла и электроэнергии. Преимущества: нагрев до 700°С в отсутствии кислорода; продукты сгорания и зола нетоксичны, нет сточных вод.
В таблице 5 показаны фракции биотоплива из сухой биомассы при различных температурах пиролиза.
Примеры. Пиролизный теплогенератор на биомассе с влажностью до 30 процентов, тепловой мощностью 1,5 МВт производства Псковского завода СПиКо. Разработаны пи-ролизные печи на биомассе с продолжительностью работы на одной закладке дров 3-6 суток. Пиролизные печи на пеллетах с ресурсом непрерывной работы в автоматическом режиме в течение всего отопительного сезона.
Мини-ТЭЦ с модулем пиролиза опилок разработки ГНУ ВИЭСХ показана на рис. 2.
Жидкое топливо может использоваться в качестве печного топлива в котельных, а после модификации в качестве моторного топлива [5-8]. Себестоимость жидкого топлива при цене сырья 20 долл./т составляет 200 долл./т. Затраты энергии на собственные нужды не превышают 15 процентов от энергии перерабатываемого сырья.
В России находятся в эксплуатации 80 000 паровых котельных с производительностью 10-100 т/час с давлением пара 13 ати для новых котлов и 7-8 ати для старых котлов. Неиспользуемый перепад давления пара 3-6 ати с расходом 6-50 т/час можно использовать для получения 200-1500 кВт электрической мощности в паровых винтовых машинах и паровых поршневых машинах. Паровые винтовые машины разработаны в России, защищены 25 патентами. Удельный расход топлива 140-145 г у.т /кВт/ч, электрическая мощность 800 кВт, срок окупаемости 1,5 года. Паровые поршневые машины потребляют до 40 т пара в час при давлении пара 6-60 бар, электрическая мощность до 1500 кВт.
Разработаны новые сорта быстрорастущих деревьев и растений (рис. 3) для энергетических плантаций.
Площадь энергетических плантаций, необходимая для производства жидкого топлива и электроэнергии по новой технологии, составляет:
- жидкое топливо: в объеме 1 млн тонн (15% от потребности) - 250 тыс. га;
- электроэнергия: в объеме 9 млрд кВт/ч (15% от потребности) - 150 тыс. га;
- для обеспечения сельского хозяйства РФ на 100 процентов в топливе и электроэнергии - 3,5 млн га.
В таблице 6 представлены объемы производства масла из различного сырья с одного гектара [9].
Микроводоросли, используемые для производства биотоплива третьего поколения, имеют выход с одного гектара в 60 раз больше, чем рапс и другие продовольственные культуры.
Существуют два принципиально отличающихся способа выращивания микрово-
Таблица 6. Объемы производства масла из различного сырья с одного гектара
литров кг масла/га , масла/га
кукуруза 145 172
кешью 148 176
овес 183 217
люпин 195 232
календула 256 305
хлопок 273 325
конопля 305 363
соя 375 446
кофе 386 459
лён 402 478
лесной орех 405 482
семена тыквы 449 534
кориандр 450 536
семена горчицы 481 572
рыжик (растение) 490 583
кунжут 585 696
рис 696 828
подсолнечник 800 952
какао 863 1,026
арахис 890 1,059
мак 978 1,163
рале 1,000 1,190
олива 1,019 1,212
кастор 1,188 1,413
кокос 2,260 2,689
пальмовое масло 5,000 5,950
водоросли - 95,000
рапс - 1,500
Рис. 3. Энергетические плантации Сорго в Ростовской области селекции чл-корр. РАСХН Б.Н. Малиновского (справа). Урожайность 80 т /га, выход биотоплива 7 т /га
Рис. 4. Промышленное выращивание микроводорослей в открытых прудах
Рис. 5. Выращивание микроводорослей в фотобио-реакторах
В ENERGY BULLETIN
дорослей - в открытых и в замкнутых системах. В первом случае культивирование водорослей осуществляется в прудах и бассейнах различных конструкций и в качестве источника освещения используется солнечный свет (рис. 4). Другой способ включает закрытые фотобиореакторные системы с искусственным освещением (рис. 5).
В экономически рентабельных открытых прудах, дающих возможность получения большого количества биомассы, происходит засорение нежелательными видами основной маслосодержащей культуры. Это происходит в связи с тем, что различные штаммы имеют сходные требования по параметрам выращивания, и в ходе конкуренции продуктивность целевой культуры снижается.
Фотобиореакторы дают возможность получать чистую монокультуру с требуемыми свойствами, но достаточно дороги для полного цикла выращивания.
Преимущества получения биотоплив третьего поколения в фотобиореакторах [9]:
- высокая продуктивность системы;
- контролируемые условия культивирования и минимизированный риск загрязнения конкурирующими видами;
- контролируемые технологические параметры: освещение, перемешивание, температура, рН, С02 ,О2, химический состав культуральной среды;
- минимизированные потери воды и СО2.
Основные направления оптимизации процесса производства энергетической биомассы микроводорослей: 1) выявление продуктивного по маслосодер-жанию, быстрорастущего и резистентного штамма микроводорослей при развитии альгологии с использованием ряда био-
технологических, геномных и биохимических методов;
2) усовершенствование процесса выращивания с использованием преимуществ открытого выращивания многотоннажной биомассы фотобиореактивного культивирования штаммов с заданными технологическими свойствами;
3)комбинирования открытой и фотобио-реактивной технологии с максимальным использованием преимуществ каждой и минимизации слабых сторон при выращивании чистой монокультуры в фотобиоре-акторах с последующим доращиванием в открытых прудах (рис.6).
Основные компоненты закрытых фото-биореакторных систем: реакторные емкости, источник освещения, система очистки, система регулирования параметров, система сбора продуктов.
Завод по производству биодизеля снабжается растительными маслами, полученными при экстракции сырья, производимого на фермах по промышленному выращиванию водорослей; остаточная биомасса перерабатывается в биоэтанол и используется для кормления животных; завод по производству биодизеля и комплекс водорослевых ферм использует непитьевую (техническую) или соленую воду; не потребляет традиционные топлива (нефть, уголь), а самообеспечивается электрической и тепловой энергией; комплекс не загрязняет окружающую среду выбросами углекислого газа, а использует СО2 в замкнутом цикле.
Стратегия развития рынка биотоплива на предприятиях агропромышленного комплекса показана в таблице 7.
Таблица 7. Стратегия развития рынка биотоплива на предприятиях агропромышленного комплекса
2014 Создание демонстрационных и пилотных установок по производству жидкого и газообразного топлива из биомассы в каждом регионе России
2016 Обеспечение всех машинно-технологических станций РФ биодизельным топливом собственного производства
2018 Достижение 15% самообеспеченности сельского хозяйства РФ жидким и газообразным топливом собственного производства
2020 Достижение 40% обеспеченности сельского хозяйства РФ собственными местными энергоресурсами (жидкое топливо, газ электроэнергия, теплота)
Рис. 6. Замкнутый цикл производства «водоросли > биодизель» - перспективная коммерческая модель развития в возобновляемой энергетике
Параллельно будет развиваться рынок несельскохозяйственного использования биодизельного топлива в сфере автомобильного транспорта, энергоснабжения зданий и в промышленности.
Литература
1. Bioenergy International, 2011, № 3 (20), p. 14 -20
2. Стребков, Д.С. Энергетическое использование биомассы. // Возобновляемая энергия, 1998, № 3, с. 9-12.
3. Strebkov, D.S., Bezrukikh, P.P., Tyukhov, I.I. Biomass energy conversion in Russia World Renewable Energy Congress. Energy Efficiency, Policy and the Environment, 1998, Italy, Florence, p. 2012-2015.
4. Стребков, Д.С., Бродовский, М.А. Энергетическая переработка биомассы. // Со-временные энергосберегающие технологии и оборудование. Сборник материалов научно-методической конференции энергетического факультета. -М., МГАУ, 1999, с. 4-5.
5. Стребков, Д.С. Рынок энергоресурсов: новые энергетические технологии и возможности сельскохозяйственных предприятий. // Proceedings 3id Research and Development Conference of Central and
Eastern European Institutes of Agricultural Engineering. 13-14 September 2003, Godollo, Hungary, p. 197-201.
6. Стребков, Д.С., Пореев, И.А. Технология получения жидкого и газообразного топлива из биомассы. // Сборник научных трудов и инженерных разработок 5-й российской выставки «Изделия и технологии двойного назначения. Конверсия ОПК». -М., 2004, т. II, с. 432-433.
7. Strebkov, D.S., Chirkov, V.G. Perspectives of Russian Biofuel Export to European Union. Euro Sun 2004, 14 International Sonnen Forum. Freiburg, Germany, PSE GmbH, vol. 2, p. 431-436.
8. Вайнштейн, Э.Ф., Стребков, Д.С., Раф-топуло, Ю.Б. О возможности перехода сельскохозяйственных предприятий на внутреннее энергообеспечение. // Механизация и электрификация сельского хозяйства, 2005, № 2, с. 15-17.
9. Росс, М.Ю., Стребков, Д.С. Биодизельное топливо из водорослей. -М. Изд. ГНУ ВИ-ЭСХ, 2008, 251 с.
Оригинал статьи предоставлен на русском языке.
