Основи екології - Олійник Я.Б. - 6.2.3. Біоенергетика

Біоенергетика - це використання енергії біомаси (органіки, яка утворюється за рахунок фотосинтезу). "Зелене паливо" - так інколи називають паливо рослинного походження, сировиною для отримання якого є біомаса. Проте чим більше говорять про біоенергетику, тим частіше поняття "біопаливо" розуміють як рідке біопаливо (біодизель, біоетанол і метанол) та забувають про тверді і газоподібні - біогаз, синтез-газ, піролізні рідини, відходи сільськогосподарської та побутової продукції, залишки переробки деревини. Саме енергетичні рослини, які вирощуються для отримання енергії чи палива, у найближчому майбутньому створять конкуренцію газу та дизелю. До них належать харчові рослини (пшениця і цукрова тростина) і нехарчові (енергетична верба, тополя та багаторічні трави, ріпак, соя, соняшник, кукурудза, льон тощо).

Біомасу як джерело енергії можна використовувати у процесі безпосереднього спалювання деревини, соломи, сапропелю (органічних донних відкладів), а також у переробленому вигляді як рідке (ефіри ріпакової олії, спирти) або газоподібне (біогаз) паливо. Конверсія біомаси у енергоносії може відбуватися фізичними, хімічними та біологічними методами; останні є найбільш перспективними.

Можна стверджувати, що біоенергетика - це вибір, який мас глобальну перспективу для подальшого успішного розвитку цивілізації. Подолання сучасних і запобігання ймовірним екологічним кризам не можливі без застосування новітніх екобіотехнологій для очищення стічних вод, біосорбції важких металів зі стоків, знешкодження небезпечних газових викидів, збагачення повітря киснем, використання перспективних засобів знешкодження твердих і рідких промислових відходів, біодеградації пестицидів та інсектицидів, підвищення ефективності методів біологічного відновлення забруднених ґрунтів, заміни низки агрохімікатів на біотехнологічні препарати тощо. Важливими напрямами також мають стати розробка екобіотехнологій, спрямованих на виробництво біогазу та водню з органічних відходів, мікробіологічна деструкція ксенобіотиків, застосування біоіндикації та біотестування в системі екологічного моніторингу.

Екобіотехнологія - це міждисциплінарний напрям, що утворився у результаті перетину інтересів, підходів та методів прикладних напрямів екологічної науки, новітніх і класичних біотехнологій. Тобто це технологічні процеси, які здійснюються з використанням живих організмів або їх елементів і спрямовані на поліпшення, захист та відновлення порушеного людиною довкілля. Переваги застосування екобіотехнології порівняно з традиційними фізико-хімічними та хімічними природоохоронними технологіями очевидні. Біоенергетика - невід'ємний складник екобіотехнології. Використання біоенергетичних підходів у розв'язанні енергетичних та екологічних проблем людства можливе і доцільне.

Досвід Євросоюзу - це використання не лише енергосировини зі звалищ, сільськогосподарського чи деревообробного виробництва, а й спеціально вирощених швидкозростаючих енергетичних культур. У світі відомо чимало таких рослин - тополя, верба, акація, безголкова троянда, топінамбур, соняшник, просо, сорго, тростина, міскантус, фаларіс, коноплі, очерет та багато інших. Термін "енергетичні плантації" вживається для визначення плантацій твердих порід деревини, що швидко ростуть у початковий період і розмножуються шляхом пускання паростків з пеньків після зрізання. Багато культур було досліджено для потенційного використання їх як енергетичних культур, але тільки невелика кількість досягла комерційного рівня і вирощується на великих площах. Попит на такі культури призвів до виведення гібридів з більш придатними характеристиками, такими як стійкість до морозів, засухи, шкідників тощо.

Найбільш сприятливі енергетичні культури для отримання твердого біопалива - це верба і тополя. У Швеції і Данії, наприклад, вони використовуються у місцевих системах опалення для комбінованого виробництва теплової та електричної енергії. На сьогодні є чимало станцій комбінованого спалювання вугілля з додаванням біопалива (солома, тріски), використання якого зменшує споживання викопного палива, а також шкідливі викиди в атмосферу. Звичайно, використання біомаси як спеціально вирощеної, так і вилученої з відходів виробництва або комунальних звалищ - це трудозатратний процес. Загалом собівартість такої "зеленої" енергії вища, ніж отриманої з вугілля, адже потрібно враховувати подрібнення, висушування і відповідне зберігання.

У країнах Євросоюзу використання енергетичних культур дуже популярне. У Данії верба вирощується на 500 га сільськогосподарських земель, а у Швеції плантації верби займають площі до 20 тис. га. Продукцію з таких плантацій продають у вигляді дерев'яних трісок, що застосовують для опалення або виробництва електроенергії. Нині у Швеції щороку вербові тріски постачають на 25 різних когенераційних станцій. Після збирання верби з вологістю до 50 % тріски можна відразу відправляти на спалювання. Найкращий рівень врожайності у Швеції становив 12 т/га, що еквівалентно 5 т нафти.

Є багато причин, чому треба наслідувати приклад Швеції у вирощуванні верби, котра займає в цій галузі провідні позиції. Сільське господарство може вирощувати вербу на ґрунтах, менш придатних для вирощування зернових культур, а також створити нові робочі місця та забезпечити роботою працівників у зимовий період. Зрештою, енергетична верба може зайняти свою нішу у вирішенні не тільки енергетичних, а й екологічних проблем, пов'язаних з очищенням стічних вод.

Окрім рослинного матеріалу, одержувати енергію можна з різноманітних твердих і рідких відходів, що утворюються в процесі життєдіяльності людей у великих кількостях. Це побутові відходи, каналізаційні стоки міст, стоки та відходи виробництва і переробки сільськогосподарської продукції, величезна кількість органічних залишків після лісозаготівель і переробки деревини тощо.

Утилізація твердих побутових відходів (ТПВ) з отриманням енергетичного ефекту передбачає їх спалювання на сміттєспалювальних заводах для виробництва електричної і теплової енергії, а також отримання з полігонів їх складування горючого газу (ГГ). Можлива також утилізація відходів деревини і сільськогосподарського виробництва: надлишок соломи злаків, стебла і стрижні качанів кукурудзи, стебла і кошики соняшника, костриця луб'яних культур безпосередньо спалюються в енергетичних установках з отриманням енергетичного ефекту та перетворюються шляхом конверсії на ГГ (біогаз і генераторний газ) з подальшим використанням його як моторного і котельно-пічного палива.

Найбільше поширення у країнах Західної Європи мають котли для спалювання тюків соломи потужністю від 70 до 1000 кВт. їх називають фермерськими. Фермерські котли мають велику топкову камеру прямокутної чи циліндричної форми, оточену водяною сорочкою. Димові гази з топки виходять через пучок димогарних труб. Подача повітря у топку здійснюється у вигляді потужних струменів за допомогою одного або кількох вентиляторів. На початку горіння струмені повітря спрямовують на верхню частину тюків і поступового опускають. Таким чином струмені повітря ніби зрізають солому шар за шаром, забезпечуючи її ефективне займання та догорання димових газів у об'ємі над тюком. Котли оснащують автоматизованими системами управління, які забезпечують ефективну роботу і ККД до 81-84 %.

Горіння соломи триває кілька годин залежно від розміру і кількості завантажених тюків. За цей час теплота, що виділяється, акумулюється у водяному баку-акумуляторі. Через проміжний теплообмінник теплота з контуру котла передається в теплову мережу. Температура в баку-акумуляторі поступово падає, і через певний час слід знову завантажити тюки до топки. Теплові соломозбережні станцій класифікують за типом установленого котла: котел для спалювання різаної соломи; котел для спалювання соломи, подрібненої скарифікатором; котел для спалювання брикетів соломи методом сигарного згоряння; котел періодичної дії (спалювання цілого брикету соломи); котел для спалювання розділених на частини брикетів соломи.

Отже, найпростіше рішення - це спалювання органічних відходів на спеціальних заводах, що забезпечує одержання побутового тепла. Щоправда, воно коштує у десятки разів дорожче, ніж на ТЕЦ, проте головне у цьому випадку не стільки одержання тепла, скільки зниження негативного впливу на довкілля. Проте розроблено шляхи здешевлення цього процесу, наприклад, виробництво на таких заводах не лише тепла, а й електроенергії. Недоліком подібних технологій залишається те, що спалювання сміття супроводжується утворенням нових відходів - твердих і газоподібних. Потрібні спеціальні фільтри для їх очищення, а це здорожує процес.

Але зовсім інша можливість одержання енергії з біомаси тваринного і рослинного походження, яка має багато переваг, - це анаеробне (без доступу кисню) зброджування під дією наявних у біомасі метанобактерій. Ці мікроорганізми активно розвиваються в будь-яких органічних рештках, а в результаті процесів їхньої життєдіяльності утворюється біогаз - газ, який приблизно на 60 % складається з метану (СН4) і на 40 % - з вуглекислого газу (С02). Синонімами до біогазу є такі терміни, як "каналізаційний газ", "шахтний газ", "болотний газ", "газ-метан". Різноманітні види мікроорганізмів метаболізують вуглець з органічних субстратів у безкисневих умовах. Це процес так званого гниття, або безкисневого бродіння, що є частиною ланцюга живлення. Теплоємність біогазу досить велика: 1 м3 утворює стільки ж тепла, скільки 600-800 г антрациту. Тонна органічних решток (гній, сміття тощо) дає до 500 м3 біогазу. Щоправда, цей процес відбувається досить повільно, але безсумнівно його перевагою є те, що понад 80 % енергії, яка міститься у стічних водах або відходах, вилучається у вигляді горючого газу.

Використання біогазу економічно може бути дуже привабливим, не кажучи вже про екологічні вигоди. Не потрібно затрачувати зайві кошти на проведення газопроводу до віддаленого хутора, якщо його може забезпечити газом місцева свиноферма. Вирішення цієї і багатьох подібних проблем - застосування найбільш ефективної технології очищення стічних вод підприємств з одержанням біогазу і подальшої його утилізації у когенераційних установках з одержанням електричної і теплової енергії.

Технологія одержання біогазу дуже проста: гноєм, сміттям, соломою, листям заповнюють бетонні ємності або колодязі будь-якого об'єму. Ємність має бути щільно закрита, щоб не було доступу кисню. Газ, який утворюється в процесі бродіння, відводять у приймальні пристрої або безпосередньо в газову плиту (рис. 6.7). Такі установки діють у багатьох країнах світу. Найперші біогазові установки (БГУ) виникли ще до створення наукових основ метаногенезу. В Індії (Бомбей) вони були вже у 1900 р. У 1918 р. аналогічні установки з'явилися у Німеччині, у 1928 - в Англії, у 1930 р. - у США. Перші БГУ були спробою імітації природних процесів розкладання органічної речовини в болотах із виділенням болотного газу, що містить метан.

Біогазова станція на стічних водах

Рис. 6.7. Біогазова станція на стічних водах

У СРСР перші біореактори були розроблені в Латвії у 1949 р., потім - у Грузії. В Україні перший біореактор був запущений у Запоріжжі у 1959 р. В Індії акцент було зроблено на сімейні та громадські біогазові установки. До 1993 р. там налічувалося вже близько 2 млн БГУ. Програма децентралізації виробництва енергії, ініційована урядом Індії у 1995 р., забезпечила підтримку проектів з виробництва енергії у сільських громадах з використанням біогазу одиничною потужністю від 10 до 15 МВт. Широко розвинулося сімейне і громадське одержання біогазу в Китаї - у 1978 р. там функціонувало вже більше 7 млн БГУ. Крім сімейних, у країні є ще 600 великих і середніх БГУ, що використовують відходи тваринництва і птахівництва, а також виноробних і спиртових виробництв. Досить поширене одержання енергії за допомогою БГУ у Великій Британії, Австрії, Італії, Данії, Швеції, Нідерландах.

Нині малих установок у світі близько 6 млн. Високоефективних БГУ (як промислових, так і централізованих сільськогосподарських), спроектованих на високому інженерному рівні, у світі нараховується близько тисячі. Приблизно 44 % із них зосереджено у Європі, 14 % - у Північній Америці.

У світі функціонує багато підприємств, де впроваджені технології одержання біогазу. Наприклад, молокопереробні підприємства у Німеччині і Швеції, де переробляють сироватку з метою одержання біогазу. Сучасні технології дають змогу використовувати біогаз, газ стічних вод, газ сміттєвих полігонів, піролізний, синтез-газ та інші особливі гази для одержання електроенергії і теплової енергії. Постійне удосконалювання двигунів і спеціалізація на використання особливих газів забезпечують можливість застосування газів з низькою теплотою згоряння.

Сучасні БГУ, поряд з одержанням енергії, також виконують роль очисних споруд, що знижують хімічне й бактеріальне забруднення ґрунту, води, повітря і переробляють відходи на нейтральні мінералізовані продукти. Енергетичний або природоохоронний акцент біогазових установок залежить від конкретних умов, проте у більшості випадків для промислово розвинутих країн необхідність їх спорудження визначається розв'язанням саме екологічних проблем. Разом з тим, БГУ є джерелом палива, тому на їх базі можуть створюватися нові варіанти систем енергопостачання.

Як сировину для одержання біогазу можна використовувати органічні відходи різноманітних виробництв сільського господарства і переробних підприємств, які мають рідку або напіврідку консистенцію або доведені до такого ставу. До цих відходів належать екскременти тварин, рослинні рештки (солома, бадилля, трава та інше, що не використовуються безпосередньо як корм), осади стічних вод тваринницьких і птахівничих підприємств тощо. Якщо реактор працює нормально, одержуваний біогаз містить 60-70 % метану, 30-40 % двоокису вуглецю, незначну кількість сірководню (до 3 %), а також домішки водню, аміаку та оксидів азоту, не має неприємного запаху, а теплота його згоряння досягає 25 МДж/м3. Біогаз можна використовувати для спільного вироблення електроенергії і теплоти (когенераційна схема), спалювати для одержання теплоти або накачувати у балони для використання на транспорті.

Після зброджування гною утворюється біошлам, у якому міститься багато цінних речовин, зокрема амінокислоти, амонійний азот і фосфор, а також вироблені мікроорганізмами вітаміни групи В. Тому шлам, що перебродив, можна використовувати для одержання білково-вітамінних добавок для годівлі тварин, птиці й риби. Органічні добрива, що утворюються під час метаногенезу, порівняно з незбродженим гноєм, забезпечують додатковий приріст урожайності у середньому на 20 %. Під час анаеробної переробки відбувається мінералізація азоту й фосфору, а також забезпечується їх збережність у процесі зберігання добрив, на відміну від традиційних способів компостування, за яких до 30-40 % азоту втрачається. Унаслідок дії метанобактерій на 90-99 % зменшується проростання насіння бур'янів, яке міститься у гної великої рогатої худоби, що дає змогу поліпшувати фітосанітарний стан сільськогосподарських угідь. Мікроорганізми знищують також яйця гельмінтів та усувають неприємні запахи органічних добрив. Усі ці чинники дають змогу істотно поліпшити санітарний стан тваринницьких ферм і довкілля середовища.

Біогазові установки, які працюють на гної тварин, є найпростішими за своєю конструкцією і тому отримали значне поширення в усьому світі (див. рис. 6.8). Усі мікроорганізми, що беруть участь у процесі бродіння, потрапляють у гній вже з кишечника тварин, тому не потрібно їх додатково додавати.

Дуже часто підприємства мають свої поля, на яких вони вирощують сільськогосподарські або кормові культури, БГУ допомагають заощаджувати на купівлі мінеральних добрив і засобів захисту рослин. Біодобрива мають такі основні переваги, порівняно із звичайним гноєм і мінеральними добривами:

o Максимальне збереження і накопичення азоту. При тривалому зберіганні (компостуванні) гною втрачається до 50 % азоту. Завдяки анаеробному зброджуванню у БГУ загальний азот у біодобриві повністю зберігається; крім того, вміст розчинного азоту збільшується на 10-15 %.

o Відсутність насіння бур'янів. У 1 т свіжого гною міститься до 10 тис. насіння бур'янів, які не втрачають здатність до проростання, навіть пройшовши через шлунок тварини. Після обробки БГУ 99 % насіння втрачає цю здатність.

o Відсутність патогенної мікрофлори. У гної можуть міститися небезпечні для тварин і людини хвороби: сибірська виразка, туберкульоз, бруцельоз, паратиф, ящур, сальмонельоз, аскаридоз, кишкові інфекції. Біодобрива, завдяки спеціальній технології переробки, повністю позбавлені цієї мікрофлори.

o Наявність активної мікрофлори. Високий рівень гуміфікації органічної речовини стає потужним поштовхом для активації ґрунтових мікроорганізмів, азотфіксуючі та інші мікробіологічні процеси відбуваються набагато швидше.

o Відсутність періоду зберігання. Завдяки своїй формі біодобрива починають ефективно працювати відразу при внесенні, і не потрібно зберігати їх у лагунах декілька років.

o Стійкість до вимивання з ґрунту поживних елементів. За сезон з ґрунту вимивається близько 80 % мінеральних добрив, тоді як для біодобрив ця частка становить 15 %. Біодобрива, внесені у невеликих кількостях, працюватимуть на 3-5 років довше, ніж звичайні.

o Екологічний вплив на ґрунт. Мінеральні добрива можуть завдавати великої шкоди, забруднюючи ґрунт і ґрунтові води, тоді як біодобрива є абсолютно чистим екологічним добривом.

Будова біогазової установки наведена на рис. 6.8.

Одна свиноматка із 20-24 поросятами дає у рік приблизно 25 м3 гною. У газовому еквіваленті це становить у середньому 1000 м3 біогазу. Економічно вигідно встановлювати біогазову установку на свинокомплексах з поголів'ям не менше 10- 12 тис. свиней (650 свиноматок). Одна дійна корова щодня дає від 30 до 70 кг гною, що у середньому на рік дорівнює 20 м3, а це 800 м3 біогазу. БГУ буде економічно ефективною для ферм із поголів'ям від 800 дійних корів.

Біогазова установка приносить "доходи з відходів" або "гроші з гною". БГУ - це найактивніша система очищення, яка дуже швидко самоокуповується і дає прибуток. Сировиною може бути гній великої рогатої худоби, свиней, пташиний послід, відходи

Біогазова установка: 1 - силосні ями; 2 - система загрузки біомаси; 3 - реактор; 4 - реактор доброжування; 5 - субстратор; 6 - система опалення; 7 - силова установка; 8 - система автоматики і контролю; 9 - система газопроводів

Рис. 6.8. Біогазова установка: 1 - силосні ями; 2 - система загрузки біомаси; 3 - реактор; 4 - реактор доброжування; 5 - субстратор; 6 - система опалення; 7 - силова установка; 8 - система автоматики і контролю; 9 - система газопроводів

боєнь (кров, жир, кишки), рештки рослин, силос, прогниле зерно, каналізаційні стоки, жири, біосміття, відходи харчової промисловості, садові відходи, солодовий осад, вичавки, буряковий жом, технічний гліцерин (від виробництва біодизеля). Більшість видів сировини можна змішувати з іншими видами. Отже, БГУ одночасно та у великих кількостях може: утилізувати б і овід ходи, виробити біогаз, електроенергію, тепло, добрива, заощадити капітальні витрати (при будівництві нових комплексів).

Усе наведене вище виробляється за мінімальної собівартості, адже за біосміття не потрібно платити, а сама установка для власних потреб використовує лише 10-15 % виробленої енергії.

Якщо на підприємстві утворюється 1 т гною щодня, то за рік на ньому можна отримати як мінімум 60-70 тис. грн, тобто окупність установки гною вражає: 2-3 роки, а для деяких інших видів сировини - 1 рік. Біогаз може використовуватись як газ для опалення та вироблення електроенергії, і, порівняно з використанням звичайного природного газу, він низьковартісний.

3 1м3 біогазу в генераторі можна виробити 2 кВт електроенергії, яка постачатиметься без перепадів. Тепло від охолодження генератора або від згоряння біогазу можна використовувати для опалення, сушіння насіння, дров, кип'ятіння води для утримання худоби. Тепло отримують під час спалювання газу спеціально, а також відбирають його при охолоджуванні електрогенератора. Поряд з БГУ можна встановлювати теплиці. Тепло також може використовуватись для приведення в дію випарників рефрижераторів (при охолодженні свіжого молока на молочних фермах або для зберігання м'яса, яєць тощо).

Окрім біогазу, є й інші види біопалива, які можна використовувати для отримання енергії, у тому числі й на транспорті, - це біодизель і біоетанол. Вважається, що саме паливний етанол має найбільший потенціал з огляду на невичерпні джерела його Отримання. Ними можуть бути трав'янисті рослини та деревина, відходи сільського господарства і деревообробної промисловості, а також побутове сміття.

Етанол - найдавніший продукт біотехнології, яка була винайдена не пізніше IV тис. років до н. е. у Давньому Єгипті і Вавилоні. У цій технології цукри (глюкоза, сахароза та деякі інші) зброджують (ферментують) у безкисневому середовищі пекарськими (спиртовими) дріжджами. Ще донедавна майже весь етанол, отриманий шляхом дріжджового зброджування цукрів, використовувався виключно для виробництва алкогольних напоїв. Лише незначна його кількість, переважно отримана хімічним шляхом, застосовувалась у промисловості. Однак протягом останніх 25 років ситуація докорінно змінилася. Тепер уже більше половини світового виробництва етанолу використовується як додаток до палива для двигунів внутрішнього згоряння (бензину), і лише близько 15 % - для виробництва спиртних напоїв.

Перші спроби використання етилового спирту як автомобільного палива були здійснені ще на початку XX ст. У 1902 р. на інтернаціональному конкурсі в Парижі демонструвалося більше 70 карбюраторних двигунів, що працювали на етиловому спирті та його сумішах з бензином нафтового походження. Однак етиловий спирт не почав відразу швидко й широко застосовуватися, тільки у 70-х роках XX ст. у зв'язку з катастрофічним погіршенням екологічної ситуації і нафтовою кризою почалося відродження інтересу до спиртів і, особливо, до етанолу. Це обумовлено тим, що етанол може бути отриманий з постійно відновлюваних джерел рослинної сировини, біомаси, а також побутових відходів. З 80-х років розпочалося масове використання бензинів, що містять 5, 10, 15 і 22 % паливного етанолу, у Бразилії, США, Швеції, Нідерландах, Франції, Канаді і Колумбії.

Значний досвід у виробництві і використанні паливного етанолу з відновлюваної сировини накопичений у Бразилії, США, Канаді. На заправних станціях продають суміші бензину з етанолом Е10 (10 % етанолу), Е85 (85 % етанолу), Е95 (95 % етанолу) і чистий етанол Е100. Основним виробником паливного етанолу у світі є Бразилія (12 млрд л на рік, що становить половину потреби країни у бензині і 57 % світового виробництва). Це стало можливим завдяки Національній програмі із широкомасштабного використання етанолу як автомобільного палива і субсидіям уряду, які одержали відповідну фінансову підтримку Світового банку. Весь бразильський етанол одержують із цукрової тростини ферментаційним способом.

У США кожна четверта тонна виробленого бензину містить етиловий паливний біоспирт. З відновлюваної сировини (головним чином, з кукурудзи) на 58 підприємствах виробляється понад 4 млн т на рік паливного етанолу. Зростання цін на нафту стимулювало розробки більш економічних і екологічно чистих процесів виробництва етанолу. Дослідження, проведені у Канаді, свідчать, що використання палива Е85 дозволяє знизити викиди парникових газів на 37 %; оксиду вуглецю - на 25-39 %; оксидів азоту - на 20 %; летких органічних сполук - на ЗО %; канцерогенних ароматичних сполук - на 50 %.

Надзвичайно важливим є глобальний позитивний ефект використання біоетанолу як палива, адже вуглекислий газ, що виділяється під час його спалення, має первинне атмосферне походження. Тобто його знову можуть асимілювати рослини, які потім будуть джерелом отримання цього самого паливного етанолу. Коли ж використовується викопне паливо, то виділений ним С02 є додатковим джерелом сумнозвісного парникового ефекту.

Біодизельне паливо виробляється з ріпаку та сої і на сьогодні коштує дорожче за традиційне дизельне пальне. Для отримання біодизельного палива можна використовувати також соняшникову і кукурудзяну олію, але найчастіше використовують ріпакову, оскільки собівартість виробництва зерна ріпаку, порівняно з іншими олійними культурами, найнижча. Біопаливо на основі рослинної олії ще у 1853 р. винайшли англійці. Двигун для нього був винайдений пізніше. 10 червня 1893 р. у місті Ауґсбург, Німеччина, відомий інженер і конструктор Рудольф Дизель випробував свій перший одноциліндровий двигун, який був завдовжки 3 м та важив 4,5 т. Двигун вибухнув і ледь не вбив винахідника. На згадку про подію, 10 червня проголошено "Міжнародним днем біодизеля". У 1900 р. на Всесвітній виставці в Парижі Р. Дизель продемонстрував свій винахід і отримав головну нагороду.

Винахідник вірив, що майбутнє для його двигунів - за використанням біопалива. У 1912 р. він передбачав, що: "Використання рослинних жирів для виробництва палива може видаватись несуттєвим на той момент, але з плином часу такі жири можуть стати настільки ж важливими, як продукти з нафти та вугільної смоли". Справді, на той час біопаливо було набагато дорожчим від звичайного дизельного палива з нафти. Протягом 1920-х виробники дизельних двигунів переорієнтували свої двигуни на використання дизпалива, виготовленого з нафти, що має меншу в'язкість порівняно з рослинними жирами. Нафтова промисловість увійшла на паливний ринок, оскільки виробництво палива з нафти було значно дешевшим, ніж з біологічної сировини. Як наслідок - багаторічний занепад виробництва біопалива. Лише нещодавно на тлі занепокоєння станом довкілля та зменшення різниці у вартості біодизельне паливо стало реальною альтернативою традиційному.

Дослідження у галузі використання соняшникової олії та підвищення її якості до стандартів звичайного дизпалива почалися у ПАР у 1979 р. До 1983 р. результати досліджень були опубліковані. Технологічний процес дозволяв виготовляти біодизель, якість якого відповідала нормам звичайного дизельного пального. Австралійська компанія Gaskoks отримала технологію від південноафриканських дослідників і спорудила перший пілотний завод для виробництва біодизеля у 1987 р., а перший завод для масового виробництва - у 1989 р.

Протягом 1990-х заводи були спорудженні у багатьох європейських країнах, зокрема Чехії, Німеччині, Швеції. Франція розпочала власне виробництво біодизелю з рапсової олії: у звичайне дизельне паливо додавати 5 % біодизелю, а у дизельне паливо, що використовується громадським транспортом, - 30 %. Тривають експерименти з використанням 50 % біодизелю. Мільйони автомобілів в Європі працюють на біодизелі. Чистий, без домішок, біодизель можна заливати до баку будь-якого дизельного транспорту. Розвивається його виробництво. У 2005 р. Міннесота стала першим штатом США, де законодавчо встановлено норму продажу дизпалива лише із вмістом біодизелю не меншим 2%.

Крім зниженої температури твердіння (а це вельми важливо для зимових погодних умов), біодизель як моторне паливо має низку цінних якостей. Його застосування істотно продовжує час життя двигуна, оскільки воно має кращу змащувальну здатність, ніж пальне з нафти. При цьому на 90 % знижується ризик ракових захворювань. За рахунок того, що біодизель містить 11 % кисню, у продуктах його згоряння кількість вуглекислого газу зменшується на 80 %, чадного газу - на 35 %, окисів сірки - на 100 %, аерозолів (димових частинок розміром менше 10 мікрон) - на 32 %, ніж у звичайного дизпалива.

У разі потрапляння біодизельного палива у воду чи ґрунт воно майже повністю розпадається протягом 25-30 днів, тоді як 1 кг мінеральних нафтопродуктів може забруднити до 1 млн л питної води, знищивши у ній всю флору і фауну. Біодизель може бути використаний у чистому вигляді (марка У100) або у суміші зі звичайним дизпаливом. Найпоширенішим є В20, що містить 20 % біодизеля і 80 % звичайного палива.

Отже, світовий досвід переконує, що рідке біопаливо стає перспективною категорією енергоресурсів, яка за своїм значенням посідає наступну позицію після твердих палив з біомаси. Невелика поки частка рідкого біопалива від загального використання моторних масел, мінерального дизелю та бензину у країнах ЄС пояснюється насамперед високою вартістю виробництва, що робить рідке біопаливо неконкурентоспроможним порівняно з традиційним. Незважаючи на високу собівартість, виробництво рідкого палива з біомаси у європейських країнах динамічно зростає. Це стає можливим завдяки екологічно продуманій економічній політиці на державному рівні.

Основні шляхи розвитку виробництва рідкого біопалива безпосередньо пов'язані з вирощуванням олійних культур та рослин з великим вмістом крохмалю. Залежно від виду сировини і масштабів виробництва, витрати на виготовлення рідкого біопалива змінюються у діапазоні від 0,4 дол,/дм3 для етанолу з кукурудзи у США до 0,6 дол./дм3 для метилових ефірів вищих жирних кислот з рослинних олій у Європі. Порівняно з ними, вартість виробництва рідкого палива з корисних копалин становить близько 0,2 дол./дм3. Проте експерти стверджують, що різниця у вартості біопалива та мінерального пального почне зникати через 2-3 роки. На основі проведених у США досліджень встановлено, що вартість ліквідації негативних наслідків, викликаних виробництвом і застосуванням традиційного палива з корисних копалин, коливається в межах від 0,1 до 0,4 дол./дм3. Таким чином, сумарний баланс вартості свідчить про те, що пальне, отримане з відновлювальних біологічних джерел, може бути дешевшим у валовому економічному розрахунку.

З біомаси також можна отримувати біоводень. Хімічним шляхом біомаса може безпосередньо перероблятися на водень: з 20 т біомаси можна отримати 2,2 т біоводню. Після його виділення залишається багато мінеральної речовини, яку можна використовувати як добриво. Отже, альтернативою звичайному паливу у майбутньому стане енергія біоводню. Сьогодні науковці ЄС покладають велику надію на те, що будуть розвиватися також програми розвитку біоводню, і енергетичні потреби будуть забезпечуватися за допомогою цього виду палива.

З погляду екології, водень, одержаний шляхом переробки органічних сполук рослинного походження, є ідеальним паливом, що має високу теплотворну здатність (12,8 кДж/м8) і згорає без утворення будь-яких шкідливих домішок. Існують фототрофні бактерії, здатні виділяти водень під дією світла. Поки що вони працюють досить повільно, але мають такий біохімічний механізм і містять такі ферменти, які дозволяють каталізувати утворення водню з води. Деякі ферменти паралельно з воднем утворюють і кисень, тобто відбувається фотоліз води. Прикладом може бути система, що включає хлоропласти або хлорофіл і фермент гідрогеназа. Хоча цей напрям поки що не дав практичних результатів, він досить перспективний для подальшого розвитку біоенергетики.

Підсумовуючи все сказане вище, можна зробити такий висновок: енергія з біомаси представлена на планеті чи не у найбільшому асортименті. Можна просто спалювати біомасу й отримувати енергію у вигляді тепла і газу. Зброджуючи біомасу, можна отримати етанол, а застосовуючи анаеробне бродіння - біогаз. У разі переробки олійних культур як джерело енергії можна отримати біодизель.

Однак постає одне важливе запитання: чи достатньо на планеті запасів біомаси для задоволення потреб людства виключно за допомогою альтернативної енергетики? За даними ФАО (Продовольчої і сільськогосподарської організації ООН), більшість країн світу просто не використовують свій потенціал біомаси. Шляхом поліпшення системи управління та менеджменту (дотримання технологій, правильне внесення добрива тощо) урожаї сільськогосподарських культур можна підвищити.

Нещодавно в ЄС з'явився закон про квоти на біопаливо, який зобов'язує у майбутньому всіх споживачів пального використовувати як домішки альтернативне паливо. Згідно з цим документом, у 2010 р. до основного палива треба буде додавати 6 % біопалива, у 2015 і 2020 рр. цей показник зросте до 7 і 8 % відповідно. У 2015 та 2020 рр. до пального потрібно буде домішувати ще й біоводень (2-5 %). Наприклад, Німеччина сьогодні купує близько 50 млн т пального. Якщо взяти визначену директивами ЄС домішку 6 % біопалива, то це вже 3 млн т. Для отримання такого об'єму необхідно буде засіяти 4 млн га ріпаком. Однак Німеччина має лише 12 млн га землі, тому 4 млн га для неї - це досить значна площа. Отже, Німеччина муситиме купувати ріпак. Те саме стосується й інших країн ЄС.

Зараз витрати на виробництво біоетанолу та біодизелю майже удвічі перевищують витрати на мінеральне пальне. Водночас порівняємо різні види палива з погляду енергетики. Енергетична цінність 1 т зерна становить 1,376 МДж. Якщо цю саму масу переробити на біоетанол, вихід енергії буде на ЗО % більшим, а у разі використання всіх побічних продуктів енергетична цінність зросте на 60 %. Коли всі затрати, які вкладаються у вирощування сільськогосподарських культур, перерахувати в енергетичний еквівалент, і порівняти з урожайністю, то сільське господарство є найбільш прибутковою з усіх галузей господарства внаслідок виробництва найбільшої кількості енергії.

На ринку альтернативних джерел Німеччина може запропонувати біоетанол за ціною 0,48-0,55 євро/л, тоді як США - за 0,20 євро, а у Бразилії ці витрати взагалі становлять до 0,13 євро за 1 літр пального. Виграє той, хто використовуватиме для виробництва біоетанолу дешеву сировину. Перспективним здається виробництво пального в ЄС з дешевої цукрової тростини, придбаної, скажімо, в Бразилії. Якщо Україна хоче вийти на ринок біоетанолу зі своєю продукцією, то основним її конкурентом буде якраз Бразилія.

Останнім часом у деяких країнах, зокрема Німеччині, дійшли висновку, що дешевше спалювати зерно, аніж пальне з нафти. Розрахунки показали, що 2,6 кг зерна можуть замінити 1 л палива, яке отримується з нафти. При цьому необхідне зерно обійдеться у 0,26 євро (оскільки ціна становить 100 євро/т), а 1 л нафтового палива - 0,60 євро. Звичайно, печі для спалювання зерна коштують дорожче, ніж для пального, і ці затрати також треба врахувати. За остаточними підрахунками 8 тис. кг зерна замінюють 3 тис. л пального. Якщо спалювати зерно, то на кожній тонні можна отримати на 19,5 євро більше, ніж від його продажу.

Крім цього, можуть бути зменшені викиди С02 на 1000 млн т щороку (це еквівалентно спільним щорічним викидам у Канаді та Італії), якщо країни - члени Організації економічного співробітництва і розвитку (ОЕСР) будуть використовувати замість вугілля біомасу - паливо, джерелом якого є відходи сільськогосподарського виробництва і лісової промисловості. Біомаса є економічно ефективним і нейтральним, з погляду вмісту вуглецю джерелом енергії. До 2020 р. воно може забезпечити 15 % енергоспоживання у розвинених країнах. Саме біомаса може забезпечити енергоспоживання 100 млн будинків, що еквівалентно енергії з 400 традиційних великих електростанцій.

Виробництво біомаси створить до 2020 р. 400 тис. нових робочих місць, особливо в сільській місцевості. Наприклад, у США використання біомаси призвело до утворення 70 тис. додаткових робочих місць. До того ж воно стане інструментом для виконання національних цілей з розвитку відновлювальних джерел енергії. Швеція, наприклад, має намір перейти на використання біомаси для виконання частини ухвалених урядом зобов'язань щодо відмови від атомної енергетики. Одержання біомаси потребуватиме від розвинених країн виділення додатково менше 2 % земельних ресурсів і не буде загрожувати виробництву сільськогосподарських продуктів чи збереженню природи.

За прогнозами, у 2020 р. використання біомаси в Європі збільшиться до 235 млн т. Отже, біомаса становитиме 65,8 % усіх відновних джерел енергії. За прогнозами експертів, потенціал біомаси збільшиться: у 2020 р. - з 215 до 239 млн т і у 2030 р. - з 243 до 361 млн т, з них у майбутньому найбільшу частку займатимуть саме енергетичні культури.

З метою збіл

6.2.4. Геотермальна енергетика
Приповерхнева геотермія
Глибинна геотермія
6.2.5. Інші види альтернативної енергетики
Енергія води (гідроенергія)
Енергія морів і океанів
Воднева енергетика
6.3. Характеристика демографічної ситуації
6.4. Шляхи вирішення демографічної проблеми
Проблеми, пов'язані з демографічною проблемою
© Westudents.com.ua Всі права захищені.
Бібліотека українських підручників 2010 - 2018
Всі матеріалі представлені лише для ознайомлення і не несуть ніякої комерційної цінностію
Электронна пошта: site7smile@yandex.ru