Биомасса – источник энергии

Н. А. РУСТАМОВ, кандидат физико-математических наук

С.И. ЗАЙЦЕВ, кандидат физико-математических наук

Н.И. ЧЕРНОВА, кандидат биологических наук

(Лаборатория возобновляемых источников энергии Географического факультета МГУ
им. М.В. Ломоносова)

Современный уровень энергопотребления в мире эквивалентен 12
млрд. т н.э. С учетом существующих темпов роста к 2050 г. мировое
энергопотребление достигнет 15 млрд. т н.э. (по более пессимистическим
прогнозам – 25 млрд. т н.э.). При этом, по данным Мирового Энергетического
Совета, использование возобновляемых источников энергии увеличится в два раза и
достигнет 6 млрд. т н.э., а доля биомассы составит 2.6 млрд. т н.э.

Растительная биомасса является первичным источником энергии
на Земле. Она образуется при фотосинтезе из диоксида углерода и воды с
выделением кислорода. При образовании 1 кг сухой биомассы (древесины)
поглощается около 1.83 кг CO₂ и столько же выделяется при ее
разложении (окислении, горении). В результате содержание углекислого газа в
атмосфере остается неизменным. Кроме того, биомасса как топливо имеет ряд
достоинств. Использование биомассы для получения энергии более экологически
безопасно, чем, например, угля из-за низкого содержания серы (при сжигании
биомассы выделяется менее 0.2% серы и от 3 до 5% золы в сравнении с 2-3% и
10-15% соответственно для угля). Кроме того, зола может быть возвращена обратно
в почву, что обеспечивает замкнутость круговорота биогенных элементов. Эмиссия
оксидов азота при сжигании биомассы может быть снижена при использовании
современных технологий и понижении температуры сжигания. Производство компостов
из переработанной биомассы улучшает структуру почвы и снижает загрязнение
стоков и подземных вод.

Биомасса также имеет превосходство перед углем благодаря
своей более высокой способности к реакции газификации. Уголь газифицируется при
высокой температуре в чистом кислороде, что требует использования установок для
сжижения воздуха и получения кислорода. Биомасса же газифицируется при более
низкой температуре, при этом теплота для поддержания процесса может быть
передана через теплообменники от внешнего источника. Состав генераторного газа:
18-20% H₂, 18-20% СО, 2-3% СН₄, 8-10% СО₂,
остальное – азот. Кроме того, энергия, получаемая при использовании биомассы,
относительно дешева и имеются возможности ее накопления. В связи с малой
мощностью электростанций, используемых в качестве топлива биомассу, к их
преимуществам можно отнести также короткий срок проектирования и строительства,
повышение надежности энергоснабжения, связанное с его децентрализацией,
повышение эффективности использования топлива; снижение остроты проблемы
избавления от отходов.

По оценкам Всероссийского института электрификации сельского
хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ВИЭСХ РАСХН), к 2010
г. использование биомассы в России возрастет более чем в три раза, в первую
очередь за счет ее применения для получения электроэнергии, теплоты в
паротурбинных и газотурбинных установках с новой технологией газификации
биомассы, а также в дизель-генераторных установках и двигателях Стирлинга.
Кроме того, появятся коммерческие технологии получения моторного топлива из
биомассы. В этой связи актуальной становится задача искусственного создания
энергетических плантаций для крупномасштабного производства биомассы.

Посадки так называемых энергетических лесов на площади 10
млн. га способны дать около 143 млн. т у.т. энергии в виде дров и примерно
столько же в форме липидов и этанола для моторного топлива. Энергетические
плантации биомассы предупреждают эрозию почвы, способствуют улучшению состояния
окружающей среды. В последние 10 лет в России не обрабатывается примерно 30
млн. га пашни, с которой можно получить 300 млн. т жидкого биотоплива.

В настоящее время в мире для энергетических целей
используется до 1 млрд. т у.т. растительной массы, что эквивалентно 25% мировой
добычи нефти. Потенциальные же ресурсы растительной массы для энергетического
использования достигают 100 млрд. т у.т. В странах экваториального пояса
биомасса остается основным источником энергии. Ее доля в энергобалансе
развивающихся стран составляет 35%, в мировом потреблении энергоресурсов – 12%,
в России – 3%.

В нашей стране биомасса используется в основном в виде дров
и отходов растениеводства для отопления домов и общественных зданий, для
процессов сушки, получения пара и горячей воды. Поэтому важной задачей является
повышение эффективности используемого печного и котельного оборудования и его
автоматизация. Энергоносители в сельской местности развивающихся стран
используются преимущественно для приготовления пищи и нагрева воды. Сжигание
биомассы, характерное для сельских районов, наносит значительный ущерб
окружающей среде. В Индии от сжигания биомассы ежегодно поступает в атмосферу
более 68 млн. т диоксида углерода. Традиционные очаги для приготовления пищи
имеют термическую эффективность 10%. Оснащение усовершенствованными печами
(термическая эффективность 30-35%) обеспечивает экономию дров в три раза, тем
самым замедляя процесс сведения лесов. В странах Азии и Африки существуют
перспективные программы полной замены печей старой конструкции новыми,
модернизированными, поскольку там остро стоят вопросы тяжелой интоксикации
женщин и детей при приготовлении пищи, экономного расходования дефицитного в
засушливых районах древесного топлива, уменьшения дымовых поступлений в
атмосферу. Повсеместно установлены такие печи в Китае (180 млн. печей, в
среднем одна печь на 6-8 человек). Улучшенные печи пригодны как для приготовления
пищи, так и для обогрева помещений. В Индии правительство на федеральном и
региональном уровнях выделяет значительные субсидии для реализации программ по
установке усовершенствованных печей. К концу 2000 г. в стране работало 32.6
млн. таких печей. Использование улучшенных печей спасло от уничтожения более 13
млн. т древесины в год.

Энергия, запасенная в первичной и вторичной биомассе, может
конвертироваться в технически удобные виды топлива или энергии несколькими
путями.

Получение моторного
топлива из растительных углеводородов (растительного масла,
высокомолекулярных жирных кислот и их эфиров, предельных и непредельных
углеводородов и т.д.). К этой области в настоящее время проявляется большой
интерес и развивается новое направление, связанное с созданием видов топлива,
имеющих растительное происхождение. Например, в России может использоваться
рапсовое масло, добавляемое в дизельное топливо. Уже в настоящее время такое
топливо по стоимости соизмеримо с дизельным при практически полном отсутствии выбросов
вредных веществ в атмосферу. Разработка и внедрение такой технологии для
условий России обеспечит качественный переход к созданию
сельскохозяйственно-промышленных комплексов, не требующих энергии извне, но
обеспечивающих производство энергии для внешнего рынка.

Термохимическое
преобразование биомассы при высоких температурах:

прямое сжигание для производства тепла;

пиролиз для получения газа, пиролитических жидкостей и других веществ;

газификация для производства газов с низкой промежуточной теплотворной
способностью (получаемый газ может подвергаться процессу непосредственного
сжижения для получения аммиака, метилового спирта или преобразовываться в
синтетический природный газ);

сжижение для получения тяжелой топливной нефти или бензина.

Биотехнологическая
конверсия биомассы в топливо с получением низкоатомных спиртов,
жирных кислот, биогаза.

Большинство исследований по созданию моторного топлива из
биомассы направлено на получение этанола из сахарного тростника, зерна и
сахарной свеклы, а также рапсового метилового эфира из семян рапса. При
урожайности семян рапса 3 т/га можно получить 1 т моторного топлива и 2 т
высококачественных кормов. Свойства моторного топлива, получаемого из семян
рапса, близки к свойствам дизельного топлива, однако вредные выбросы при
использовании биотоплива значительно снижены. В Чехии производится 700000 т
биодизельного топлива в год. Как показывает опыт Чехии и Германии,
коммерциализация этой технологии при современных ценах на нефть может быть
обеспечена только с помощью государственных субсидий. В Бразилии большое
количество биотоплива перерабатывается в жидкое горючее (этанол) для
автомобильных двигателей.

По данным Р. Вильямса из университета г. Принстон (США),
возможные размеры получения энергии с одного гектара составляют (ГДж/га): для
рапса – 50, для пшеницы – 70, для сахарной свеклы – 135, для сахарного
тростника – 105; для этанола, полученного путем гидролиза древесины – 115, для
этанола, полученного путем термохимической газификации древесины – 160, для
водорода, полученного из древесины путем газификации – 205.

Все большее распространение в энергетике находит
термохимическое преобразование биомассы, в частности газификация – сжигание
биомассы при температуре 800-1500°С в присутствии воздуха или кислорода и воды
с получением синтез-газа или генераторного газа с теплотой сгорания от 10500
до 16700 кДж/м³ (при нормальных условиях), состоящего из угарного
газа (моноксид углерода), водорода и примесей метана и других углеводородов.
Газогенераторы, объединенные в один энергетический комплекс с водяными котлами
или дизель-генераторами, используются для получения тепловой и электрической
энергии. Проведенные исследования и имевшийся в России еще в 1930-1940-х гг.
опыт строительства газогенераторных установок позволили создать к настоящему
времени газогенераторы нового поколения с повышенным КПД и тепловой мощностью
100, 200, 600, 3000, 5000 кВт. По техническим характеристикам созданные
газогенераторы отвечают современному мировому уровню. Современные паротурбинные
электростанции, использующие биомассу в виде древесины, растительных отходов,
топливных брикетов, имеют КПД 20-25%. В США мощность таких электростанций уже
достигла 8000 МВт. Параметры подобных электростанций на биомассе могут
составлять от нескольких десятков киловатт для фермерского хозяйства до 100 МВт
для промышленных целей.

Газотурбинные электростанции с установками газификации
биомассы имеют КПД до 40-45%, что в два раза лучше характеристик паротурбинных
электростанций. Малое содержание серы облегчает очистку генераторного газа и
делает эти станции более экономичными, чем электростанции, работающие на угле.

Ответ на вопрос о том, вызовет ли сжигание биомассы
повышение концентрации диоксида углерода в атмосфере, зависит от
сбалансированности потребления этого вида топлива и восстановления живой
биомассы растений (Алексеев В.В., Киселева С.В. Проблема СО₂ и новые
подходы к альтернативной энергетике // Глобальные природно-антропогенные
процессы и экология среды обитания. Сборник трудов РАЕН. – М., 1996. С. 3-15).
В случае, если производство биотоплива равно его потреблению, углерод только
участвует в круговороте между наземной биотой и атмосферой.

Критический анализ результатов последних исследований,
связанных с оценкой роли леса как потенциального источника и поглотителя CO₂,
показал, что в умеренных и высоких широтах, где основной запас углерода
содержится в почве, в масштабе нескольких десятков лет эти эффекты могут
компенсировать друг друга. Добавочное и очень значительное влияние на рост
лесов оказывает собственно повышение концентрации углекислоты в атмосфере.
Расчеты показывают, что нетто – поглощение CO₂ лесами России на 1990
г. составило примерно 100 млн. т углерода в год. При этом прирост запаса углерода
в почве уменьшился на 10 млн. т углерода в год. Суммарное поглощение CO₂
лесами и лесными почвами будет нарастать: к 2010 и 2020 гг. оно составит 140 и
200 млн. т углерода в год соответственно. При этом будет нарастать поток СО₂
из почвы в атмосферу: за 20 лет он увеличится с 10 до 100 млн. т углерода в
год. Это вызвано тем, что скорость разложения органики в почве существенно
зависит от температуры. Подчеркнем, что настоящий и прогнозируемый на 20-30 лет
прирост живой биомассы в основном обусловлен реакцией лесов на уже произошедший
рост температуры и концентрации СО₂. Поток CO₂ из почвы,
напротив, почти исключительно вызван потеплением. За счет него в предстоящие 60
лет в атмосферу поступит 15 млрд. т углерода. Сравнение полученных значений
потоков CO₂ с его антропогенным выбросом в России, оцениваемым
сейчас в 700-800 млн. т углерода в год, показывает, что в настоящее время
компенсирующий эффект лесов составляет 10-15% и может вырасти к 2010 г. до
20-25%. Таким образом, суммарный эффект, получаемый за 50 лет от посадки леса
на 10 млн. га, можно оценить в 500-1000 млн. т углерода при традиционных для
России лесопосадках и 3000-6000 млн. т углерода при специальных посадках
высокопродуктивных пород, внесении удобрений и т.д.

В настоящее время созданию плантаций энергетических лесов
большое внимание уделяют многие европейские страны – Великобритания, Франция,
Германия и другие. В стадии опытно-промышленной эксплуатации находятся
электростанции, для которых организовано выращивание энергетических лесов, то
есть работающие на сжигании древесины. Широко используются отходы
лесопереработки и лесозаготовок, а также энергетического торфа для производства
тепловой и электрической энергии (страны Скандинавии) как при прямом сжигании
биомассы, так и через ее газификацию с последующим сжиганием полученного
генераторного газа. Повышенный интерес к созданию таких плантаций вызван не
только получением альтернативного источника энергии, но и возможностью
переориентации крестьянских хозяйств с выращивания избыточной
сельскохозяйственной продукции на эффективное использование земель в других
целях. В настоящее время для этих целей испытано около 20 различных видов
растений – древесных, кустарниковых и травянистых, в том числе таких как
кукуруза и сахарный тростник. В качестве энергетического сырья в России
рекомендуется использовать бодяк и коровяк, которые крайне неприхотливы к
местам обитания и весьма ценны в энергетическом плане, так как содержат в своем
составе 7.6-9.6% от веса пиролитических масел (Aлeкceeв В.В., Красовская Т.М.
Леса топливного назначения // Вестник Московского университета. Сер. География.
1995. № 4. С. 21-26).

Для создания плантаций энергетических лесов в умеренной
климатической зоне наиболее перспективны разновидности быстрорастущих сортов
тополя (волосистоплодного и канадского) и ивы (корзиночной и козьей), а в южной
части страны – акации и эвкалипта. Посадка энергетических плантаций ведется
черенками или саженцами квадратно-гнездовым способом или в шахматном порядке с
различной шириной междурядий (от 0.8 до 2 м). Для тополя плотность посадок
обычно составляет 3-5 тыс. экземпляров на 1 га, однако общих рекомендаций пока
не выработано. Период ротации составляет 6-7 лет. Уход за плантацией
заключается в бороновании междурядий, внесении удобрений и орошении в
засушливые периоды. Плантации могут быть монокультурными и комбинированными.
Последние заслуживают особого внимания, поскольку способствуют диверсификации
посевов и посадок различных культур, что должно повысить устойчивость к
заболеваниям и вредителям, тем самым снижая потребность в ядохимикатах. Кроме
того, подобные плантации рациональнее используют поступающую солнечную энергию
для формирования биомассы.

Принцип комбинированных посевов и посадок различных культур
на одном участке хорошо известен в тропиках, где так называемые «огороды» дают
урожаи различных культур на протяжении нескольких лет подряд без применения
удобрений и ядохимикатов. Различные варианты комбинированных посевов и посадок
разнообразных культур, включая энергетические, уже испытаны в одном из графств
Великобритании. В посадках используют тополь и ячмень в междурядьях либо
тополь, ясень, ольху с подсолнечником и люпином в междурядьях или горохом
полевым, ячменем, клевером, зелеными культурами и т.д. Пример комбинированного
использования энергетических лесов известен в Греции, где на плантациях
шелковицы выкармливают шелковичного червя. Зимой годовой прирост ветвей
обрезают и используют как биомассу. На европейской территории России, где до
80% электроэнергии вырабатывается на ТЭЦ, многие из которых расположены в
лесных районах, безусловно, имеются возможности для создания плантаций
энергетических лесов либо частичного использования местных лесных ресурсов
(отходы заготовки и переработки древесины).

Количество энергии, которое можно получить с энергетической
плантации при урожайности 15 т сухой биомассы с гектара в год (теплотворная
способность 15 Мдж/кг), составляет 225 ГДж/га. При КПД газотурбинной
электростанции 40% один гектар энергетической плантации может обеспечить
экологически чистым топливом производство 252 МВт-ч электроэнергии в год. В
настоящее время рассматриваются различные схемы использования энергетических
лесов с короткими севооборотами (как правило, предлагаются севообороты с
шестилетним циклом). При этом энергоотдача (отношение количества энергии,
которое получают от системы, к энергетическим затратам на ее создание и
эксплуатацию, включая все косвенные расходы) таких энергетических плантаций
колеблется между 3 и 4, что оказывается вполне приемлемой величиной, если
учесть, что энергоотдача для тепловых станций, работающих на угле, составляет
4-5 единиц.

Использование биомассы энергетических лесов на ТЭЦ для
выработки электроэнергии позволяет решить еще одну немаловажную задачу:
получить газы с высоким содержанием СO₂ – до 10-11%, что дает
возможность после концентрирования CO₂ достаточно просто
использовать его для выращивания микроводорослей. Это может быть, например,
широко известная микроскопическая водоросль – хлорелла, содержащая в своей
биомассе 30-40% Сахаров, которые могут быть переброжены в этанол, являющийся
хорошим моторным топливом, и до 40% липидов, которые также являются прекрасным
топливом и могут быть использованы в качестве заменителей мазута.
Принципиальным в этой схеме является то, что после дезинтеграции и сепарации
биомассы биогенные вещества – фосфор, калий, азот и т.д. – возвращаются в
культуральную среду для повторного выращивания микроводорослей. Приведенная на
рис. 1 схема, включающая тепловую электростанцию (московская ТЭЦ-26) и систему
культивирования микроводорослей «Биосоляр», оказывается замкнутой по всем
биогенным элементам, кроме углерода.

Рис. 1. Схема гибридной энергосистемы «Биосоляр» – ТЭЦ-26.

Сезонный ход солнечной радиации не позволяет выращивать
биомассу в зимнее время. Это вынуждает хранить не только готовый продукт,
например этанол или жидкие углероводороды, но и ставит проблему аккумулирования
углекислоты, которая является одним из важнейших компонентов, необходимых для
фотосинтеза. Наиболее удобным способом ее хранения является использование
растворов К₂СО₃ и Na₂CO₃, которые
широко применяются для адсорбции CO₂ из дымовых газов при
производстве сухого льда. При этом карбонат в адсорбере превращается в
бикарбонат,а в регенераторе,обогреваемом водяным паром, он вновь переходит в
карбонат и высвобождает углекислый газ. Наиболее удобен поташный метод, прямая
и обратная реакция для которого приведена ниже:

2KHCO₃ = K₂CO₃ + H₂O
+ CO₂.

При этом в 1 т гидрокарбоната калия может быть
аккумулировано около 270 кг CO₂. Процесс адсорбии растворами
горячего поташа удобен тем, что он идет при атмосферном давлении и температуре
около 75°С. Наиболее целесообразно применять растворы с концентрацией К₂СО₃
порядка 30-40%. Регенерация раствора производится путем нагрева и отдувки CO₂
водяным паром. Для данного процесса может быть использовано отходящее
низкопотенциальное тепло электростанции. В силу того, что получение СО₂
из гидрокарбоната необходимо проводить летом, можно для этого использовать
солнечное тепло.

В настоящее время ТЭЦ являются одними из основных
загрязнителей окружающей среды оксидами азота и серы. В 1990-х гг. ТЭЦ России
выбросили 3.06х10⁶ т SO₂ и 1.64х10⁶ т NOx,
что составляет 26% от общего количества выбросов. Концентрация NOx в дымовых
газах колеблется в пределах 200-1000 мг/м³, концентрация SO₂
достигает 4 г/м³. Извлекаются оксиды азота и серы из дымовых газов с
помощью карбамидного метода, при котором можно достичь практически полной
очистки. ТЭЦ-26, рассмотренная выше, работает на природном газе, поэтому
выбросы соединений серы минимальны.

Как показали расчеты, для получения 1 кг древесной биомассы
необходимо отобрать из дымовых газов 1.5 м³ азота в сутки. Для
обеспечения питания водорослей на плантации площадью 1 га потребуется 200 м³
азота в сутки. При общем выбросе ТЭЦ 90х10⁶ м³ азота в сутки
потребность такой плантации площадью 1000 га будет удовлетворяться полностью.
Концентрированная суспензия водорослей требует для своего роста дополнительного
углеродного питания. Поэтому в гибридную систему необходимо включить установку
для извлечения СО₂ из дымовых выбросов ТЭЦ, прошедших очистку от
оксидов азота и серы. Разработан способ полного насыщения части культуральной жидкости
углекислотой, что дает возможность вносить CO₂ без потерь и в нужном
объеме в жидкую среду.

При рассмотрении системы насыщения питательного раствора
продуктами горения природного газа, используемого на ТЭЦ, содержащими 8.72% CO₂
после очистки от оксидов азота и серы, оказалось, что для системы культиваторов
площадью 1000 га достаточно утилизировать около 1 % выбросов СО₂.

К числу основных промышленных отходов относятся тепловые
выбросы в атмосферу и воду из теплоэнергетических установок, печей, систем
отопления, охлаждения, вентиляции, кондиционирования воздуха и т.д. С одной
стороны, они являются источником вторичных энергоресурсов, с другой – отрицательно
влияют на атмосферные процессы и климат регионов, изменяют биоценоз водоемов и
т.п. Современные электростанции, работающие на органическом топливе, имеют КПД
не выше 40%. Примерно 10% тепловой энергии отводится с уходящими газами и около
50% рассеивается с охлаждающей водой. Для промышленных предприятий такие
тепловые отходы не представляют интереса. Основными потребителями
низкопотенциальных вторичных энергоресурсов могут быть отрасли сельскохозяйственного
производства, в частности тепличные хозяйства, которые могут использоваться по
прямому назначению для выращивания продуктов растениеводства и производства
микроводорослей. Расчеты показывают выгодность частичной замены градирен
водоемом-охладителем, на поверхности которого можно располагать культиваторы с
микроводорослями. В средних широтах водоросли можно выращивать в этих условиях
в течение летнего сезона (с мая по сентябрь). А в случае выращивания
микроводорослей в тепличных комплексах сбросное тепло ТЭЦ способно покрыть до
77% потребностей в тепле, необходимом для поддержания оптимального микроклимата (Алексеев В.В., Гусев A.M., Лямин М.Я. Способ
биоконверсии солнечной энергии в энергию биохимического топлива // Авторское
свидетельство № 1637333 в Госреестре от 22 ноября 1990 г.).
При выращивании биомассы спирулины в теплицах в климатических условиях
умеренного пояса требуется для стандартной плантации площадью 10000 м²
с производительностью 13 т сухой биомассы в год около 5000 Гкал тепловой
энергии и 540 тыс. кВт-ч электроэнергии. В случае использования сбросного тепла
АЭС или ТЭС достигается удешевление производства по крайней мере на 30%.

Для промышленного культивирования биомассы спирулины в
условиях России проведены эксперименты по оптимизации питательных сред с целью
удешевления производства и одновременного поддержания необходимого
биохимического состава биомассы. Определены виды азотных и комплексных удобрений,
дающих устойчивую урожайность и сохраняющих высокое качество биомассы.
Изучалась возможность культивирования биомассы микроводорослей на остатках
метанового сбраживания (шламе) отходов животноводства, что позволяло обеспечить
замкнутость системы «Биосоляр» по основным биогенным элементам (азоту, фосфору,
калию, магнию, железу, микроэлементам). Известен также опыт выращивания
микроводоросли спирулины с использованием отходов животноводства, что позволяет
удешевить процесс производства и облегчить экологическую нагрузку на
территории.

Микроводоросли могут быть использованы как эффективный
поглотитель тяжелых металлов из жидкой среды. В этой области имеется
значительный опыт выращивания спирулины на промышленных и муниципальных сточных
водах. Поскольку АЭС мощностью 1 ГВт требует для своего охлаждения водоем
площадью 30 км², при размещении на его поверхности плантации
микроводорослей со средней урожайностью 10-20 г/м² сухого вещества в
сутки можно получать около 0.1 млн. т сухой биомассы в год. Часть радионуклидов
сбросных вод АЭС (¹⁰Со, ¹³⁴Cs, ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr
и др.) может быть сконцентрирована в биомассе спирулины. При выделении метана
радиоактивные вещества, накопленные водорослями, остаются в отходах метантенков
и исключаются из биологических циклов. Отходы метантенков могут быть направлены
на захоронение или использованы для получения изотопов и микроэлементов. Таким
образом возможно комплексно решать природоохранные вопросы и проблему повышения
эффективности АЭС.

Предлагаемая система культивирования микроводорослей может
быть интегрирована в энергобиологические комплексы, уже работающие на
энергетическом потенциале сбросных теплых вод. Такой комплекс был создан в
начале 1990-х гг. на Курской АЭС ВНИИ «Атомэнергопроект». В систему входили
блоки открытого обогреваемого грунта, рыбохозяйственный, тепличный,
биологической мелиорации водоема-охладителя и блок метаногенеза, работающий на
отходах данного комплексного производства. «Биосоляр» может обеспечивать
подобный энергобиологический комплекс кормовыми добавками (как для
рыбохозяйственного блока, так и для сельскохозяйственных животных), давать
биомассу для производства биологически активных добавок к пище и переработки в
блоке метаногенеза, обеспечивать дополнительное количество удобрений и
биостимуляторов для растений в виде шлама.

Среди методов биологической конверсии биомассы представляют
интерес проекты получения водорода методом биофотолиза с помощью пурпурных
фотосинтезирующих бактерий из органических веществ или восстановленных
неорганических соединений серы, а также с помощью азотфиксирующих цианобактерий
непосредственно из воды. Однако практическое применение энзиматического способа
получения фотоводорода – перспектива весьма отдаленного будущего. Биомасса
может быть использована для получения энергии прямым сжиганием, возможна
термохимическая газификация с получением синтетического газа или жидкого
топлива. Но наиболее реальным и экономичным процессом является биоконверсия с
помощью микроорганизмов. Микробиологическое получение топлива – это анаэробный
процесс, биохимическая суть которого заключается в сбрасывании электронов на
отличные от кислорода акцепторы с образованием восстановленных веществ:
спиртов, кетонов, органических кислот, сероводорода, водорода, метана. Путем
микробиологической переработки растительного сырья могут быть получены и другие
восстановленные продукты, например бутан, ацетон и т.д. для использования в
химической промышленности.

Особый интерес представляет получение газообразного топлива –
водорода и особенно метана. Расчеты показывают, что эффективность запасания
энергии в водороде при брожении не превышает 20-30%, тогда как в метан
переходит более 80% энергии, первоначально заключенной в исходной органике.
Практически любое органическое сырье, за исключением лигнина и восков, может
быть подвергнуто метановому брожению. Наиболее важным сырьем для производства
биогаза может служить так называемая вторичная биомасса, представляющая собой
отходы, которые подлежат очистке и уничтожению. Это коммунальные стоки городов,
отходы микробиологической, пищевой, мясомолочной и других отраслей
промышленности, перерабатывающей органическое сырье, отходы растениеводства,
навоз сельскохозяйственных животных. Самым перспективным направлением такой
переработки биомассы является анаэробное сбраживание навоза, в процессе
которого 40-50% твердого вещества навоза превращается в метан и углекислый газ.
Относительная доля аммиака в общем количестве азота увеличивается с 27 до 48%,
а доля органического азота – с 4 до 5.1%. Это позволяет считать метановое сбраживание
эффективным способом очистки сточных вод, снижающим загрязнение окружающей
среды с одновременным получением энергии и высококачественного, экологически
чистого удобрения, в состав которого входят гумусоподобные органические
вещества, способствующие улучшению структуры почвы и повышению ее плодородия.
Поэтому при расчете экономического эффекта биогазовых установок следует
учитывать, кроме топливной составляющей, еще и природоохранный эффект, а также
эффект от использования сброженного шлама как товарного продукта для удобрения
почвы или в качестве корма. Производство биогаза становится экономически
оправданным, когда метантенк работает на переработке существующего потока
отходов или иной биомассы. Примерами подобных отходов могут быть стоки канализационных
систем, животноводческих комплексов, скотобоен и т.п. Экономичность в этом
случае связана с тем, что нет необходимости в предварительном сборе исходного
сырья, организации и управлении процессом его подачи. Таким образом,
технология, основанная на микробиологической переработке сельскохозяйственных
отходов в анаэробных условиях (метановое сбраживание), позволяет решать
проблемы экологического, энергетического и агрохимического характера и служит
основой для создания в сельскохозяйственном производстве безотходных
экологически чистых технологий.

Специальное выращивание биомассы в виде микроскопических
водорослей с последующим ее перебраживанием в спирт или метан позволяет создать
искусственный аналог процесса образования органических топлив, превосходящий по
скорости естественные процессы во многие миллионы раз. Соотношение между
величиной первичной биологической продукции и веществом, захороненным и
сохранившимся в морских осадках, составляет 1000:1. Создание специальных
условий может во много раз ускорить образование топлива. КПД фотосинтеза
благодаря оптимизации питания биогенными элементами, температуры и
перемешивания может быть увеличен от 1.1 до 10%. В процесс переработки биомассы
в газ и нефть может быть включено все вещество, а не 0.001 его часть, как
происходит в природе, то есть естественный процесс образования углеводородов
может быть значительно интенсифицирован. С этой точки зрения большой интерес
вызывает одноклеточная водоросль ботриококкус, содержание углеводородов в
которой достигает 80% от сухого веса. Углеводороды локализуются в основном на
наружной поверхности клеток, и, следовательно, их можно удалять простым
механическим способом или, например, применяя центрифуги, причем клетки при
этом не разрушаются и их можно возвращать обратно в культиватор. Состав
углеводородов, продуцируемых ботриококкусом, позволяет использовать их в
качестве источника энергии или как сырье в нефтехимической промышленности
(непосредственно или после неполного крекинга). После гидрокрекинга на выходе
получается 65% газолина,15% авиационного топлива, 3% остаточных масел.

Рис. 2. Схема гибридной системы для получения электроэнергии
и моторного топлива (этанола).

Стремление к наиболее рациональному использованию биомассы в
качестве источника энергии с учетом проблемы загрязнения окружающей среды
приводит к анализу комбинированных гибридных систем. На рис. 2 приведена одна
из возможных схем гибридной системы, включающей энергетические плантации и
установку «Биосоляр». Подобная система предпочтительна во многих отношениях.
Например, известно, что значительное количество загрязнений, поступающих в
окружающую среду, дает транспорт. В разных странах величина выбросов СО₂
в атмосферу от транспортных средств колеблется от 20 до 30% общего количества
выбросов. При этом усложняется задача уменьшения поступления диоксида углерода
в атмосферу, так как дымовые газы на стационарных установках могут быть очищены
от СО₂, в то время как для автотранспорта эта задача оказывается
практически неразрешимой. Однако создание гибридных систем, сочетающих в себе
возможности для выработки электроэнергии и производства моторного топлива,
позволяет частично решить проблему уменьшения загрязнения атмосферы парниковыми
газами. Приведенная на рис. 2 схема замкнута по всем биогенным элементам, кроме
углерода, который забирается из атмосферы через энергетический лес. Он же
выбрасывается в атмосферу при сжигании полученного топлива, например транспорным
средством. Однако поскольку углерод используется в данной схеме дважды – при
получении электроэнергии и моторного топлива – данная система приводит к
уменьшению углекислоты в атмосфере Земли.

«Энергия» 2005, № 6. С. 20-28.