Вместо нефти и газа — биомасса

За последнее столетие добыча нефти в мире выросла почти в 20 раз и продолжает расти достаточно быстро. По оценкам специалистов, в течение 40—50 лет запасы углеводородов будут практически исчерпаны. Поэтому во многих странах большое внимание уделяется поиску путей использования энергии, накапливаемой растениями за счет фотосинтеза, для технических потребностей, в частности для замены традиционного жидкого топлива на автотранспорте биотопливом (этанолом и биодизелем). По производству и потреблению топливного этанола мировым лидером уже более двух десятилетий является Бразилия, где его производство составляет половину мирового, и значительная часть автотранспорта работает на чистом (95%) этаноле либо на смеси этанола (25%) с бензином(75%). Производство биотоплив для двигателей внутреннего сгорания быстро развивается в США и во многих европейских странах (прежде всего в Испании и Франции).

Использование энергии биомассы в Украине находится в зачаточном состоянии, хотя условия для ее освоения (особенности климата, потенциал аграрного сектора экономики, наличие рабочей силы) достаточно благоприятны. Поэтому вполне естественным представляется формирование весной текущего года целевой комплексной программы научных исследований НАН Украины «Биомасса как топливное сырье» («Биотоплива»). Насколько можно судить по концепции указанной программы, ее авторы видят единственно возможный путь использования биомассы для автотранспорта — тот, по которому идут страны-лидеры этого направления (будем называть этот вариант традиционным). В связи с этим возникает вопрос: возможны ли другие варианты использования биомассы для автотранспорта?

В Институте технической теплофизики (ИТТФ) НАН Украины разработаны способ и устройство для энерготехнологической переработки биомассы (древесины, соломы, подсолнечной лузги и др.). В результате такой переработки получают два продукта: горючий газ и древесный уголь (полукокс), который представляет собой практически беззольное высокореакционное твердое топливо. Здесь важно подчеркнуть, что прямое использование биомассы, в частности древесины в наиболее совершенных, современных пылеугольных котлах сопряжено со значительными трудностями, если вообще возможно. Дело в том, что пылевая технология сжигания предусматривает обязательное измельчение топлива до частиц размером ~ 200 мкм, а мельницы, которыми оборудованы пылеугольные энергоблоки, абсолютно непригодны для размола биомассы (например, древесных отходов), но легко справляются с измельчением древесного угля. Кроме того, для стабилизации горения пылеугольного топлива используется «подсветка» факела дефицитным и дорогостоящим природным газом, но его вполне можно заменить дешевым и доступным горючим, который получается при энерготехнологической переработке биомассы по технологии ИТТФ.

Таким образом, открывается возможность широкого использования биомассы (точнее, продуктов ее энерготехнологической переработки) для производства электроэнергии по наиболее совершенной технологии. Хорошо, скажет читатель, вы предлагаете производить дополнительную электроэнергию из биомассы, но ведь выше речь шла об использовании энергии биомассы для автотранспорта! Противоречия здесь нет: если говорить не о сегодняшнем, а о завтрашнем дне, то весьма вероятно, что автомобили с двигателями внутреннего сгорания будут постепенно вытесняться электромобилями. Таким образом, вполне реальным представляется альтернативный вариант использования энергии биомассы: энерготехнологическая переработка биомассы, производство электроэнергии и ее прямое использование на транспорте (сегодня — это метро, троллейбусы, трамваи, электровозы, а завтра еще и бесчисленное множество электромобилей).

Интересно сравнить показатели традиционного и альтернативного вариантов. Испытания установки ИТТФ для энерготехнологической переработки биомассы показали, что ее КПД (т.е. отношение теплотворной способности продуктов переработки к теплотворной способности исходного сырья) порядка 90%. Допустим, что КПД превращения биомасса — биотопливо таков же. Лучшие современные транспортные двигатели внутреннего сгорания имеют КПД не более 40 %. Таким образом, традиционный вариант использования биомассы может обеспечить итоговый КПД не более 36%. Для оценки возможностей альтернативного варианта предположим, что электроэнергия, которая используется в электромобилях, вырабатывается на ТЭЦ с КПД ~ 75%. Поскольку потери энергии в электродвигателе ничтожно малы, КПД альтернативного варианта ~ 67%, т.е. чуть ли не вдвое выше. Что касается экологического аспекта, то, очевидно, сжигание продуктов переработки биомассы в крупных современных котельных установках с мощными системами очистки продуктов сгорания приведет к меньшему загрязнению окружающей среды, чем использование биотоплива в двигателях внутреннего сгорания.

Еще одно безоговорочное преимущество альтернативного варианта при сравнении его с традиционным состоит в том, что «в дело» может идти вся биомасса (например: стебли подсолнечника, кукурузы, ветки деревьев, праздничные елки и т.д.). В традиционном варианте — лишь относительно небольшая часть биомассы (зерна кукурузы, сои, рапса и т.д.), причем та, которая может быть использована для производства пищевых продуктов для людей.

В заключение — еще одно соображение в пользу альтернативного варианта. Известно, что отопительные котельные и ТЭЦ, как правило, работают на природном газе, поскольку сжигание высокозольного угля привело бы к выбросу значительных количеств летучей золы в атмосферу. Но в древесном угле содержание золы не превышает одного-двух процентов (и почти нет серы), так что его сжигание в котельных и на ТЭЦ, расположенных в городах, вполне возможно. Эта мера позволила бы заметно сократить потребление природного газа для энергетических нужд и сэкономить значительные средства.

Весьма выгодно использовать альтернативный вариант использования биомассы в крупных городах, где скапливается большое количество биомассы и имеется много отопительных котлов. Расчеты показывают: если использовать альтернативный вариант для утилизации биомассы, которая скапливается в г. Киеве (древесная часть городского мусора, обрезки деревьев и т.д. — всего более 24 тыс. м³ в год), то можно практически даром иметь ежегодно доход в размере более 1 млн. долл. При использовании в пылеугольных котлах древесной подсветки по альтернативному варианту можно сократить на 13—15% расход природного газа, который используется угольными электростанциями на подсветку.

И последнее. Учитывая то, что установка ИТТФ для энерготехнологической переработки уже создана (прошла промышленные испытания), а также то, что полученные продукты переработки могут эффективно сжигаться в существующих энергетических установках, можно надеяться, что альтернативный вариант использования биомассы найдет широкое применение как в нашей стране, так и за рубежом. Это позволит Украине без больших затрат быстро овладеть мощным неисчерпаемым источником альтернативной энергии.