Замість нафти і газу — біомаса

За останнє століття видобуток нафти у світі зріс майже в 20 разів і продовжує зростати досить швидко. За оцінками фахівців, протягом 40—50 років запаси вуглеводнів будуть практично вичерпані. Тому в багатьох країнах велика увага приділяється пошуку шляхів використання енергії, яка накопичується рослинами за рахунок фотосинтезу, для технічних потреб, зокрема для заміни традиційного рідкого палива на автотранспорті біопаливом (етанолом і біодизелем). Світовим лідером з виробництва і споживання паливного етанолу вже понад два десятиліття є Бразилія, де його виробництво становить половину світового, і вагома частина автотранспорту працює на чистому (95%) етанолі або на суміші етанолу (25%) з бензином (75%). Виробництво біопалив для двигунів внутрішнього згорання швидко розвивається в США і в багатьох європейських країнах (насамперед в Іспанії і Франції).

Використання енергії біомаси в Україні перебуває в зародковому стані, хоча умови для її освоєння (особливості клімату, потенціал аграрного сектора економіки, наявність робочої сили) досить сприятливі. Тому цілком природним здається формування весною поточного року цільової комплексної програми наукових досліджень НАН України «Біомаса як паливна сировина» («Біопалива»). Наскільки можна судити за концепцією програми, її автори бачать єдино можливий шлях використання біомаси для автотранспорту — той, яким йдуть країни-лідери цього напряму (будемо називати цей варіант традиційним). Отже, виникає запитання: чи можливі інші варіанти використання біомаси для автотранспорту?

В Інституті технічної теплофізики (ІТТФ) НАН України розроблені спосіб і пристрій для енерготехнологічної переробки біомаси (деревини, соломи, соняшникового лушпиння та ін.). Внаслідок такої переробки одержують два продукти: горючий газ і деревне вугілля (напівкокс), що являє собою практично беззольне високореакційне тверде паливо. Тут важливо підкреслити, що напряму використовувати біомасу, зокрема деревину, в найдосконаліших, сучасних пиловугільних котлах дуже важко, якщо взагалі можливо. Річ у тому, що пилова технологія спалювання передбачає обов’язкове подрібнення палива до частинок розміром ~ 200 мкм, а млини, якими обладнані пиловугільні енергоблоки, абсолютно непридатні для розмелювання біомаси (наприклад деревних відходів), але легко справляються з подрібненням деревного вугілля. Крім того, для стабілізації горіння пиловугільного палива використовується «підсвічування» смолоскипа дефіцитним і дорогим природним газом, але його цілком можна замінити дешевим і доступним пальним, яке утворюється під час енерготехнологічної переробки біомаси за технологією ІТТФ.

Таким чином, стає можливим широке використання біомаси (точніше, продуктів її енерготехнологічної переробки) для виробництва електроенергії за найдосконалішою технологією. Добре, скаже читач, ви пропонуєте виробляти додаткову електроенергію з біомаси, але ж вище йшлося про використання енергії біомаси для автотранспорту! Протиріччя тут немає: коли говорити не про сьогоднішній, а про завтрашній день, то досить ймовірно, що автомобілі з двигунами внутрішнього згорання поступово витіснятимуться електромобілями. Отже, цілком реальним здається альтернативний варіант використання енергії біомаси: енерготехнологічна переробка біомаси, виробництво електроенергії і її пряме застосування на транспорті (сьогодні — це метро, тролейбуси, трамваї, електровози, а завтра ще й безліч електромобілів).

Цікаво порівняти показники традиційного й альтернативного варіантів. Випробування установки ІТТФ для енерготехнологічної переробки біомаси показали, що її ККД (тобто відношення теплотворної здатності продуктів переробки до теплотворної здатності вихідної сировини) порядку 90%. Припустімо, що ККД перетворення «біомаса — біопаливо» такий самий. Найкращі сучасні транспортні двигуни внутрішнього згорання мають ККД не більш ніж 40%. Таким чином, традиційний варіант використання біомаси може забезпечити підсумковий ККД не більш як 36%. Для оцінки можливостей альтернативного варіанта припустимо, що електроенергія, яка використовується в електромобілях, виробляється на ТЕЦ із ККД ~75%. Оскільки втрати енергії в електродвигуні мізерно малі, ККД альтернативного варіанта ~ 67%, тобто мало не вдвічі вище. Що стосується екологічного аспекту, то, очевидно, спалювання продуктів переробки біомаси у великих сучасних котельних установках із потужними системами очищення продуктів згорання менше забруднюватиме навколишнє середовище, ніж використання біопалива у двигунах внутрішнього згорання.

Ще одна беззастережна перевага альтернативного варіанта під час порівняння його з традиційним полягає в тому, що у хід може йти вся біомаса (наприклад: стебла соняшника, кукурудзи, гілки дерев, святкові ялинки тощо). У традиційному варіанті — лише відносно невелика частина біомаси (зерна кукурудзи, сої, рапсу, тощо), причому та, яка може бути використана для виробництва харчових продуктів для людей.

На завершення — ще одне міркування на користь альтернативного варіанта. Відомо, що опалювальні котельні і ТЕЦ, як правило, працюють на природному газі, оскільки спалювання високозольного вугілля призвело б до значних викидів леткої золи в атмосферу. Але в деревному вугіллі вміст золи не перевищує одного-двох відсотків (і майже немає сірки), тож його спалювання в котельнях і на ТЕЦ, розташованих у містах, цілком можливе. Цей захід дозволив би помітно скоротити споживання природного газу для енергетичних потреб і заощадити чималі кошти.

Дуже вигідно використовувати альтернативний варіант використання біомаси у великих містах, де її накопичується велика кількість і є багато опалювальних котлів. Розрахунки показують: коли використовувати альтернативний варіант для утилізації біомаси, яка накопичується в м. Києві (деревна частина міського сміття, обрізки дерев тощо — усього понад 24 тис. м³ на рік), то можна практично задарма мати щорічно дохід у розмірі понад 1 млн. дол. При використанні в пиловугільних котлах деревного підсвічування за альтернативним варіантом можна скоротити на 13—15% витрату природного газу, що використовується вугільними електростанціями на підсвічування.

І останнє. Зважаючи на те, що установка ІТТФ для енерготехнологічної переробки вже створена (пройшла промислові випробування), а також те, що отримані продукти переробки можуть ефективно спалюватися в існуючих енергетичних установках, можна сподіватися, що альтернативний варіант використання біомаси матиме широке застосування як у нашій країні, так і за кордоном. Це дозволить Україні без великих витрат швидко опанувати потужне невичерпне джерело альтернативної енергії.