Энергетическое использование биомассы
В последние годы в мире возникла большая заинтересованность в использовании биомассы для выработки тепловой и электрической энергии, ее вовлечение в топливно-энергетический баланс регионов и стран в целом. Об этом говорят многочисленные исследования в странах Европейского союза и США, направленные на выявление оптимальных путей использования биомассы в энергетике, а также в России.
Интерес к широкому использованию биомассы определен следующими основными обстоятельствами.
1. Экологическими, связанными с необходимостью решения, в том числе, глобальных климатологических задач.
2. Необходимостью снижения потребления невозобновляемых источников энергии (газ, нефть, уголь), активно истощаемых в обозримом будущем, и заменой их возобновляемыми источниками.
Масштабное использование природных энергетических ресурсов для производства энергии на тепловых электрических станциях приводит к значительному загрязнению природной окружающей среды такими вредными выбросами в атмосферу, как диоксид углерода (СО2), оксиды серы (SO2 и др.), азота (NОх), а также твердой пылевзвеси. Обычный каменный уголь выделяет, например, около 3 т СО2 на каждую тонну сожженного топлива. В то же время такой выброс, как СО2, является основным компонентом парникового газа. Несмотря на то, что климатологи мира не могут окончательно договориться о причинах глобального потепления (за 100 лет на 0,6 °С, а по различным сценариям к концу столетия температура на планете может возрасти на 1,5…2 и даже 6 °С) международными экологическими протоколами на уровне ООН для стран–производителей энергии устанавливаются ограниченные квоты на массовые выбросы СО2. Такие протоколы приняты в Монреале, Рио-де-Жанейро и Киото. Известно, что доля США, например, составляет 35 % мировых выбросов углекислого газа, а в России – 17 %.
Киотский протокол предусматривает добровольное обязательство стран с развитой экономикой с 2008 по 2012 годы увеличивать выбросы СО2 не более 5,2 % по сравнению с уровнем 1990 г.
Если страна-участница протокола сократит выбросы сверх утвержденной нормы, она может продать сэкономленные выбросы условного топлива «перебравшим» лимиты государствам. Те же государства, которые «выбросили» слишком много парниковых газов, должны будут либо купить квоты, либо заплатить штраф. Санкции могут быть настолько большими (до 300…400 долларов за каждую лишнюю тонну углекислого газа), что странам-нарушителям придется или тратить огромные деньги на техническое перевооружение, или закрывать энергозатратные производства. По расчетным прогнозам цена квоты за тонну углекислого газа может составлять от 5 до 80 евро. Энергетика в России эмитирует до 45 % парниковых газов.
РАО «ЕЭС России» в 2001 г. учредило для участия в разработке механизма переуступки квот на сэкономленные выбросы специальный некоммерческий Углеродный фонд России. Фонд собирает заявки от Российских компаний для участия в тендерах на продажу сертифицированных квот на выбросы парниковых газов. Рациональными путями снижения выбросов СО2, повышения экологической безопасности при производстве энергии являются:
– повышение эффективности использования органического топлива;
– активное внедрение энергосберегающих технологий;
– использование биомассы как энергетического топлива.
При этом использование биомассы является одним из радикальных путей решения проблемы снижения выбросов парниковых газов (СО2) в топливоиспользующих установках, а также снижения выбросов других вредных ингредиентов:
– деревья и растения, составляющие основной состав биомассы, сами поглощают выбросы СО2, т.е. в них происходит рециркуляция: сколько СО2 поглощено, столько и выделяется при сжигании и при этом не увеличивается его содержание в атмосфере;
– в биомассе практически нет серы, малое содержание азота и золы.
Кроме того, эффективное использование биомассы как энергетического топлива снижает негативное ее влияние на окружающую среду от гниения, сжигания в случайных установках и условиях с целью очистки от них и др.
Используя механизмы финансирования, в соответствии с Киотским протоколом, например Санкт-Петербургский лесопромышленный концерн «Лемо», подготовил проект замены угольной ТЭС на энергоузел, работающий на биотопливе. Энергоузел будет обслуживать комбинат по производству пиломатериалов на территории Сясьского ЦБК. Это предприятие будет использовать технологию полного цикла утилизации промышленных отходов в биологически чистое топливо для выработки электроэнергии. Этот проект, как и три других проекта (перевод Амурской ТЭЦ «Хабаровскэнерго» с угля на газовое топливо; совершенствование системы централизованного теплоснабжения на Улан-Удэнской ТЭЦ-1; энергосберегающий проект Невинномысской ГРЭС), принят Углеродным фондом России (РАО «ЕЭС») для участия в тендерах на продажу сертифицированных квот на выбросы парниковых газов.
Другим стимулом использования биомассы в энергетике является вовлечение ее, как источника химической энергии, в топливно-энергетический баланс в качестве возобновляемого источника в структурно-энергетическом балансе (наряду с механической энергией гидро- и ветроэнергетики, тепловой энергией градиента температур и геотермальных установок).
Известно, что уже в обозримом будущем человечество может начать испытывать дефицит в природных энергетических ресурсах. С учетом темпов их наращивания, обеспеченность в мире запасами органических топлив при существующих темпах ежегодного спроса на электроэнергию в цивилизованных странах 2,5…3 % в год составляет (по разным источникам): нефти 25–48 лет; газа 35–64 года; угля 228–330 лет (кстати, запасы урана также могут быть исчерпаны в 30–60 лет).
В то же время последними исследованиями установлено, что экономически оправданное использование биомассы, как энергетического топлива, позволяет покрыть 26 % мировой энергетической потребности.
При этом, как показано, за счет использования биомассы в качестве возобновляемого источника энергии сохраняются природные ресурсы, в значительной степени решается проблема выбросов СО2, повышается экологическая безопасность за счет снижения вредных выбросов.
Между тем существуют факторы, препятствующие широкому внедрению биомасс:
– недоступность определенной доли растительных ресурсов для рентабельного использования;
– распределение некоторых видов биомасс относительно мелкими партиями, трудность их сбора (концентрации) и транспортировки;
– сезонность рынка некоторых биомасс, особенно годичного цикла;
– трудности длительного хранения биомасс;
– сложившийся стереотип и отсутствие в нашей стране законодательного и экономического стимулирования.
Растительные биомассы считаются одним из наиболее «благородных» видов топлива и во многих странах рассматриваются, как перспективный источник энергии на ближайшее будущее. Ежегодный воспроизводимый потенциал биомасс оценивается в 10 раз выше мировой добычи полезных ископаемых. При этом, однако, необходимо учитывать, что доступность и экономическая целесообразность использования разных видов биомасс различна [4]. И все же, в конечном счете, при любом способе энергетического использования биомасс как возобновляемых источников энергии:
– сохраняются природные ресурсы;
– кардинально решается проблема выбросов парникового газа СО2;
– уменьшается загрязнение атмосферы выбросами SO2, NОх, золы;
– снижается стоимость вырабатываемой энергии.
Все это делает весьма перспективной проблему использования биомасс в энергетике.
Однако следует учитывать, что ряд их характеристик имеют уникальные особенности и кардинально отличаются от освоенных и используемых в энергетике углей. Это обстоятельство ограничивает и затрудняет их использование и требует разработки и внедрения нового оборудования и модернизации существующего.
Указанным обстоятельствам по внедрению и оптимизации способов использования биомассы как возобновляемого источника энергии в крупной энергетике в последнее время стали активно уделять внимание во многих странах мира. Об этом говорят многочисленные публикации в разных изданиях. К сожалению, в России этим вопросам уделено пока недостаточно внимания. Однако в малой (промышленной) энергетике и в России выполнен большой комплекс исследований и разработок по использованию биомасс различного происхождения.
При этом следует иметь в виду, что по запасам биомассы Россия занимает первое место в мире, а лесные запасы уже сами по себе оказывают благотворный экологический эффект на климат всей планеты.
Особой актуальностью этой проблемы обеспокоено Европейское сообщество, которое даже вступление России во Всемирную торговую организацию (ВТО) обусловило необходимостью ратификации Россией Киотского протокола (и принятие в соответствии с ним обязательств по снижению вредных выбросов).
Хотя обеспокоенности по отношению к запасам угля не существует (по сравнению с ограниченными запасами нефти и газа, которые не смогут быть использованы как энергетическое топливо в ближайшем будущем, запасов угля может хватить на многие сотни лет), однако его использование в энергетике (объемы использования постоянно растут) создает проблему совместимости существующих технологий его сжигания и окружающей среды.
Сжигание угля вызывает значительные выбросы в атмосферу таких вредных веществ, как SОx, NОx, золовые частицы, тяжелые металлы, а также увеличивает массовые выбросы относительно безвредного но создающего парниковый эффект диоксида углерода (СО2).
Уже в течение многих лет общественность озабочена выбросами в атмосферу таких загрязнений, как SОx, NОx, золовые частицы и тяжелые металлы. В 2004 г. разработаны нормы для регламентирования выбросов тяжелых металлов, что потребует новых затрат для их соблюдения. При этом будет осуществлен переход на ограничение выбросов микрочастиц (2,5 микрона и менее), так как в них концентрируется содержание вредных тяжелых металлов (ртути и др.). Эти нормы потребуют значительно более совершенных и дорогостоящих способов очистки газа. Особое внимание в последнее десятилетие будет уделяться в дальнейшем и выбросам диоксида углерода (СО2) – конечного продукта сжигания ископаемого топлива. Это объясняется главным образом его влиянием на изменение климата. Вред природе наносят не сами выбросы СО2, а их накопление в атмосфере. Согласно [34], проведенные измерения показали, что концентрация СО2 в атмосфере выросла с 280 ррm (в так называемый доиндустриальный период, середина XVIII в.) до 370 ррm в 2003 г. Более половины выбросов СО2, образовавшихся при сжигании ископаемых топлив, не поглощается биосферой и поверхностью океана, а накапливается в атмосфере. Темп роста концентрации СО2 составляет 47 ррm/год.
В таком случае даже при умеренном росте мировой экономики (не превышающем 2 % в год) концентрация СО2 в атмосфере к 2050 г. превысит 500 ррm. Для прекращения роста концентрации СО2 в атмосфере необходимо в ближайшие 10–20 лет снизить его выбросы до уровня в 3 раза ниже уровня выбросов 1990 г.
Использование растительной биомассы выгодно отличается от углеводородного сырья своими экологическими достоинствами (малая зольность, практическое отсутствие серы и, безусловно, – снижение парникового эффекта) и позволяет в значительной мере решить эту климатологическую и экологическую проблему.
