Закон Республики Беларусь об энергосбережении

Размещено на http://www.allbest.ru/

понятие энергосбережения, согласно «Закону РБ об энергосбережении»

ЗАКОН РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ ОБ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИИ

Принят Палатой представителей 19 июня 1998 года Одобрен Советом Республики 29 июня 1998 года

Настоящим Законом регулируются отношения, возникающие в процессе деятельности юридических и физических лиц в сфере энергосбережения в целях повышения эффективности использования топливно-энергетических ресурсов, и устанавливаются правовые основы этих отношений.

Энергосбережение является приоритетом государственной политики в решении энергетической проблемы в Республике Беларусь.

ГЛАВА 1. Общие положения

Статья 1. Основные понятия

В настоящем Законе применяются следующие основные понятия:

энергосбережение - организационная, научная, практическая, информационная деятельность государственных органов, юридических и физических лиц, направленная на снижение расхода (потерь) топливно-энергетических ресурсов в процессе их добычи, переработки, транспортировки, хранения, производства, использования и утилизации;

топливно-энергетические ресурсы - совокупность всех природных и преобразованных видов топлива и энергии, используемых в республике;

вторичные энергетические ресурсы - энергия, получаемая в ходе любого технологического процесса в результате недоиспользования первичной энергии или в виде побочного продукта основного производства и не применяемая в этом технологическом процессе;

эффективное использование топливно-энергетических ресурсов - использование всех видов энергии экономически оправданными, прогрессивными способами при существующем уровне развития техники и технологий и соблюдении законодательства;

рациональное использование топливно-энергетических ресурсов - достижение максимальной эффективности использования топливно-энергетических ресурсов при существующем уровне развития техники и технологий и соблюдении законодательства;

показатель энергоэффективности - научно обоснованная абсолютная или удельная величина потребления топливно-энергетических ресурсов (с учетом их нормативных потерь) на производство единицы продукции (работ, услуг) любого назначения, установленная нормативными документами;

нетрадиционные и возобновляемые источники энергии - источники электрической и тепловой энергии, использующие энергетические ресурсы рек, водохранилищ и промышленных водостоков, энергию ветра, солнца, редуцируемого природного газа, биомассы (включая древесные отходы), сточных вод и твердых бытовых отходов;

пользователи топливно-энергетических ресурсов - субъекты хозяйствования независимо от форм собственности, зарегистрированные на территории Республики Беларусь в качестве юридических лиц или предпринимателей, осуществляющих свою деятельность без образования юридического лица, а также другие лица, которые в соответствии с законодательством Республики Беларусь имеют право заключать хозяйственные договоры, и граждане, использующие топливно-энергетические ресурсы;

производители топливно-энергетических ресурсов - субъекты хозяйствования независимо от форм собственности, зарегистрированные на территории Республики Беларусь в качестве юридических лиц, для которых любой из видов топливно-энергетических ресурсов, используемых в республике, является товарной продукцией.

Статья 2. Законодательство об энергосбережении

Законодательство Республики Беларусь об энергосбережении состоит из настоящего Закона и иных актов законодательства Республики Беларусь, регулирующих вопросы энергосбережения.

Статья 3. Субъекты отношений в сфере энергосбережения

Субъектами отношений в сфере энергосбережения являются юридические и физические лица (пользователи и производители топливно-энергетических ресурсов), осуществляющие следующие виды деятельности:

добычу, переработку, транспортировку, хранение, производство, использование и утилизацию всех видов топливно-энергетических ресурсов;

производство и поставку энергогенерирующих и энергопотребляющих оборудования, машин, механизмов, материалов, а также приборов учета, контроля и регулирования расхода топливно-энергетических ресурсов;

проведение научно-исследовательских, опытно-конструкторских, опытно-технологических, экспертных, специализированных, монтажных, наладочных, ремонтных и других видов работ (услуг), связанных с повышением эффективности использования и экономии топливно-энергетических ресурсов;

реализацию мероприятий, связанных с развитием и применением нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, использованием вторичных энергетических ресурсов;

информационное обеспечение юридических и физических лиц, подготовку кадров для сферы энергосбережения;

разработку и внедрение эффективных систем управления энергосбережением и средств контроля за эффективным использованием топливно-энергетических ресурсов.

Статья 4. Международное сотрудничество в сфере энергосбережения

Республика Беларусь принимает участие в международном сотрудничестве в сфере энергосбережения в соответствии с законодательством Республики Беларусь и международным правом.

Основными направлениями международного сотрудничества в сфере энергосбережения являются:

взаимовыгодный обмен с иностранными и международными организациями энергоэффективными технологиями;

участие Республики Беларусь в реализации международных проектов в области энергосбережения;

приведение показателей энергоэффективности, предусмотренных нормативными документами по стандартизации Республики Беларусь, в соответствие с требованиями международных стандартов.

Что такое биомасса

Откуда берется биомасса?

Энергия биомассы - это солнечная энергия, которая сохраняется в клетках растений и животных в химической форме. Этот вид сохранения энергии один из самых ценных на Земле. Биомасса дает нам не только пищу, но и энергию, строительные материалы, бумагу, лекарства, ткани и химические вещества.

Человек стал применять биомассу как источник энергии с тех пор, как он обнаружил огонь. Сегодня топлива из биомассы можно использовать для широкого круга задач, начиная с отопления помещений и заканчивая приведением в движение автомобиля и питанием компьютера.

Рис. 1

Углекислый газ из атмосферы и вода с поверхности земли под действием солнечного излучения участвуют в процессе фотосинтеза, в результате чего получаются углеводы - строительный материал для биомассы. Солнечная энергия, которая приводит в действие процесс фотосинтеза, сохраняется в виде химических связей структурных компонентов биомассы. При сжигании биомассы (освобождении энергии, сохраненной в химических связях) кислород из атмосферы соединяется с углеродом из растений, образую углекислый газ и воду. Таким образом, происходит круговорот углерода.

Биомасса является значимым и полезным ресурсом для человечества. На протяжении тысячелетий человек использовал солнечную энергию, запасенную растениями в виде энергии химических связей. Люди сжигали биомассу как топливо, употребляли растения в пищу, чтобы получить энергию углеводов. Позднее, на протяжении последних нескольких столетий, человечество стало использовать окаменевшую биомассу - уголь. Уголь появляется в результате медленных химических превращений углеводных полимеров в химическое соединение, напоминающее по составу лигнин. Таким образом, химических связей в угле становится больше, а, следовательно, возрастает концентрация энергии. Все топлива, которые мы потребляем (уголь, нефть, природный газ) являются просто-напросто доисторической биомассой. На протяжении миллионов лет умирающие растения погружались вглубь земли, превращаясь в эти ценные топлива. Но, не смотря на то, что состав ископаемых топлив аналогичен составу свежей биомассы, - кислород и углерод - они не считаются возобновляемыми, так как на их образование уходит очень много времени.

Влияние на окружающую среду является вторым значительным отличием биомассы от ископаемых топлив. В процессе гниения большая часть химических веществ, составляющих растение, освобождается и попадает обратно в атмосферу. Тогда как ископаемые топлива находятся глубоко под землей и не влияют на состояние атмосферы, пока они не будут сожжены, в результате чего в атмосферу попадет все то вещество, которое накапливалось в земле миллионами лет.

Самый известный пример биомассы - древесина. В процессе сгорания древесины освобождается энергия, полученная деревом от солнца. К биомассе относится не только древесина. Это отходы сельского хозяйства (жмых сахарного тростника, корни и стебли кукурузы, рисовая шелуха, солома, ореховая скорлупа), отходы деревообработки (опилки, обрезки досок, стружки), использованная бумага, специальные посадки (быстрорастущие деревья, например, тополя, ивы и травы, такие как просо), метан, выделяемый свалками, городские сточные воды, навоз скота.

биомасса переработка генератор топливо

Рис. 2

Использование биомассы в мире

Считается, что биомасса станет ключевым возобновляемым источником в будущем, как на микро так и на макро уровне. Уже сегодня биомасса дает 14% всей потребляемой энергии. Для трех четвертей мирового населения, которое живет в развивающихся странах, биомасса является самым важным источником энергии. Ожидается, что в связи с увеличением численности населения и истощением ископаемых ресурсов спрос на биомассу в развивающихся странах значительно увеличится. В среднем, в развивающихся странах биомасса составляет 38% от всех источников первичной энергии.

В развитых странах использование биомассы увеличивается с каждым годом. Этот рост опирается на технологические решения в области использования биомассы. В некоторых странах, таких как Швеция и Австрия, доля биомассы довольно значительная - 15%. Швеция планирует увеличивать использование биомассы и постепенно отказаться от сжигания ископаемых топлив и ядерной энергии. В США доля биомассы составляет 4% (приблизительно равно доле ядреной энергии). Там установлено более 9 000 МВт электростанций, работающих на биомассе. Использование биомассы способно покрыть более 20% потребности в первичной энергии США. Другими словами, благодаря большому количеству доступной земли и сельскохозяйственной инфраструктуре биомасса в США может заменить все ядерные электростанции. Более того, если использовать биомассу для получения этанола, можно на 50% сократить импорт нефти. Некоторые основные данные по биомассе:

1. Общая масса живой материи - 2 000 млрд. тонн. 2. Общая масса наземных растений 1 800 млрд. тонн. 3. На одного человека приходится 400 тонн биомассы. 4. Энергия, связанная в земной биомассе составляет 25 000 ЭДж (экза- 2 в степени 60). 5. Ежегодно на Земле появляется 400 000 млн. тонн биомассы. 6. В биомассе произрастающей на земле связывается 3 000 ЭДж ежегодно (95 ТВт). 7. Каждый год человечество потребляет 400 ЭДж (12 ТВт) энергии. 8. Доля биомассы в этом потреблении - 55 ЭДж в год (1.7 ТВт).

Состав и энергетическая ценность

Химический состав биомассы различается в зависимости от ее вида. Растения состоят на 25% из лигнина и на 75% из углеводов. Углеводы построены из разных сахарных молекул, соединенных друг с другом в длинные цепи или полимеры. Существуют две большие группы углеводов, имеющих существенную ценность - это целлюлоза и гемицеллюлоза. Лигнин состоит из молекул, которые не содержат сахаров. Природа использует длинные полимеры целлюлозы для построения волокон, придающих растениям их силу. Лигнин играет роль клея, который соединяет целлюлозные волокна.

Когда говорят об энергетическом потенциале биомассы, имеют в виду все материалы, полученные из растений: древесину, травы, отходы деревообработки и уборки зерновых, навоз и т.д. Так как биомасса сухое топливо, ее можно сравнить с углем. Теплотворная способность сухой биомассы изменяется в диапазоне от 17.5 ГДж/тонну для различных трав, например, соломы, до почти 20 ГДж/тонну для древесины. Соответствующие значения для битумных углей и лигнина составляют 30 и 20 ГДж/тонну соответственно. При заготовлении биомасса содержит довольно много жидкости: от 8-20% для соломы, 30-60% для древесины до 75-90% для навоза и 95% для водного гиацинта. В отличие от биомассы, влажность большинства битумных углей находится в пределах 2-12%. Таким образом, плотность энергии в биомассе ниже, чем в угле. С другой стороны химические свойства делают ее лучшей по многим параметрам. Биомасса оставляет меньше золы, которая, кроме того, не так насыщена токсичными и радиоактивными металлами, и может быть использована для удобрения почвы.

Биомассу ошибочно считают низкосортным топливом, и во многих странах она даже не значится в статистике.

Биомассу можно переработать в большое количество разных топлив, что позволяет применять ее для различных целей. Ее можно использовать для генерации тепла и электричества, сжигая в современных устройствах и в частном коттедже и на ТЭЦ. Из нее можно делать жидкие топлива, такие как этанол, для двигателей внутреннего сгорания. Энергетика, работающая на биомассе, может обеспечивать экономический рост без нанесения урона окружающей среде, так как при условии ее устойчивого использования в атмосфере не увеличивается содержание углекислого газа. Другим экологическим преимуществом биомассы является снижение выбросов серы и нитридов. Под выращивание биомассы можно использовать вырожденные земли.

Теплотворная способность различных топлив

Таблица 1 - Теплота сгорания некоторых видов топлива. Дж/кг

Таблица 2 - Тепловой эквивалент некоторых топлив

Пища или топливо?

Обычно слабым местом широкомасштабного выращивания биомассы для использования в энергетике считается то, что сельскому хозяйству будет не выгодно заниматься производством продуктов питания, особенно в развивающихся странах. Они будут конкурировать в сфере инвестиций, инфраструктуре, воде, удобрениях, квалифицированном персонале. И это может вызвать недопроизводство пищи и повышение цен. Однако, возможность противостояния "еда против топлива" сильно преувеличена. На самом деле проблема является более сложной, чем было описано выше, так как сельское хозяйство и пищевая промышленность являются более значимыми, чем другие отрасли человеческой деятельности. Проблему нужно рассматривать в контексте ситуации с обеспечением продовольствием, использования биомассы для кормления животных, неиспользованного сельскохозяйственного потенциала, преимуществ и недостатков производства биотоплива в каждой конкретной стране. Несколько лет назад в Бразилии разразился кризис с нехваткой продовольствия и, как следствие, увеличились цены на продукты питания. Этот кризис связывали с программой производства биоэтанола. Однако, если изучить вопрос более детально, то станет ясно, что производство биоэтанола, наоборот, стимулировало развитие сельского хозяйства. Сегодня Бразилия один из самых больших экспортеров сельскохозяйственных товаров. Рост сельскохозяйственного производства превысил рост населения: 416кг. на человека в 1976г. и 418кг. в 1987г. Из 55 млн. гектаров, на которых выращиваются сельскохозяйственные культуры, только 4.1 млн. (7.5%) используются под посадки сахарного тростника. Это составляет 0.6% от земли пригодной для сельского хозяйства или 0.3% всей территории Бразилии. Из них только 1.7 млн. были использованы для производства энергетического этанола. Таким образом, конкуренции между пищевыми и энергетическими посадками на самом деле не существует. Более того, отходы энергетического производства, например, жмых после гидролиза и сухие дрожжи, использовались для кормления скота. Нехватка продовольствия в Бразилии была вызвана гиперинфляцией, обесцениванием национальной валюты, контролем над ценами продовольственных товаров, ростом более выгодных посадок растений на экспорт. Здесь важно заметить то, что перед развивающимися странами стоят обе проблемы: продовольственная и энергетическая. Поэтому сельское хозяйство должно максимально эффективно использовать землю для их решения.

Доступность земли.

Главное отличие биомассы от остальных источников энергии состоит в том, что для ее выращивания необходима земля. Это обстоятельство требует решения проблемы того, кто и как будет использовать эту землю. "Технократический" подход состоит в том, что нужно сначала найти подходящий участок земли и лишь после задумываться о возможных экологических проблемах. Он не учитывает множество побочных эффектов, возникающих при создании плантаций боимассы, а так же не учитывает мнение сельского населения, которое знает местные особенности. Применение этого подхода стало причиной неудач многих проектов по выращиванию биомассы. 

Вернее идти по другому пути и определить, как лучше всего использовать землю для устойчивого развития. Нужно определить оптимальное соотношение земель, используемых для выращивания продуктов питания, энергетических растений, корма для скота и социальных потребностей. Этот подход требует полного понимания всех проблем, возникающих при использовании земли тем или иным способом.

В общем, можно сказать, что эффективность производства биомассы можно увеличить везде, где она составляет меньше 5 тонн с гектара в год. Увеличение эффективности производства позволит снизить цены и более выгодно использовать доступную землю. Для того чтобы этого добиться, нужно определить виды быстрорастущих растений, пригодных для данной территории, получить новые физиологические знания о процессе роста и размножения, исследовать возможности манипуляций свойствами растений с помощью биотехнологий, что может увеличить продуктивность в 5-10 раз. 

Сегодня при условии грамотно управления, использования новейших разработок, верного выбора растений и почв возможно получить урожайность 10-15 тонн с гектара в год в странах с умеренным климатом и 15-15 тонн - в тропических странах. Рекордные урожаи эвкалипта (40 тонн сухой биомассы с гектара в год) были получены в Бразилии и Эфиопии. Высокие урожаи в подходящих условиях дают также травянистые растения. Например, в Бразилии средняя урожайность сахарного тростника достигает 47-65 тонн с гектара в год (вес только что убранных растений). В то же время на Гавайях, Южной Африке и Квинсленде Австралия собирают урожаи до 100 тонн. Если при выращивании биомассы применить такие же технологии, какие применяются для выращивания зерновых, урожайность которых увеличилась в три раза за последние 45 лет, то такие урожайности станут реальностью повсюду.

Преимущества биомассы, как источника энергии. Развитие сельскохозяйственных территорий является одним из самых главных эффектов использования биомассы, как в развитых, так и в развивающихся странах. Увеличиваются доходы фермеров, происходит диверсификация сельскохозяйственного рынка, нет необходимости датировать сельское хозяйство. Повышается конкурентоспособность сельского хозяйства на мировом рынке, снижается нагрузка на окружающую среду. Доходы от производства энергетической биомассы, полученные сельским населением, способствуют общему оживлению сельских территорий. В конце концов, это скажется на замедлении миграции из деревни в город, что является серьезной проблемой во многих странах. Производство биомассы создаст рабочие места (выращивание, уборка и использование) и вызовет промышленный рост (выпуск оборудования для переработки биомассы в топливо, сырье для других производств или энергия). Например, Государственный Департамент США по Сельскому Хозяйству делает таки оценки: для производства 4 млн. литров этанола будет создано 17.000 рабочих мест. В Институте Исследования Электрической Энергии рассчитали, что производство 5 квадриллионов Btu (Британская Тепловая Единица) электричества из биомассы, выращенной на 50 млн. акров земли, увеличит совокупный доход фермеров на $12 млрд. ежегодно (потребление США около 90 квадриллионов Btu ежегодно). Биомасса диверсифицирует рынок источников энергии, дает стабильный доход для фермеров, оставляет деньги работать в собственной экономике. В ЕС принята программа по увеличению эффективности использования сельскохозяйственных земель. Она предусматривает создание рынков альтернативного использования отходов сельского хозяйства, что позволит поднять его общую эффективность. В 1991г. в ЕС посадки зерновых занимали 128 млн. га. Приблизительно 0.8 млн. га в соответствие с программой были переданы под посадки энергетической биомассы. Переориентация использования этих земель должна препятнствовать нерациональному использованию сельскохозяйственных ресурсов. Традиционно в Европе выращивается несколько видов зерновых, которые в основном используются в пищу человеку и на кормление скота. Снижение цен привело к тому, что доходы европейских фермеров стали низкими и непостоянными. Энергетическая биомасса может стать более выгодной в экономическом плане, чем зерновые культуры.

Экологические преимущества. Использование энергии биомассы имеет множество экологических преимуществ. Оно может помочь замедлить изменение климата, прекратить кислотные дожди, эрозию почв, загрязнение воды. Посадки деревьев дадут место для жизни диким животным.

Изменение климата. Изменение климата становится растущей глобальной проблемой. В результате деятельности человека, главным образом сжигания ископаемых топлив, в атмосферу было выброшено сотни миллионов тонн парниковых газов. К парниковым газам относятся углекислый газ (CO2) и метан (CH4). Парниковые газы изменяют климат на Земле, разрушая всю биосферу, которая является основой жизни. Использование биомассы может уменьшить это воздействие. Метан и углекислый газ очень опасны, однако, метан в 20 раз более активен, чем углекислый газ. Используя метан создаваемый свалками, сточными водами и отстойниками с навозом, мы ограничиваем его попадание в атмосферу. Растения, выращиваемые для энергетической переработки, поглощают углекислый газ из атмосферы в процессе роста. После сбора, переработки и сжигания биомассы в атмосферу выделяется поглощенный углекислый газ, который будет использован другими растениями. Это - так называемый углеродный цикл. На практике, количество поглощенного углекислого газа выше, так как при сборе урожая многолетних растений их срезают, оставляя корневища в земле, а не выкорчевывают. Эти корни способствуют стабилизации почвы, связывают атмосферный углерод. Они дают новый урожай каждый год.

Кислотные дожди. Кислотные дожди вызваны главным образом выбросами серы и оксидов азота при сжигании ископаемых топлив. Кислотные дожди приводят к гибели озер, негативно влияют на человека и живую природу. В биомассе нет серы и ее можно легко смешать с углем и сжигать совместно на обыкновенных ТЭЦ. Это дает нам простой способ избавления от кислотных дождей.

Эрозия почвы и загрязнение воды. Выращивание энергетической биомассы может уменьшить загрязнение воды и эрозию почвы. Ее можно выращивать на плохо пригодных для земледелия участках, местах разлива рек, в период между ежегодными посадками традиционных культур. Во всех этих случаях растения стабилизируют почвенный состав и структуру, препятствуя эрозии. Они также понижают вымывание питательных веществ, что защищает водную экосистему. В тенистых зарослях могут жить рыбы и другие животные. Более того, так как энергетическая биомасса - это, в основном, многолетни растения, их не нужно высаживать каждый год. Это позволяет менее часто использовать сельскохозяйственную технику и уменьшить механическую нагрузку на почву. Загрязнение воды и почвы можно уменьшить, перерабатывая навоз животноводческих хозяйств. В процессе анаэробного сбраживания из навоза можно получить метан. Этот способ переработки навоза решает сразу три проблемы: получение энергии, снижение уровня загрязнения рек и почвы и получение качественных жидких и твердых удобрений.

Основные методы переработки биомассы

Практически все виды биомассы подвержены довольно быстрому гниению. Поэтому, а также из-за низкой плотности энергии, биомассу не выгодно транспортировать на большие расстояния. В последние десятилетия появились технологии, позволяющие более эффективно использовать этот ценный источник энергии.

Их можно расположить в порядке усложнения технологии извлечения энергии таким образом: 1)прямое сжигание биомассы, 2) термохимическая обработка и получение биотоплива (пиролиз, газификация, ожижение), 3) биологическая переработка (анаэробное сбраживание и ферментация, в результате чего образуются горючие газы и жидкости). В некоторых из этих методов переработки образуется тепло, которое обычно используется на месте или на небольших расстояниях. Оно идет на отопление, технологические процессы, производство пара. Результатом других методов является жидкое (биодизель, этанол), твердое (древесный уголь) или газообразное топливо (биогаз).

Прямое сжигание

Самый явный способ получения энергии из биомассы - это прямое сжигание. Технология сжигания хорошо изучена и применяется повсеместно. Сегодня производится и работает огромное количество котлов, которые позволяют топить практически всем, чем угодно: куриным пометом, соломенными блоками, ветками деревьев, мусором или кусками покрышек. Полученное тепло направляют на подогрев воды, отопление, технологические задачи (сушка) или производство электроэнергии. Главным недостатком прямого сжигания является его низкая эффективность, так как при сжигании на открытом огне, большая часть тепла уходит с дымовыми газами или через корпус котла. В процессе сжигания древесины можно выделить четыре стадии: 1) Испарение воды. Влажность самой сухой древесины составляет 15-20%. 2) Выделение газообразных веществ. Важно, чтобы эти газы также сгорали, а не улетали в дымоход. 3) Смешение выделившихся газов с атмосферным воздухом и их сгорание при высокой температуре. 4) Сгорание остатков древесины (в основном углерода). В самых лучших котлах выделяется практически вся химическая энергия, остается лишь зола. Для эффективного сжигания необходимы: 1) достаточно высокая температура, 2) достаточное количество воздуха, 3) достаточно времени для полного сгорания. Если в топку котла поступает недостаточно воздуха, значит сгорание будет не полным и дым будет черным от несгоревшего углерода. Если подавать слишком много воздуха, то упадет температура, и газы будут улетать не сгоревшими, унося с собой тепло. Верный расчет подачи воздуха гарантирует наиболее эффективное сжигание топлива, отсутствие дыма и запаха. Регулирование подачи воздуха зависит от тяги, создаваемой дымоходом или вентиляторами. Сжигать биомассу на открытом огне легко и просто, но крайне неэффективно. Пусть, например, нужно вскипятить кастрюлю воды. В 1м3 древесины содержится 10 ГДж. Чтобы подогреть литр воды на 1 градус нужно 4.2 КДж тепла. Значит, чтобы вскипятить литр воды нужно около 400 КДж энергии, что равно 4 см3 древесины - небольшая палочка. Однако, на самом деле, нам понадобится, по меньшей мере, в 50 раз больше, поэтому эффективность сжигания не превышает 2%. Чтобы сделать котел или печь, которые будут более эффективно сжигать биомассу, необходимо хорошо понимать, происходящие при сжигании твердого топлива процессы. Устройство и эффективность котлов для прямого сжигания существенно отличается в зависимости от топлива. В общем, технология сжигания биомассы похожа на сжигание угля. Уголь и биомасса подаются и сжигаются в топке практически одним и тем же способом, поэтому их можно смешивать в определенных пропорциях для сжигания в уже существующих системах. Фактически, угол - это та же биомасса, которая подвергалась нагреву и сжатию глубоко в земле. В результате этих процессов в угле, в отличие от биомассы, есть сера и ртуть.

Пиролиз

Пиролиз - это самый простой и старый способ улучшения качества древесного топлива. Обжигая древесину или даже солому, можно получить большое количество разных топлив с высокой плотностью энергии. На протяжении столетий пиролиз использовался для получения древесного угля. Обычно пиролиз проходил так: древесину измельчают, помещают в корпус котла для пиролиза, из которого по возможности откачивают воздух, нагревают ее до 300-500 оС, при которой выделяются летучие вещества. Оставшийся уголь, который обычно называют древесным, используют в качестве топлива. Такой уголь может сгорать при более высоких температурах, а плотность его энергии почти в два раза выше, чем у древесины. В зависимости от влажности и технологического процесса тонну угля можно получить из 4-10 тонн древесины. Летучие вещества уносят около трети химической энергии биомассы, поэтому для повышения эффективности процесса пиролиза нужно их использовать. Пиролиз может проводиться в присутствии небольшого количества кислорода (газификация), воды (паровая газификация) или водорода (гидрогенизация). Один из самых полезных продуктов пиролиза является метан, который можно использовать для производства электроэнергии. Метан можно собирать, используя более сложные технологии пиролиза, которые позволяют контролировать температурный режим, а следовательно и состав летучих соединений. Жидкие продукты пиролиза можно использовать в качестве жидких топлив, предварительно очистив от кислот. Если пиролиз проводить быстро при температурах 800-900 оС, в виде угля остается около 10% всего вещества, а 60% выделяются в виде водорода и СО. Сегодня обычный пиролиз считается очень привлекательной и перспективной технологией для переработки пластмасс и резины. Относительно более низкие температуры позволяют уменьшить выделение вредных веществ.

Газификация Основные принципы газификации изучались в начале 19 века и во время Второй Мировой войны. В Европе использовались около миллиона автомобильных двигателей, работающих на газифицированной биомассе. Интерес к газификации биомассы возродился в 70-х годах 20 века в связи с энергетическим кризисом и снова угас с уменьшением цен на нефть в 80-х годах. По оценкам Всемирного Банка в 1989г. работало лишь 1000-3000 небольших установок по газификации биомассы. В результате газификации биомассы получается горючая смесь водорода, СО, метана и других негорючих газов. Это достигается за счет частичного сжигания и нагревания биомассы (используя тепло ограниченного горения) в присутствии древесного угля. Газ можно использовать вместо бензина в автомобилях.

Синтетические топлива Если в газификаторе вместо воздуха использовать кислород, то можно получить газ, состоящий в основном из водорода, СО и углекислого газа. Удалив из этой смеси углекислый газ, получают синтез газ, из которого можно синтезировать практические любое углеводородное соединение. Например, единственный способ получения чистого метана - реакция водорода и СО. Можно также синтезировать метанол (СН3ОН), жидкий углеводород с плотностью энергии 23 ГДж/тонну. Процесс получения метанола включает осуществление сложных химических реакций при высоких температурах и давлениях и требует использования дорогого оборудования. Метанолом можно разбавлять бензин в определенных пропорциях. Сегодня технология производства метанола из синтез газа, получаемого газификацией древесины, выходит на коммерческое применение.

Сбраживание

Этанол (этиловый спирт) можно получить сбраживанием сахарного раствора. Этанол - это ценное жидкое топливо, смесь которого с бензином можно использовать в автомобилях. Его широко применяют в Бразилии. Сахар получают из сахарного тростника, сахарной свеклы или фруктов. Также сахар можно извлекать из крахмала овощей и целлюлозы, подвергнув ее тепловой обработке или измельчив и смешав с горячей кислотой. После примерно 30-часового брожения смесь будет содержать 6-10% спирта, который можно выделить в процессе дистилляции.

Брожение - это анаэробный биологический процесс, в результате которого сахар превращается в спирт под действием микроорганизмов, чаще всего дрожжей.

Не любая биомасса содержит достаточно легко отделяемого сахара. Лучше всего для этого подходит сахарный тростник или меласса - остаток после выжимки сока из тростника. Растения, в которых основным углеводородом является крахмал (картофель, кукуруза и другие зерновые) нужно дополнительно обрабатывать, например, ферментами, содержащимися в солоде.

Плотность энергии конечного продукта составляет 30 ГДж/тонну или 24 ГДж/м3. Для осуществления всего процесса необходимо много тепла, которое получают из отходов основных продуктов (жмых сахарного тростника, стебли кукурузы). Ферментация - достаточно энергозатратная технология, однако этот недостаток компенсируется возможностью транспортировки жидкого топлива и относительно низкой стоимостью и простотой технологии.

Анаэробное сбраживание

В природе существуют механизмы уничтожения и распределения отходов, мертвых растений и животных. За это отвечают крошечные микроорганизмы или бактерии. Эти бактерии также участвуют в разложении органического вещества при образовании компоста и навоза. Когда на дне водоема разлагаются умершие растения или животные, можно видеть пузырьки воздуха, поднимающиеся на поверхность. Время от времени эти пузырьки сгорают и кажутся огоньком в темноте. Долгое время люди не могли объяснить это явление. Лишь около 200 лет назад ученые поняли, что пузырьки горючего газа появляются в результате разложения биомассы без воздействия воздуха. Так как огоньки часто наблюдали на болоте, газ назвали болотным. Сейчас нам известно, что болотный газ представляет собой смесь метана и углекислого газа и его чаще всего называют биогазом. Биогаз научились получать искусственно из органического вещества, разлагаемого бактериями.

Анаэробное сбраживание, как и пиролиз, проходит в отсутствие воздуха. Отличие состоит в том, что разложение происходит под действием бактерий, а не высоких температур. Этот процесс происходит в любом биологическом веществе и активизируется в теплом, влажном и безвоздушном пространстве. В естественной среде такие условия возникают на дне болот и небольших озер. Деятельность человека также создает места, где происходит самопроизвольное образование биогаза - это отстойники с навозом животных и свалки. И в том и другом случае образовавшийся газ состоит из смеси метана и углекислого газа. Однако существуют значительные отличия по времени, масштабам и источнику образования газа, что приводит к необходимости применять различные технологии в двух этих случаях. С точки зрения химии образование биогаза - сложный процесс. Принцип заключается в том, что разные виды бактерий разлагают органические вещества на сахар и дальше в кислоты, которые распадаются, образуя конечный газ. После газификации остается осадок, состав которого различен в разных случаях. Во многих странах биогаз получают в специальных установках, наполненных навозом или сточными водами. Объемы баков различен: от 1м3 для небольших частных хозяйств до более 1000м3 для коммерческого использования или на животноводческих фермах. Выход газа может быть постоянным или парциальным, а брожение может продолжаться от 10 дней до нескольких недель. В процессе своей жизнедеятельность бактерии выделяют тепло, но в странах с холодных климатом для достижения оптимальной температуры 35 оС необходим дополнительный подогрев. В некоторых особенно неблагоприятных случаях на тепло для работы системы может уходить весь биогаз, но даже в этом случае установка будет выгодна, избавляя от необходимости утилизации навоза. Производительность хорошей системы составит 200-400 м3 биогаза с содержанием метана от 50% до 75% на каждую сухую тонну сырья.

Рис. 3

Рис. 4

Газ из органических отходов

Большая часть того, что обычно выбрасывается в домашних хозяйствах - биологический материал, который вывозят на свалки, где создаются благоприятные условия для анаэробного сбраживания. То, что на свалках образуется метан, стало понятно довольно давно, но лишь в 70-х годах 20 века идея об использовании этого неудобного продукта стал всерьез обсуждаться. Отходы на свалке более разнородны, чем навоз. Там не так влажно и не так тепло, поэтому образование газа идет гораздо медленнее на протяжении нескольких лет, а не недель. Теоретически при благоприятных условиях на выходе должно образовываться 150-300м3 газа из каждой тонны отходов, в котором содержится от 50 до 60% метана. Но на практике, выход газа гораздо меньше. При подготовке заполненной свалки вся ее территория покрывается непроницаемым слоем глины или чем-нибудь подобным, создавая благоприятную среду для бактерий. Газ собирается множеством соединенных между собой трубок, углубленных на 20м в кучу отходов. При оборудовании мест под новые свалки систему трубок устанавливают заранее. На больших свалках, где протяженность труб может достигать нескольких миль, из свалки добывают более 1000м3 газа

продукты из б/м при использовании термохимичеких методов переработки

Трудно переоценить роль и значение возобновляемых топлив в развитии современной энергетики, и особенно в мобильных энергетических установках. В условиях возрастающего спроса на энергоносители во всех регионах мира, стремительного роста парка автомобилей, ужесточения экологических требований все большее внимание уделяется поиску новых эффективных, экологически чистых источников энергии. Среди реально используемых альтернативных источников энергии для транспортных средств, имеющих серьезный потенциал для коммерциализации, биотоплива занимают исключительно важное положение. Биотоплива для транспорта, включая, прежде всего этанол, биодизель, имеют и потенциал для замещения существенного количества нефти. Очевидно, что среди значимых преимуществ биотоплив это и повышение энергетической безопасности, уменьшение выбросов парниковых газов и токсичных веществ, улучшение эксплуатационных характеристик автомобилей, развитие экономики, а в некоторых случаях и защита экосистемы и т.д.

Проблемы оздоровления окружающей среды остались еще большей степени актуальными в 21 веке в связи со значительным ростом числа автомобилей. Сегодня в центре внимания многих и государственных и общественных организаций снижение токсичности автотранспорта остается ключевой задачей. Тем более что до сих пор и в перспективе сохраняются тенденции увеличения парка автомобилей. В мире уже более 800 млн. автомобилей, в США их количество приближается к 230 млн. В России в недалеком будущем количество автомобилей достигнет 50 млн. Нетрудно спрогнозировать, что в перспективе Китай может стать и первой автомобильной державой в мире.

Альтернативные топлива для транспорта, уже существуют, в виде биоэтанола для бензиновых двигателей, получаемое при ферментации сахара или крахмала и биодизель для дизельных двигателей получаемое при трансэстерификации (образовании сложных эфиров растительных масел или животных жиров). Часто эти топлива называют первым поколением биотоплива.

Биотоплива 1-го поколения, в основном, получают из возобновляемого сырья, растительного происхождения. Однако преимущества, которые они предлагают, к сожалению, ограничены. Выход топлива с гектара (га) земли относительно мал. Например, в Англии годовое потребление топлива транспортом составляет около 40 миллионов тонн. Для полного замещения минерального топлива биотопливом потребуется порядка 20 миллионов га при наличии 6,5 мил га пригодных для возделывания. Такая же картина характерна для многих стран Европы и мира.

Снижение выбросов парниковых газов, при применении биотоплив, зависит от ряда факторов и во многих случаях очень скромное, если рассмотреть весь цикл производства биотоплив: производство и внесение удобрений, сбор, обработка и транспортировка огромного объема растительного материала для получения относительно скромного количества биотоплива.

Кроме того, биотоплива первого поколения не могут предложить долгосрочное решение проблемы возрастающего количества выбросов парниковых газов. Однако этанол и биодизель (жирные кислоты растительных эфиров) могут быть получены по относительно простым и доступным технологиям. Биотоплива первого поколение имеют неоспоримые преимущества перед ископаемыми - отсутствие серы, улучшение смазывающих свойств биодизеля при использовании в современных дизельных двигателях, высокие антидетонационные свойства спиртов, что очень важно для двигателей с искровым зажиганием, существенное снижение окисей азота (NOx) (кроме биодизеля) и оксида углерода (СО) в выбросах т.д.

Биотоплива первого поколения могут восприниматься как первые шаги продвижения альтернативных топлив: создание рынка, привлечение внимания общественности, анализ комплекса вопросов связанных со стимулированием научно-исследовательских работ, развитие и внедрение инновационных биотехнологий, создание соответствующей инфраструктуры хранения, транспортировки и распределения биотоплива, вместе с тем, достигая важной цели - уменьшение выбросов СО2.

Проведенные исследования еще лет пять назад европейской комиссией по энергетике показали, что большинство экспертов и специалистов полагают, что второе поколение биотоплив имеет ряд преимуществ по сравнению с первым и ожидают, что через 5-10 лет начнется их активный этап коммерциализации.

Они более предпочтительны с точки зрения баланса парниковых газов. Целлюлозный этанол может сократить выбросы СО2 почти на 75% по сравнению с бензином. Дизельное синтетическое топливо - биомасса в жидкость уменьшает эмиссию парниковых газов на 90% по сравнению с топливом из растительных масел.

Биотоплива второго поколения требуют уже меньше земли. Используя современные биотехнологии с одного гектара земли можно получить в 2..3 раза больше биотоплива.

Принципиальная разница между биотопливом второго поколения и биотопливом первого поколения - возможность использования более широкого спектра биомасс, в том числе и относительно дешевых. Эти источники включают непищевую биомассу, предназначенную для получения энергии растения, и иные ресурсы из биомассы: солома и отходы лесозаготовок и деревообработки и т.д.

Биотоплива второго поколения могут отличаться по химическому составу от альтернативного биотоплива первого поколения и есть все основания полагать, что они будут не хуже. Например, синтетическое дизельное топливо по основным эксплуатационным свойствам (цетановое число, стабильность, содержание серы и т.п.) превосходит биодизель первого поколения или продукты, получаемые при перегонке нефтехимии; однако биоэтанол второго поколения (лингоцеллюлоза) химически идентичен с тем, что доступен сегодня.

Технологии производства топлив второго поколения уже достигли высокого уровня.

Термохимические технологии имеют преимущества, позволяя производить углеводороды, которые абсолютно совместимы с существующими топливами, что очень важно для развития инфраструктуры и создания топливных смесей (традиционное топливо + альтернативное). Кроме того, термохимические процессы позволяют производить синтетические бензин и дизель.

Термохимические технологии для производства биотоплива второго поколения включают:

газификация биомассы для генерации синтетического газа;

пиролиз, мгновенный пиролиз для производства биомасел или смесей как носителей энергии;

гидротермальная обработка сырой биомассы;

синтез Fisher-Tropsch углеводородов из синтетического газа с соответствующими процессами перегонки и обработки.

Синтез метанола с последующим синтезом бензина и/или дизеля при помощи технологии метанол в олифин, бензин или дизель или метанол в бензин.

Древесная биоэнергия определяется как «энергия из древесной биомассы или торфа», получаемая в результате цепочки природного цикла, где под воздействием солнечной энергии на биологическое вещество происходит производство биомассы, и затем при распаде биомассы выделяется энергия. Биоэнергетическая система считается нейтральной в отношении выбросов СО2, и распад биомассы не способствует глобальному потеплению. Это объясняется тем, что при распаде биомассы в техногенных процессах выделяется столько же парниковых газов, сколько выделилось бы при естественном распаде биомассы в природных условиях (рис. 5).

Рис. 5 - Цикл регенерации биотоплива

Для определения понятия «биотоплива» можно воспользоваться определением, которое дает шведский стандарт SS 187106, издание 3: «топливо, для которого исходным материалом является биомасса или торф. Топ-ливо может подвергаться химическим процессам или переработке, а также может быть использованным ранее в других целях». Биомасса в том же стандарте определяется как «материал биологического происхождения, не прошедший химической обработки, или эта обработка была незначительной». Биотопливо за последние несколько лет становится важным фактором решения проблем, связанных с климатом. Киотский протокол определяет почти для каждой страны необходимость снижения выбросов парниковых газов, для чего необходимо уменьшить использование ископаемых видов топлив. «Белый документ по возобновляемой энергии» комиссии Европейского Союза, опубликованный в декабре 1997 года, предписывает довести вклад возобновляемой энергии в Европейском Союзе с 6% до 12% к 2010 году. Биомасса рассматривается как сектор, который должен быть развит в наибольшей степени и в кратчайшие сроки. Ожидается, что в 2010 году он должен составить 74% общего потребления возобновляемой энергии в Европейском Союзе.

Рис. 6 - Интеграция поставок древесного топлива с поставками деловой древесины

Традиционно биотопливо разделяется на пять подгрупп:

древесное топливо (сырье из леса, не прошедшее химической обработки);

торфяное топливо;

аграрные топлива (биотопливо сельскохозяйственного происхож-дения, например, энергетический лес, трава, солома и зерно для производства этанола);

биотопливо из отходов, из органического мусора;

щелоки - побочный продукт цел-люлозно-бумажной промышленности. Образуется при варке щепы и содержит органические соединения, которые можно сжигать, и химикалии, подлежащие восстановлению. Строго говоря, торф нельзя отнести к возобновляемым источникам, так как это не полностью разложившийся биологический материал, образующийся в болотах в течение сотен лет. Скорость образования торфа в природе в несколько десятков раз меньше скорости его исчерпания. Поэтому использование торфа для производства энергии не относят к «зеленой энергетике». Древесина также обладает относительной возобновляемостью, потому что для образования ее запаса определенного качества требуются многие десятилетия. Источником древесины является лес. Лес как природный ресурс относится к энергетическому типу ресурсов и является исчерпаемым. Лес, как природная система, может быть возобновляемым ресурсом только в том случае, если методы его управления устойчивы и экологически сбалансированы. Это означает, что условия для роста будущего поколения леса должны быть такого качества, чтобы позволить будущим экосистемам выжить.

С учетом имеющихся природных ресурсов и существующих технологий в настоящее время наиболее актуальной является задача эффективного использования древесного топлива, в первую очередь низкосортной древесины, а также отходов лесозаготовок. Эти отходы для многих лесозаготовителей стали настоящей проблемой, так как их утилизация требует дополнительных расходов, отражающихся на себестоимости продукции. Однако при включении древесной щепы в технологический цикл лесозаготовок, эти затраты многократно окупаются (рис. 2). В процессе работ по заготовке древесины и ее дальнейшей переработке только 28% первоначального дерева становится пиломатериалом, остальное - становится отходами. Основными источниками биомассы являются отходы сельского хозяйства (63%), среди которых можно выделить солому злаковых культур, перегной большого рогатого скота и свиней, а также отходы дерево-обработки (17,4%), биогаз мусорников (19,6%). Использование этих источников в стране незначительно, несмотря на значительный энергетический потенциал биомассы. По оценкам экспертов TACIS, этот потенциал в нефтяном эквиваленте сопоставим с 7 млн.т, использование этого потенциала даст возможность заменить более 5-10% общего потребления энергоресурсов. Древесная биомасса - это отходы древесины, которые получаются в процессе ее технологической обработки, начиная от лесозаготовительных работ и до производства конечного потребительского продукта. К древесной биомассе относятся отходы деревообработки, отходы древесной зелени, отходы семени. К отходам деревообработки относятся опилки, стружка, обрезки досок, горбыль, дрова, кора. Большое количество древесных отходов образуется непосредственно на лесосеке в процессе проведения рубок главного и промежуточного пользования, и они включают в себя обломки стволов, ветви деревьев, тонкомер и др. Есть определение, что отходы - это продукт незавершенной технологической цепи, а потому древесные отходы надо рассматривать не как отходы, а как сырье, в том числе для получения тепловой и электрической энергии. При этом использование древесины в таком качестве целесообразно рассматривать с точки зрения экологии, экономики и решения социальных вопросов.

Рис. 7 - Пример технологии производства щепы на верхнем складе с дальнейшей транспортировкой ее автощеповозами потребителям

В зависимости от того, где производится щепа из отходов древесины, все технологии можно классифицировать на три группы: 1. Технологии с производством щепы у пня (на лесосеке). 2. Технологии с производством щепы в месте примыкания к лесовозной дороге (на верхнем или нижнем складе). 3. Технологии с производством щепы у потребителя.

Все существующие технологии обязательно включают транспортную фазу. Транспортная фаза технологических процессов освоения биомассы из леса - важнейшая. Биомасса может транспортироваться в различной форме. Наиболее часто биомасса из леса перерабатывается в топливную щепу и в таком виде доставляется автотранспортом потребителям. Для этого используют большегрузные специальные автопоезда-щеповозы грузоподъемностью 40-60 тонн, для которых требуются дороги с твердым покрытием. Пример технологии производства щепы на верхнем складе с дальнейшей транспортировкой ее автощеповозами потребителям представлен на рис. 7.

Биотоплива второго поколения имеют ряд ключевых преимуществ над традиционным ископаемым топливом и над биотопливом первого поколения. Эти преимущества включают способность достичь существенного уменьшения выбросов парниковых газов, а так же значительные уменьшения земельных требований.