Биоэнергетика. 
Альтернативные источники энергии

Биоэнергетика основана на получении биомассы, которая используется в качестве топлива непосредственно или после соответствуюшей переработки. При этом выделяют три направления получения тепловой энергии: 1) непосредственное сжигание биомассы; 2) брожение биомассы, при котором выделяется теплота; 3) использование таких энергоносителей, как биогаз или спирты, которые извлекаются в процессе образования биомассы.

Первое направление (сжигание растений) используется человеком более ста тысяч лет. И ныне во многих странах с населением около 2,5 млрд человек ежедневно пользуются дровами для отопления, освещения и приготовления пищи. Даже в столь развитой стране, как США, сейчас сжигается больше древесины, нежели ее идет на строительство и на производство бумаги.

Особенностью в настоящее время является то, что источником древесного топлива служит не только дикорастущий лес, но и специальные плантации быстрорастущих видов деревьев, например, тополя, ивы, ольхи, осины. Так, в Швеции, которая постепенно отказывается от атомной энергетики, в ближайшие годы планируется ежегодно засаживать не менее 10 тыс. га так называемого энергетического леса. Во избежание недостатков, присущих древесному топливу (относительно большой объем, большой процент влаги), проводят обработку, например, брикетирование.

Второе направление состоит в использовании теплоты, которая выделяется при брожении органических отходов (навоза, помета, опилок и т. п.); ее можно применить для обогрева парников, теплиц и других объектов.

Третье направление — извлечение из биомассы (отходов растениеводства и животноводства) таких энергоносителей, как биогаз или спирты.

Считалось еще недавно, что горючее из навоза и других отходов не может конкурировать с природным газом и нефтепродуктами. Но в последние годы эту точку зрения начали пересматривать, причем не столько с энерго-экономических, сколько с экологических позиций.

Тысячи крупных животноводческих комплексов и птицефабрик построены по всему миру, сотни их размещены и в нашей стране. Их функционирование сопровождается образованием огромных количеств навоза и растительных остатков. Так, на свиноводческом комплексе, где содержится 108 тыс. свиней, ежегодно образуется более 1 млн м3 жижи, что соответствует объему стоков города с населением 250 тыс. человек. Поскольку комплексы размещали подчас недалеко от городов, это усугубляло их отрицательное воздействие.

Для переработки стоков животноводческих комплексов часто применяют так называемое анаэробное сбраживание, в результате которого резко ускоряется природный процесс выделения метана СН4 (биогаза). Из 1 т органического сухого вещества навоза и помета получают 450—660 м3 биогаза, который по своей теплотворной способности соответствует 320—430 кг условного топлива (Д.П. Никитин, Ю. В. Новиков, 1986 г.). Кроме того, в России ежегодно остаются неиспользованными миллионы тонн соломы, каждая тонна которой при метановом брожении дает 350—500 м3 биогаза, а 1 м³ последнего эквивалентен почти 1 л жидкого топлива. Между тем солому и другие растительные остатки до сих пор предпочитают сжигать, не заботясь об экологических последствиях. Подсчитано, что отходы сельскохозяйственного производства во всем мире составляют более 4 млрд т. Их переработка в метан может удовлетворить не менее 10% современных мировых энергетических потребностей.

Биологическая переработка органических отходов (биоконверсия) промышленности, сельского и жилищно-коммунального хозяйства — сложный микробиологический процесс. В нем принимают участие несколько взаимодействующих групп бактерий: 1) бактерии I группы (гидролитические) гидролизуют углеводы, белки, липиды и другие компоненты биомассы с образованием Н2, С02, жирных кислот, спиртов и других продуктов брожения; 2) бактерии II группы (ацетогенные) разлагают определенные жирные кислоты и нейтральные продукты до ацетата, Н2, С02 в условиях полного отсутствия кислорода; 3) бактерии III группы (гомоацетатные) синтезируют ацетат из смеси Н2+С02, метанола и других соединений, в том числе углеводов; 4) бактерии IV группы (метанообразующие) используют Н2+С02, ацетат или одноуглеродные соединения для синтеза метана.

Наиболее важный момент преобразования сложного сырья — разложение целлюлозы. Бактерии, вызывающие это разложение, делятся на два класса в зависимости от температуры протекания процесса: мезофильные и термофильные. Оптимальная температура для мезофильных бактерий от 30 до 40 °C, для термофильных от 50 до 60 °C.

Деятельность бактерий и, соответственно, объем метана зависят от многих факторов: температуры, кислотности среды, соотношения между углеродом и азотом (C/N), наличия летучих кислот, питательных веществ и токсичности материалов. Процесс биоконверсии может происходить при низких (до 30°С), средних (35—40°С) и высоких (свыше 50°С) температурах. Чем выше температура, тем быстрее идет процесс ферментации, больше выделяется газа, меньше остается бактериальных и вирусных болезнетворных организмов. Наиболее производительный (в смысле получения биогаза) термофильный процесс требует дополнительной энергии.

Естественно, что для функционирования бактерий их необходимо обеспечивать питательными веществами (азотом, фосфором, серой, различными микроэлементами). Биогаз, получаемый при биоконверсии отходов, содержит от 55 до 70% метана СН4, остальное — оксид углерода (IV). Присутствие С02 снижает теплоту сгорания биогаза и увеличивает объем газа, подлежащего обработке и хранению. Биогаз рассматривают как локальное топливо, достаточно эффективно используемое на месте его производства.

Схема биоэнергетической установки. Органические отходы из источника поступают в приемный резервуар. Сюда же подаются горячая вода для разбавления отходов до оптимальной концентрации и отходы полеводства для создания нужного соотношения C/N. Из приемного резервуара нагретый субстрат поступает непосредственно в метантенк или в подогреватель, где нагревается до требуемой температуры. В метантенке образуется биогаз; остаток (шлам) извлекается из метантенка и насосом направляется в хранилище остатка. Биогаз после устройств очистки 6 сжимается компрессором и поступает в газгольдер Часть биогаза сжигается в котельной с целью выработки тепла для подогрева субстрата. Поскольку выходящий из метантенка остаток имеет температуру до 50—55°С, целесообразно использовать его остаточное тепло для предварительного подогрева субстрата и питательной среды в соответствующих теплообменниках. Другой продукт биоконверсии — остаток (шлам) — обеззараженное высокоэффективное удобрение, по своим свойствам приближающееся к минеральному удобрению типа нитрофоски: 1 т сухого остатка (по содержанию питательных веществ) эквивалентен 3—4 т нитрофоски. Органические удобрения, получаемые в результате анаэробной ферментации отходов, значительно лучше в агрономическом отношении, нежели полученные обычным методом компостирования.

Широкое внедрение биоконверсии органических отходов решат несколько важнейших задач — сохранение окружающей среды, снабжение энергией, а также снижение риска распространения различных эпидемий у животных (при анаэробной ферментации уничтожаются яйца гельминтов, вредная микрофлора и семена сорняков).