Энергия биомассы: глобальная перспектива

Энергия биомассы, разновидность возобновляемой энергии, получаемой из органического вещества, привлекает все большее внимание во всем мире как потенциальное решение проблем изменения климата и энергетической безопасности. В этом всеобъемлющем руководстве рассматриваются различные аспекты энергии биомассы, ее типы, преимущества, проблемы и глобальное применение.

Что такое энергия биомассы?

Биомасса — это органическое вещество растительного и животного происхождения. Таким образом, энергия биомассы — это энергия, получаемая при сжигании этого органического вещества или его преобразовании в другие полезные формы, такие как биотопливо или биогаз.

Типы биомассы

• Древесина и древесные отходы: Сюда входят дрова, древесные гранулы (пеллеты), щепа и опилки, которые часто получают из лесов, лесозаготовок и деревообрабатывающих предприятий.
• Сельскохозяйственные культуры и отходы: Это включает культуры, специально выращиваемые для производства энергии (например, просо прутьевидное, кукурузная солома), и побочные продукты сельского хозяйства (например, рисовая шелуха, пшеничная солома, багасса сахарного тростника).
• Животный навоз: Животные отходы могут быть использованы для производства биогаза путем анаэробного сбраживания.
• Твердые бытовые отходы (ТБО): Часть ТБО, такая как бумага, картон и пищевые отходы, может быть сожжена или преобразована в энергию.
• Водоросли: Определенные виды водорослей можно культивировать для производства биотоплива.

Как работает энергия биомассы

Биомассу можно преобразовать в энергию с помощью различных процессов:

• Прямое сжигание: Прямое сжигание биомассы для производства тепла, которое затем может использоваться для отопления, выработки электроэнергии или в промышленных процессах. Это самый простой и распространенный метод, применяемый повсеместно — от небольших дровяных печей до крупных электростанций.
• Газификация: Нагревание биомассы при высоких температурах с контролируемым количеством кислорода для получения газовой смеси, называемой синтез-газом, который можно сжигать для выработки электроэнергии или преобразовывать в другие виды топлива.
• Пиролиз: Нагревание биомассы в отсутствие кислорода для производства био-масла, биоугля и синтез-газа. Био-масло можно использовать в качестве топлива, а биоуголь — в качестве удобрения для почвы.
• Анаэробное сбраживание: Разложение органического вещества в отсутствие кислорода для производства биогаза, состоящего в основном из метана. Биогаз можно сжигать для отопления, выработки электроэнергии или перерабатывать в возобновляемый природный газ (ВПГ). Распространенным примером является использование животного навоза для получения биогаза.
• Ферментация: Использование микроорганизмов для преобразования биомассы в биотопливо, такое как этанол. Именно этот процесс используется для получения этанола из кукурузы и сахарного тростника.

Преимущества энергии биомассы

Энергия биомассы имеет несколько преимуществ, что делает ее привлекательным вариантом для многих стран:

• Возобновляемый ресурс: Биомасса является возобновляемым ресурсом, так как ее можно пополнять за счет устойчивого лесопользования и ведения сельского хозяйства.
• Углеродная нейтральность (потенциально): При сжигании биомассы выделяется углекислый газ (CO2). Однако, если биомасса получена из устойчивых источников, выделенный CO2 теоретически компенсируется CO2, поглощенным растениями во время их роста. Это делает энергию биомассы потенциально углеродно-нейтральной. Однако это зависит от устойчивого лесопользования и методов землепользования и не учитывает выбросы, связанные с переработкой и транспортировкой биомассы.
• Сокращение отходов: Энергия биомассы может использовать сельскохозяйственные остатки, лесные отходы и твердые бытовые отходы, сокращая количество отходов на свалках и связанные с ними экологические проблемы.
• Энергетическая безопасность: Биомассу можно производить на местном уровне, что снижает зависимость от импортируемого ископаемого топлива и повышает энергетическую безопасность.
• Экономическое развитие: Проекты в области энергетики биомассы могут создавать рабочие места в сельской местности и стимулировать местную экономику.
• Универсальность: Биомассу можно использовать для производства тепла, электроэнергии и транспортного топлива.

Проблемы энергии биомассы

Несмотря на свои преимущества, энергия биомассы также сталкивается с рядом проблем:

• Проблемы устойчивости: Неустойчивые методы заготовки могут привести к обезлесению, деградации почв и потере биоразнообразия. Обеспечение устойчивых источников имеет решающее значение.
• Выбросы: Хотя теоретически биомасса может быть углеродно-нейтральной, при ее сжигании могут выделяться загрязняющие вещества, такие как твердые частицы и оксиды азота, что может негативно сказаться на качестве воздуха. Для минимизации этих выбросов необходимы передовые технологии сжигания и системы контроля выбросов.
• Землепользование: Выращивание специализированных энергетических культур может конкурировать с производством продуктов питания за земельные ресурсы, что потенциально может привести к проблемам с продовольственной безопасностью. Важнейшее значение имеют устойчивые методы управления земельными ресурсами.
• Эффективность: Эффективность преобразования энергии некоторых технологий использования биомассы может быть относительно низкой по сравнению с другими возобновляемыми источниками энергии. Текущие исследования и разработки направлены на повышение эффективности.
• Транспортировка и хранение: Биомасса может быть громоздкой и сложной для транспортировки и хранения, что может увеличить затраты.
• Конкурентоспособность по стоимости: В некоторых регионах энергия биомассы может быть неконкурентоспособной по стоимости с ископаемым топливом, особенно без государственных субсидий или стимулов.

Глобальное применение энергии биомассы

Энергия биомассы используется в различных сферах по всему миру:

Отопление

Бытовое отопление: Дровяные и пеллетные печи используются для отопления жилых домов во многих странах, особенно в холодном климате. Например, в Скандинавии системы отопления на основе древесины являются обычным явлением. Централизованное теплоснабжение: Системы централизованного теплоснабжения на биомассе обеспечивают теплом несколько зданий в городских районах. Многие европейские города, такие как Копенгаген и Вена, используют биомассу для централизованного теплоснабжения.

Производство электроэнергии

Биоэлектростанции: Специализированные биоэлектростанции сжигают биомассу для выработки электроэнергии. Эти станции могут варьироваться по размеру от небольших установок, обслуживающих местные сообщества, до крупных станций, поставляющих энергию в общую электросеть. Примерами являются электростанция Drax в Великобритании, которая совместно сжигает биомассу с углем, и многочисленные небольшие установки по всей Европе и Северной Америке. Совместное сжигание: Биомассу можно сжигать вместе с углем на существующих угольных электростанциях для снижения выбросов парниковых газов. Это относительно недорогой способ включения биомассы в энергетический баланс.

Транспортное топливо

Этанол: Этанол, производимый из кукурузы, сахарного тростника или другого сырья из биомассы, смешивается с бензином для снижения зависимости от ископаемого топлива. Бразилия является мировым лидером в производстве этанола, используя в качестве основного сырья сахарный тростник. Соединенные Штаты также являются крупным производителем, используя кукурузу. Биодизель: Биодизель, производимый из растительных масел, животных жиров или переработанных масел, может использоваться в дизельных двигателях. Германия является крупным производителем и потребителем биодизеля, в основном из рапсового масла. Возобновляемое дизельное топливо: Возобновляемое дизельное топливо, также известное как гидроочищенное растительное масло (HVO), химически схоже с нефтяным дизелем и может использоваться в дизельных двигателях без модификаций. Его можно производить из различного сырья из биомассы, включая растительные масла, животные жиры и отработанное кулинарное масло. Финская компания Neste является крупным производителем возобновляемого дизельного топлива.

Биогаз

Производство электроэнергии и тепла: Биогаз, полученный в результате анаэробного сбраживания, можно сжигать в установках комбинированной выработки тепла и электроэнергии (ТЭЦ) для одновременного получения электричества и тепла. Многие фермы и очистные сооружения используют биогаз для производства энергии на месте. Возобновляемый природный газ (ВПГ): Биогаз можно переработать в ВПГ путем удаления примесей и увеличения содержания метана. Затем ВПГ можно подавать в газовую сеть или использовать в качестве транспортного топлива. В Европе наблюдается рост строительства установок по производству ВПГ с использованием сельскохозяйственных отходов и ила сточных вод.

Примеры из практики: Энергия биомассы в действии по всему миру

Несколько стран успешно реализовали стратегии в области энергетики биомассы:

• Швеция: Швеция является лидером в области энергетики биомассы, значительная часть ее энергетического баланса приходится на биомассу. Страна внедрила политику поощрения использования биомассы для отопления, производства электроэнергии и транспорта.
• Бразилия: Бразилия является пионером в производстве этанола, используя сахарный тростник в качестве основного сырья. Этанол широко используется в качестве транспортного топлива, что снижает зависимость страны от импортной нефти.
• Германия: В Германии хорошо развит сектор энергетики биомассы с акцентом на производство биогаза и использование древесины для отопления.
• Соединенные Штаты: Соединенные Штаты являются крупным производителем этанола из кукурузы, а также демонстрируют рост использования биомассы для производства электроэнергии.
• Дания: Дания активно использует биомассу, включая солому и древесные пеллеты, для когенерационных установок (ТЭЦ), что вносит значительный вклад в достижение их целей в области возобновляемой энергетики.

Будущее энергии биомассы

Будущее энергии биомассы выглядит многообещающим, поскольку текущие исследования и разработки направлены на повышение эффективности, сокращение выбросов и обеспечение устойчивости. Ключевые направления развития включают:

• Усовершенствованное биотопливо: Разработка усовершенствованного биотоплива из непищевого сырья, такого как водоросли и целлюлозная биомасса, может снизить конкуренцию с производством продуктов питания и повысить устойчивость.
• Газификация и пиролиз биомассы: Эти технологии могут преобразовывать биомассу в более широкий спектр продуктов, включая топливо, химикаты и материалы.
• Улавливание и хранение углерода (CCS): Сочетание энергии биомассы с технологией CCS может создавать «отрицательные выбросы», при которых CO2 удаляется из атмосферы и хранится под землей.
• Устойчивое снабжение и управление земельными ресурсами: Внедрение устойчивых методов заготовки и управления земельными ресурсами имеет решающее значение для обеспечения долгосрочной жизнеспособности энергии биомассы.

Политика и регулирование

Государственная политика и нормативные акты играют решающую роль в содействии развитию и внедрению энергии биомассы. К ним могут относиться:

• Субсидии и стимулы: Предоставление финансовой поддержки проектам в области энергетики биомассы может помочь сделать их более конкурентоспособными по стоимости.
• Стандарты возобновляемой энергии: Установление целевых показателей по доле электроэнергии, которая должна поступать из возобновляемых источников, может стимулировать спрос на энергию биомассы.
• Ценообразование на углерод: Введение налога на углерод или системы ограничения и торговли выбросами может стимулировать использование энергии биомассы за счет удорожания ископаемого топлива.
• Стандарты устойчивости: Установление стандартов устойчивости для сырья из биомассы может помочь обеспечить экологически ответственное производство энергии биомассы.

Заключение

Энергия биомассы вносит ценный вклад в мировой энергетический баланс, предоставляя возобновляемую и потенциально углеродно-нейтральную альтернативу ископаемому топливу. Хотя проблемы остаются, постоянные технологические усовершенствования в сочетании с поддерживающей политикой и приверженностью устойчивым практикам могут раскрыть весь потенциал энергии биомассы для содействия более чистому, безопасному и устойчивому энергетическому будущему. Успешная интеграция биомассы в глобальные энергетические стратегии требует тщательного учета местных условий, доступности ресурсов и воздействия на окружающую среду, чтобы ее использование способствовало как энергетической безопасности, так и охране окружающей среды. По мере того как исследования и разработки продолжают повышать эффективность и устойчивость технологий использования биомассы, ожидается, что ее роль в мировом энергетическом ландшафте будет расти, способствуя созданию более диверсифицированной и устойчивой энергетической системы.