Біоенергія: минуле, сьогодення і майбутнє

Енергія біомаси або біоенергія – один із відновлюваних джерел енергії, який може сприяти вирішенню глобальних проблем, пов’язаних зі зміною клімату, енергетичною безпекою, зростанням населення та повальним збільшенням попиту на енергію. Біоенергія відіграє важливу роль у багатьох сценаріях низьковуглецевого розвитку і може бути особливо корисна в секторі транспортних перевезень на великі відстані, де інші альтернативні джерела енергії не настільки доступні. Розширена роль біоенергії залишається предметом дискусій, а іноді й суперечок щодо стійкості виробництва і використання.

Давайте більш детально розглянемо технології біоенергії, її поточний статус та перспективи на майбутнє.

Технології біоенергетики

Біопаливо

На відміну від інших відновлюваних джерел енергії (ВДЕ), біомаса може бути перетворена на рідке паливо – біопаливо – для транспортних потреб. Два найпоширеніші види цього палива – етанол і біодизель. Етанол, в основному, використовують як додаток до палива для скорочення викидів чадного газу та інших викидів, що викликають смог. Є автомобілі, які працюють на суміші бензину (не менше 15%) й етанолу (до 85%).

Щорічне світове виробництво етанолу збільшилося на 3,8% у період із 2016 до 2017 року зі 101 млрд до 105,5 млрд літрів. США і Бразилія – лідери виробництва, разом склали 84% світового виробництва в 2017 році. За ними йдуть Китай, Канада й Таїланд (рис. 1).

У 2015 році Китай став найбільшим імпортером етанолу. Однак, оскільки внутрішнє виробництво в Піднебесній збільшилося, на початку 2017 року в країні були введені тарифні бар’єри, що значно скоротило імпорт. Бразилія також ввела квоту на імпорт.

Компанія Poet (США) збільшила виробничу потужність свого етанолового заводу з 265 млн до 568 млн літрів (від 70 млн до 150 млн галонів) на рік. У 2017 році в Бразилії запущено підприємство з виробництва етанолу з кукурудзи, яке може виробляти близько 227 млн літрів (60 млн галонів) етанолу на рік.

Навпаки, другий за величиною завод із виробництва етанолу в Європі (і найбільший у Великобританії) відключений в 2017 році через невизначеність на ринку, включаючи відсутність прогресу в розробці конкретних пропозицій в Королівстві.

Щодо біодизеля, його виробляють шляхом об’єднання спирту (зазвичай метанолу) з рослинною олією, тваринним жиром або переробленими кулінарними змазками. Використовується як добавка для зниження викидів від транспортних засобів (зазвичай на 20%) або в чистому вигляді як відновлюване альтернативне паливо для дизельних двигунів. Інші види біопалива включають компоненти метанолу та бензину.

Хоча 2017 року Європа була найпродуктивнішим регіоном, однак провідні країни з виробництва біодизеля – США (16% світового виробництва), Бразилія (11%), Німеччина (9%), Аргентина (9%) та Індонезія (7%).

Міжнародна торгівля біодизелем значно постраждала від зміни імпортних тарифів. США ввели антидемпінгове мито на імпорт з Індонезії й Аргентини.

Біоенергетика

Існує шість основних типів біоенергетичних систем (рис. 2):

• пряме спалювання;
• спалювання;
• газифікація;
• анаеробне зброджування;
• піроліз;
• невеликі модульні.

Більшість біоелектростанцій у світі використовують системи прямого запуску. Вони спалюють біоенергетичну сировину безпосередньо для виробництва пари. Ця пара зазвичай захоплюється турбіною, а потім генератор перетворює її в електрику. У деяких галузях теплову енергію пари також використовують для виробничих процесів або опалення будівель. Вони відомі як комбіновані теплоенергетичні об’єкти. Наприклад, деревні відходи часто використовують для виробництва електроенергії та пари на паперових фабриках.

Чимало вугільних електростанцій використовують системи спалювання для значного скорочення викидів, особливо двоокису сірки. Спалювання включає використання біоенергетичної сировини як додаткового джерела енергії в високоефективних котлах.

Системи газифікації використовують високі температури і брак кисню для перетворення біомаси в газ (суміш водню, окису вуглецю та метану). Газ живить так звану газову турбіну, яка дуже схожа на реактивний двигун, тільки він обертає електричний генератор, а не приводить у рух струмінь.

При розпаді біомаси утворюється метан, який використовують як джерело енергії. Наприклад, на звалищах можна бурити свердловини, щоб випустити метан із органічної речовини, що розкладається. Труби з кожної свердловини переносять біогаз у центральну точку, де він фільтрується та очищується перед спалюванням. Метан також може бути отриманий з біомаси в процесі, який називають анаеробним зброджуванням. Воно включає використання бактерій для розкладання органічних речовин за відсутності кисню.

Більшість установок спалює метан у котлі для виробництва пари з метою вироблення електроенергії або для промислових процесів. Два нових способи включають використання мікротурбін і паливних елементів. Мікротурбіни мають потужність від 25 до 500 кіловат.

Сполучені Штати є найбільшим ринком для біометану: виробництво палива в країні стимулювалося з 2015 року, коли біометан був вперше включений в категорію високотехнологічного целюлозного біопалива. Споживання біогазу в США виросло майже ушестеро з 2014-го до 2016 року, потім збільшилося ще на 15% в 2017 році.

В Європі споживання біометану зросло на 12% в період з 2015-го до 2016 року. Виробництво і використання були зосереджені в Швеції (4,7 ПДж), де виробництво метану з харчових відходів заохочується та є частиною політики сталого скорочення відходів. Німеччина (1,3 ПДж) – другий за величиною в Європі користувач біометану у секторі транспортних перевезень (дані за 2016 р.).

На додаток до газу, рідке паливо може бути вироблене з біомаси за допомогою процесу, який називають піролізом. Піроліз відбувається, коли біомаса без доступу кисню нагрівається і перетворюється на рідину, яку можна спалювати, як нафту, для вироблення електроенергії.

Комерціалізація теплових процесів, таких як піроліз і газифікація, також просунулася в 2017 році. Enerkem (Канада) адаптував свою промислову газифікаційну установку, яка переробляє 300 тонн відсортованих муніципальних відходів на день, щоб виробляти етанол замість метанолу і паливо.

Кілька біоенергетичних технологій можуть бути використані в невеликих модульних системах. Така система виробляє електроенергію потужністю до 5 МВт і призначена для використання на рівні невеликого міста чи навіть споживача. Наприклад, деякі фермери використовують гній, щоб забезпечити себе електрикою.

Біопродукти

Які б продукти ми не робили з викопного палива, ми можемо їх же виробляти з біомаси. Дослідники виявили, що в процесі виробництва біопалива вивільняються сахариди, які входять до складу крохмалю та целюлози рослин, також можуть бути використані для виготовлення антифризу, пластика, клеїв, штучних підсолоджувачів і гелю для зубної пасти.

Інші важливі блоки для біопродуктів включають окис вуглецю і водню. Коли біомаса нагрівається з невеликою кількістю кисню, ці два гази виробляються в достатній кількості. Вчені називають цю суміш газом біосинтезу. Він може бути використаний для виготовлення пластмас і кислот, із яких потім виготовлять фотоплівки, текстиль та синтетичні тканини.

Історичний екскурс

Біоенергетика така ж давня, як і сама цивілізація. Деревина, гній і деревне вугілля використовувалися з часу відкриття людиною вогню і до сьогодні – для приготування їжі та опалення в багатьох громадах у країнах, що розвиваються. Навіть рідке біопаливо – оливкова олія і китовий жир – широко використовувалося в середині XVIII і початку XIX століть.

Перші автомобілі були створені для роботи на біопаливі. Перший двигун внутрішнього згоряння, запатентований в США в 1826 році, розроблений для роботи на суміші етанолу та скипидару (отриманого з соснових дерев). Генрі Форд розробив свою оригінальну модель T 1908 року для роботи на етанолі, а Рудольф Дизель мав намір заправити свій двигун рослинною олією.

В середині 1800-х років вугілля стало широко доступним, був винайдений гас (перша горюча вуглеводнева рідина) і почалося буріння перших комерційних нафтових свердловин. Отже, великий запас, низька ціна, ефективність і практичність викопного палива знизили апетит до біопалива в той час.

Під час Першої світової війни нестача нафти призвела до зростання попиту на етанол, який, як виявилося, можна змішувати з бензином для отримання відповідного моторного палива.

З 1970-х років низка нафтових криз викликала відновлення інтересу до біопалива. Це спонукало США і Бразилію почати його сучасне великомасштабне виробництво. Останні 10 років біопаливо використовували для вирішення глобальних проблем у світі: скорочення поставок викопного палива, високі ціни на нафту і зміна клімату.

Сьогоднішній стан галузі

Протягом 2017 року кілька країн запровадили політику підтримки виробництва і використання біоенергії. Наприклад, у Бразилії це ініціатива RenovaBio. Того ж року Індія виступила з великою ініціативою щодо підвищення рівня внутрішнього виробництва і використання біопалива. В Європейському союзі, навпаки, тривають дебати про роль біоенергії в Директиві ЄС із ВДЕ з обмеженнями, які будуть уведені щодо біопалива на «харчовій основі». Кількість споживання біоенергії по секторам відрізняється, дивіться рис. 3.

Німеччина – найбільший споживач (0,52 ЕДж) біопалива в ЄС, за нею йдуть Франція (0,45 ЕДж), Швеція (0,36 ЕДж), Італія (0,32 ЕДж) і Фінляндія (0,30 ЕДж). Із 2007 року споживання теплової енергії, виробленої з біомаси, в ЄС збільшилося більш ніж на 30%. Найбільш швидкозростаючий ринок за цей період – Великобританія, де споживання біопалива виросло більш ніж уп’ятеро завдяки британській програмі стимулювання використання відновлюваних джерел тепла. Європа – найбільший споживач сучасного біопалива. У 2016 році ЄС використовував приблизно 3,6 ЕДж тепла, отриманого з біомаси (рис. 4).

Понад 50% глобального використання біопалива в промисловості припадає на три країни: Бразилію, Індію та США. Китай використовував близько 8 мільйонів тонн біомаси (що еквівалентно 120 ПДж) у промисловому секторі в 2016 році і планує збільшення до 30 мільйонів тонн (450 ПДж) до 2020 року.

Глобальна потужність біоелектрики (вироблення електроенергії з біомаси) збільшилася на 7% в період з 2016 по 2017 рік до 122 ГВт. Загальне вироблення біоелектрики в світі виросло на 11% в 2017 році до 555 ТВт-год. Китай тепер обігнав США як найбільший виробник біоелектрики. Також великі світові виробники – Бразилія, Німеччина, Японія, Великобританія й Індія (рис. 5).

Перспектива розвитку галузі

Сучасна біоенергетика матиме найбільше зростання відновлюваних ресурсів у період з 2018 до 2023 року, що підкреслює її найважливішу роль у створенні надійного портфеля ВДЕ і забезпеченні більш безпечної й сталої енергетичної системи, згідно з останнім прогнозом ринку Міжнародного енергетичного агентства (рис. 6, 7).

У довгостроковій перспективі біоенергетика відіграє важливу роль у низьковуглецевій енергетичній системі. Прогнозується, що сучасна біоенергетика в кінцевому загальному споживанні енергії до 2060 року збільшиться учетверо (рис. 8). Це описано в можливому сценарії МЕА при 2 °C (2DS), який прагне обмежити підвищення глобальних середніх температур більш ніж на 2 °C до 2100 року, щоб уникнути гірших наслідків зміни клімату. В рамках цього сценарію біоенергетика відіграє особливо важливу роль у транспортному секторі, де допомагає декарбонізувати далекомагістральні перевезення вантажів (в тому числі авіаційні та морські).