Биоэнергия: прошлое, настоящее и будущее

Энергия биомассы или биоэнергия – один из возобновляемых источников энергии, способствующий решению глобальных проблем, связанных с изменением климата, энергетической безопасностью, ростом населения и повальным увеличением спроса на энергию. Биоэнергия играет немаловажную роль во многих сценариях низкоуглеродного развития и может быть особенно полезна в секторе транспортных перевозок на большие расстояния, где другие альтернативные источники энергии не столь доступны. Расширенная роль биоэнергии остается предметом дискуссий, а иногда и споров по поводу устойчивости производства и использования.

Давайте подробнее рассмотрим технологии биоэнергии, ее текущий статус и перспективы на будущее.

Технологии биоэнергетики

Биотопливо

В отличие от других возобновляемых источников энергии (ВИЭ), биомасса может быть превращена в жидкое топливо – биотопливо – для транспортных нужд. Два самых распространенных вида этого топлива – этанол и биодизель. Этанол, в основном, используют как дополнение к топливу для сокращения выбросов угарного газа и других вызывающих смог выбросов. Есть автомобили, работающие на смеси бензина (не менее 15%) и этанола (до 85%).

Ежегодное мировое производство этанола увеличилось на 3,8% в период с 2016 по 2017 год со 101 млрд до 105,5 млрд литров. США и Бразилия – лидеры производства, вместе составили 84% мирового производства в 2017 году. За ними следуют Китай, Канада и Таиланд (рис. 1).

В 2015 году Китай стал самым крупным импортером этанола. Однако поскольку внутреннее производство в Поднебесной увеличилось, в начале 2017 года в стране были введены тарифные барьеры, что значительно сократило импорт. Бразилия также ввела квоту на импорт.

Компания Poet (США) увеличила производственную мощность своего этанолового завода с 265 млн до 568 млн литров (от 70 млн до 150 млн галлонов) в год. В 2017 году в Бразилии запущено предприятие по производству этанола из кукурузы, которое может производить около 227 млн. литров (60 млн. галлонов) этанола в год.

Напротив, второй по величине завод по производству этанола в Европе (и самый большой в Великобритании) отключен в 2017 году из-за неопределенности на рынке, включая отсутствие прогресса в разработке конкретных предложений в Королевстве.

Относительно биодизеля его производят путем объединения спирта (обычно метанола) с растительным маслом, животным жиром или переработанными кулинарными смазками. Используется в качестве добавки для снижения выбросов от транспортных средств (обычно на 20%) или в чистом виде как возобновляемое альтернативное топливо для дизельных двигателей. Другие виды биотоплива включают компоненты метанола и бензина.

Хотя в 2017 году Европа была самым продуктивным регионом, однако ведущие страны по производству биодизеля – США (16% мирового производства), Бразилия (11%), Германия (9%), Аргентина (9%) и Индонезия (7%).

Международная торговля биодизелем значительно пострадала от изменения импортных тарифов. США ввели антидемпинговую пошлину на импорт из Индонезии и Аргентины.

Биоэнергетика

Существует шесть основных типов биоэнергетических систем (рис. 2):

• прямое сжигание;
• сожжение;
• газификация;
• анаэробное сбраживание;
• пиролиз;
• небольшие модульные.

Большинство биоэлектростанций в мире используют системы прямого запуска. Они сжигают биоэнергетическое сырье непосредственно для производства пара. Эта пара обычно увлекается турбиной, а затем генератор превращает ее в электричество. В некоторых отраслях тепловую энергию пара также используют для производственных процессов или отопления зданий. Они известны как комбинированные теплоэнергетические объекты. К примеру, древесные отходы часто используют для производства электроэнергии и пара на бумажных фабриках.

Многие угольные электростанции используют системы сжигания для значительного сокращения выбросов, особенно двуокиси серы. Сжигание включает в себя использование биоэнергетического сырья в качестве дополнительного источника энергии в высокоэффективных котлах.

Системы газификации используют высокие температуры и недостаток кислорода для превращения биомассы в газ (смесь водорода, окиси углерода и метана). Газ питает так называемую газовую турбину, очень похожую на реактивный двигатель, только он вращает электрический генератор, а не приводит в движение струю.

При распаде биомассы появляется метан, который употребляется как источник энергии. Например, на свалках можно бурить скважины, чтобы выпустить метан из разлагаемого органического вещества. Трубы каждой скважины переносят биогаз в центральную точку, где он фильтруется и очищается перед сжиганием. Метан также может быть получен из биомассы в процессе, который называют анаэробным сбраживанием. Оно включает использование бактерий для разложения органических веществ при отсутствии кислорода.

Большинство установок сжигает метан в котле для производства пара с целью выработки электроэнергии или для промышленных процессов. Два новых способа включают в себя использование микротурбин и топливных элементов. Микротурбины имеют мощность от 25 до 500 киловатт.

Соединенные Штаты являются крупнейшим рынком для биометан: производство топлива в стране стимулировалось с 2015 года, когда биометан был впервые включен в категорию высокотехнологичного целлюлозного биотоплива. Потребление биогаза в США выросло почти в шесть раз с 2014-го по 2016 год, затем увеличилось еще на 15% в 2017 году.

В Европе потребление биометана выросло на 12% в период с 2015-го по 2016 год. Производство и использование были сосредоточены в Швеции (4,7 ПДж), где поощряется производство метана из пищевых отходов и является частью политики устойчивого сокращения отходов. Германия (1,3 ПДж) – второй по величине в Европе пользователь биометана в секторе транспортных перевозок (данные за 2016 г.).

В дополнение к газу жидкое топливо может быть произведено из биомассы с помощью процесса, который называют пиролизом. Пиролиз происходит, когда биомасса без доступа кислорода нагревается и превращается в жидкость, которую можно сжигать, как нефть, для выработки электроэнергии.

Коммерциализация тепловых процессов, таких как пиролиз и газификация также продвинулась в 2017 году. Enerkem (Канада) адаптировал свою промышленную газификационную установку, перерабатывающую 300 тонн отсортированных муниципальных отходов в день, чтобы производить этанол вместо метанола и топлива.

Несколько биоэнергетических технологий может быть использовано в небольших модульных системах. Такая система производит электроэнергию мощностью до 5 МВт и предназначена для использования на уровне небольшого города или потребителя. Например, некоторые фермеры используют навоз, чтобы обеспечить себя электричеством.

Биопродукты

Какие бы продукты мы ни делали из ископаемого топлива, мы можем их производить из биомассы. Исследователи обнаружили, что в процессе производства биотоплива высвобождаются сахариды, входящие в состав крахмала и целлюлозы растений, также могут использоваться для изготовления антифриза, пластика, клеев, искусственных подсластителей и геля для зубной пасты.

Другие важные блоки для биопродуктов включают окись углерода и водорода. Когда биомасса нагревается с небольшим количеством кислорода, эти два газа производятся в достаточном количестве. Ученые называют эту смесь газом биосинтеза. Он может использоваться для изготовления пластмасс и кислот, из которых затем изготовят фотопленки, текстиль и синтетические ткани.

Исторический экскурс

Биоэнергетика так же древняя, как и сама цивилизация. Древесина, навоз и древесный уголь использовались со времени открытия человеком огня и по сей день – для приготовления пищи и отопления во многих общинах в развивающихся странах. Даже жидкое биотопливо – оливковое масло и китовый жир – широко использовалось в середине XVIII и начале XIX веков.

Первые автомобили были созданы для работы на биотопливе. Первый двигатель внутреннего сгорания, запатентованный в США в 1826 г., разработан для работы на смеси этанола и скипидара (полученного из сосновых деревьев). Генри Форд разработал свою оригинальную модель T 1908 для работы на этаноле, а Рудольф Дизель намеревался заправить свой двигатель растительным маслом.

В середине 1800-х годов уголь стал широко доступным, был изобретен керосин (первая горючая углеводородная жидкость) и началось бурение первых нефтяных коммерческих скважин. Следовательно, большой запас, низкая цена, эффективность и практичность ископаемого топлива снизили аппетит биотоплива в то время.

Во время Первой мировой войны недостаток нефти привел к росту спроса на этанол, который, как оказалось, можно смешивать с бензином для получения соответствующего моторного топлива.

С 1970-х годов ряд нефтяных кризисов вызвал возобновление интереса к биотопливу. Это побудило США и Бразилию начать его современное крупномасштабное производство. Последние 10 лет биотопливо использовали для решения глобальных проблем в мире: сокращение поставок ископаемого топлива, высокие цены на нефть и изменение климата.

Сегодняшнее состояние отрасли

В течение 2017 года несколько стран ввели политику поддержки производства и использования биоэнергии. К примеру, в Бразилии это инициатива RenovaBio. В том же году Индия выступила с большой инициативой по повышению уровня внутреннего производства и использованию биотоплива. В Европейском союзе, напротив, продолжаются дебаты о роли биоэнергии в Директиве ЕС по ВИЭ с ограничениями, которые будут введены в отношении биотоплива на «пищевой основе». Количество потребления биоэнергии по секторам отличается, см. рис. 3.

Германия – крупнейший потребитель (0,52 ЭДж) биотоплива в ЕС, за ней следуют Франция (0,45 ЭДж), Швеция (0,36 ЭДж), Италия (0,32 ЭДж) и Финляндия (0,30 ЭДж). С 2007 года потребление тепловой энергии, производимой из биомассы, в ЕС увеличилось более чем на 30%. Наиболее быстрорастущий рынок за этот период – Великобритания, где потребление биотоплива выросло более чем в пять раз благодаря британской программе стимулирования использования возобновляемых источников тепла. Европа – крупнейший потребитель современного биотоплива. В 2016 году ЕС использовал примерно 3,6 ЭДж тепла, полученного из биомассы (рис. 4).

Более 50% глобального использования биотоплива в промышленности приходится на три страны: Бразилию, Индию и США. Китай использовал около 8 миллионов тонн биомассы (что эквивалентно 120 ПДж) в промышленном секторе в 2016 году и планирует увеличение до 30 миллионов тонн (450 ПДж) к 2020 году.

Глобальная мощность биоэлектричества (выработка электроэнергии из биомассы) увеличилась на 7% в период с 2016 по 2017 год до 122 ГВт. Общая выработка биоэлектричества в мире выросла на 11% в 2017 году до 555 ТВт-час. Китай теперь обогнал США как крупнейший производитель биоэлектричества. Также крупные мировые производители – Бразилия, Германия, Япония, Великобритания и Индия (рис. 5).

Перспектива развития отрасли

Современная биоэнергетика будет иметь наибольший рост возобновляемых ресурсов в период с 2018 по 2023 год, что подчеркивает ее важнейшую роль в создании надежного портфеля ВИЭ и обеспечении более безопасной и устойчивой энергетической системы, согласно последнему прогнозу рынка Международного энергетического агентства (рис. 6, 7).

В долгосрочной перспективе биоэнергетика играет немаловажную роль в низкоуглеродистой энергетической системе. Прогнозируется, что современная биоэнергетика в конечном общем потреблении энергии к 2060 году увеличится в четыре раза (рис. 8). Это описано в возможном сценарии МЭА при 2 °C (2DS), который стремится ограничить повышение глобальных средних температур более чем на 2 °C к 2100 г., чтобы избежать худших последствий изменения климата. В рамках этого сценария биоэнергетика играет особенно важную роль в транспортном секторе, где помогает декарбонизировать дальнемагистральные перевозки грузов (в том числе авиационные и морские).