Биоэнергия: прошлое, настоящее, будущее

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

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

Технологии биоэнергетики

Биотопливо

В отличие от других возобновляемых источников энергии (ВИЭ), биомасса может быть преобразована в жидкое топливо – биотопливо – для транспортных нужд. Два наиболее распространенные вида этого топлива – этанол и биодизель. Этанол, в основном, используется в качестве присадки к топливу для сокращения выбросов угарного газа и других выбросов, вызывающих смог. Есть автомобили, которые работают 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 с 101 млрд до 105,5 млрд литров. США и Бразилия – лидеры производства, вместе составили 84% мирового производства в 2017 году. За ними идут Китай, Канада и Таиланд (рис. 1).

Рис. 1. Тенденции в производстве этанола, биодизеля и гидроочищенного растительного масло / гидроочищенных эфирных и жирных кислот, 2007-2017. Источник: REN21, Renewables 2018, Global Status Report, 2018.
Рис. 1. Тенденции в производстве этанола, биодизеля и гидроочищенного растительного масло / гидроочищенных эфирных и жирных кислот, 2007-2017. Источник: REN21, Renewables 2018, Global Status Report, 2018.

В 2015 году Китай стал 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 крупнейший в Великобритании) отключен в 2017 году из-за неопределенности на рынке, включая отсутствие прогресса в разработке конкретных предложений в Королевстве.

Что касается биодизеля, то 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 в качестве возобновляемого альтернативного топлива для дизельных двигателей. Другие виды биотоплива включают компоненты метанола и бензина.

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

Международная торговля биодизелем сильно пострадала от изменения импортных тарифов. США ввели антидемпинговые пошлины на импорт из Индонезии и Аргентины.

Биоэнергетика

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

  • прямое сжигание;
  • сжигание;
  • газификация;
  • анаэробное сбраживание;
  • пиролиз;
  • небольшие модульные.
Рис. 2. Энергетические ресурсы биомассы на примере Ирана. Источник: сайт onlinelibrary.wiley.com. University of Tehran. A Sustainable Power Supply System, Iran’s Opportunities via Bioenergy, 2018.
Рис. 2. Энергетические ресурсы биомассы на примере Ирана. Источник: сайт onlinelibrary.wiley.com. University of Tehran. A Sustainable Power Supply System, Iran’s Opportunities via Bioenergy, 2018.

Большинство биоэлектростанций в мире используют системы прямого запуска. Они сжигают биоэнергетическое сырье напрямую для производства пара. Этот пар обычно захватывается турбиной, а затем генератор преобразует его в электричество. В некоторых отраслях тепловую энергию пара также используют для производственных процессов или отопления зданий. Они известны как комбинированные теплоэнергетические объекты. Например, древесные отходы часто используют для производства электроэнергии и пара на бумажных фабриках.

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

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

При распаде биомассы образуется метан, который используют в качестве источника энергии. К примеру, на свалках можно бурить скважины, чтобы выпустить метан из разлагающегося органического вещества. Трубы из каждой скважины переносят биогаз в центральную точку, где он фильтруется и очищается перед сжиганием. Метан также может быть получен из биомассы в процессе, называемом анаэробным сбраживанием. Оно включает использование бактерий для разложения органических веществ в отсутствие кислорода.

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

Соединенные Штаты являются крупнейшим рынком для биометана: 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 в период с 2014 по 2016 год, затем увеличилось еще на 15% в 2017 году.

В Европе потребление биометана выросло на 12% в период с 2015 по 2016 год. Производство и использование были сосредоточены в Швеции (4,7 ПДж), где производство метана из пищевых отходов поощряется как часть политики устойчивого сокращения отходов. Германия (1,3 ПДж) – второй по величине в Европе пользователь биометана для транспорта в 2016 году.

В дополнение к газу, жидкое топливо может быть произведено из биомассы посредством процесса, называемого пиролизом. Пиролиз происходит, когда биомасса без доступа кислорода нагревается и превращается в жидкость – пиролизное масло, которое 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, которая перерабатывает 300 тонн отсортированных муниципальных отходов в день, чтобы производить этанол вместо метанола и топливо.

Несколько биоэнергетических технологий могут быть использованы в небольших модульных системах. Например, некоторые фермеры используют навоз, чтобы обеспечить себя электричеством.

Биопродукты

Какие бы продукты мы ни делали из ископаемого топлива, мы можем их же производить из биомассы. Исследователи обнаружили, что в процессе производства биотоплива высвобождающиеся сахара, входящие в состав крахмала и целлюлозы растений, также могут быть использованы 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 изобилии. Ученые называют эту смесь газом биосинтеза.

Исторический экскурс

Биоэнергетика так же стара, как и сама цивилизация. Древесина, навоз и древесный уголь использовались с тех пор, как человек открыл огонь, и до сих пор используется для приготовления пищи и отопления во многих общинах в развивающихся странах.

Первые автомобили были созданы для работы на биотопливе. Первый двигатель внутреннего сгорания, запатентованный в США в 1826 году, разработан для работы на смеси этанола и скипидара (полученного из сосновых деревьев). Генри Форд разработал свою оригинальную модель T 1908 года 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 коммерческих нефтяных скважин. Следовательно, большой запас, низкая цена, эффективность и практичность ископаемого топлива снизили аппетит к биотопливу в то время.

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

С 1970-х годов череда нефтяных кризисов вызвала возобновление интереса к биотопливу. Это привело к тому, что США и Бразилия начали 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.

Состояние отрасли на сегодняшний день

В течение 2017 года несколько стран внедрили политику поддержки производства и использования биоэнергии. Например, в Бразилии это инициатива RenovaBio. В том же году Индия выступила с крупной инициативой по повышению уровня внутреннего производства и использования биотоплива. Напротив, в Европейском союзе 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, смотрите рис. 3.

Рис. 3. Доли биоэнергии в общем конечном энергопотреблении, в целом и по секторам на 2016 г. Источник: REN21, Renewables 2018, Global Status Report, 2018.
Рис. 3. Доли биоэнергии в общем конечном энергопотреблении, в целом и по секторам на 2016 г. Источник: REN21, Renewables 2018, Global Status Report, 2018.

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, произведенной из биомассы, в ЕС увеличилось более чем на 30%. Наиболее быстро растущий рынок за этот период – Великобритания, где потребление биотоплива выросло более чем в 5 раз благодаря британской программе стимулирования использования возобновляемых источников тепла. Европа – крупнейший потребитель современного биотоплива. В 2016 году ЕС использовал приблизительно 3,6 ЭДж тепла, полученного из биомассы (рис.4).

Рис. 4. Потребление тепловой энергии из биологических отходов в ЕС, по странам и источникам топлива, 2006-2016. Источник: REN21, Renewables 2018, Global Status Report, 2018.
Рис. 4. Потребление тепловой энергии из биологических отходов в ЕС, по странам и источникам топлива, 2006-2016. Источник: REN21, Renewables 2018, Global Status Report, 2018.

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.

Глобальная мощность биоэлектричества (выработка электроэнергии из биоэнергии) 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).

Рис. 5. Глобальное производство биоэнергии по регионам, 2007-2017 гг. Источник: REN21, Renewables 2018, Global Status Report, 2018.
Рис. 5. Глобальное производство биоэнергии по регионам, 2007-2017 гг. Источник: REN21, Renewables 2018, Global Status Report, 2018.

Перспектива развития отрасли

Современная биоэнергетика будет иметь самый большой 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).

Рис. 6. Прогноз потребления возобновляемой энергии по технологии, 2017-2023. Источник: онлайн издание Bioenergy international, Modern bioenergy leads the growth of all renewables to 2023 – IEA market forecast, Oct’18.
Рис. 6. Прогноз потребления возобновляемой энергии по технологии, 2017-2023. Источник: онлайн издание Bioenergy international, Modern bioenergy leads the growth of all renewables to 2023 – IEA market forecast, Oct’18.
Рис. 7. Биоэнергетика. Историческое развитие и цели. Источник: официальный сайт МЭА, Bioenergy power generation Tracking Clean Energy Progress, Dec’18.
Рис. 7. Биоэнергетика. Историческое развитие и цели. Источник: официальный сайт МЭА, Bioenergy power generation Tracking Clean Energy Progress, Dec’18.

В долгосрочной перспективе биоэнергетика играет важную роль в низкоуглеродной энергетической системе. Прогнозируется, что современная биоэнергетика в конечном общем потреблении энергии к 2060 году увеличивается в четыре раза (рис. 8). Это описано в предположенном сценарии МЭА при 2 °C (2DS), который стремится ограничить повышение глобальных средних температур более чем на 2 °C к 2100 году, 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).

Рис. 8. Современная биоэнергетика в конечном потреблении энергии. Источник: IEA Bioenergy presentation. IEA Bioenergy TCP: preparing the role of bioenergy in the future energy system, p.15, Dec’17.
Рис. 8. Современная биоэнергетика в конечном потреблении энергии. Источник: IEA Bioenergy presentation. IEA Bioenergy TCP: preparing the role of bioenergy in the future energy system, p.15, Dec’17.