Біоенергетика

 

 

 

 

 

 

 

Біоенергетика — галузь енергетики, заснована на використанні біопалива, яке виробляється з біомаси.

Біомаса - біологічно  відновлювальна речовина органічного походження, що зазнає біологічного розкладу  (відходи  сільського господарства (рослинництва і тваринництва), лісового господарства та технологічно пов'язаних з ним галузей  промисловості, а  також органічна  частина  промислових  та побутових відходів.

Для України біоенергетика є одним із стратегічних напрямків розвитку сектору відновлюваних джерел енергії, враховуючи високу залежність країни від імпортних енергоносіїв, в першу чергу, природного газу, і великий потенціал біомаси, доступної для виробництва енергії. На жаль, темпи розвитку біоенергетики в Україні досі істотно відстають від європейських. На сьогоднішній день частка біомаси у валовому кінцевому енергоспоживанні становить 1,78%. Щорічно в Україні для виробництва енергії використовується близько 2 млн. т у.п./рік біомаси різних видів. На деревину припадає найвищий відсоток використання економічно доцільного потенціалу – 80%, тоді як для інших видів біомаси (за винятком лушпиння соняшника) цей показник на порядок нижче. Найменш активно (на рівні 1%) реалізується енергетичний потенціал соломи зернових культур та ріпаку.

В Україні щорічно збирається понад 50 млн. т зернових культур. У значних обсягах солома і рослинні відходи, як побічні  продукти сільськогосподарського рослинництва. Річний технічно-досяжний  енергетичний  потенціал твердої біомаси в  Україні є еквівалентним 18 млн. т н.е., а його використання дає  змогу щорічно заощаджувати  близько 22 млрд. м. куб. природного газу. Найбільший  потенціал твердої біомаси зосереджений у Полтавській,  Дніпропетровській, Вінницькій  та  Кіровоградській  областях  і становить понад 1,0 млн. т н.е./рік. Для  визначення  виходу соломи і рослинних  залишків  використовують коефіцієнт відходів - відношення урожаю соломи  або  стебел  рослин  до  урожаю зерна.  За  різними  оцінками,  на  кожну тонну  зерна  можна  отримати  1,5-2,0 т соломи  або  рослинних  залишків. 50-60% соломи  пшениці, ячменю, жита використовується  для  утримання  худоби та  удобрення  ґрунтів,  а  стебла кукурудзи  та  соняшнику  залишаються  на полях  після  збирання  врожаю.  Таким чином, в Україні є достатній енергетичний потенціал  соломи  і  рослинних  відходів. Значна  частина соломи  після  збирання  пресується у тюки, брикети та  пелети  і використовується для опалення.  На 14 підприємствах  олійної  промисловості спалюється понад  500 тис. т лушпиння соняшнику і  120 тис. т його гранулюється. Лісистість  території України  становить близько  16%  її  загальної  площі.  Щорічно заготовляється  16-17 млн. м  ділової деревини;  відходи  переробки  деревини складають до 10 млн. м. куб. На  даний  час  близько  70%  відходів деревини у вигляді тирси, трісок,  пелет  і брикетів використовується як біопаливо.

Енергетичні  культури - це  окремі види дерев  та  рослин,  що  спеціально вирощуються  для  виробництва  твердого біопалива. Вони поділяються на три окремі групи:

  • швидкоростучі дерева;
  • багаторічні трави (міскантус, шавнат);
  • однорічні трави (сорго, тритикале).

До енергетичних рослин  також належать традиційні  сільськогосподарські культури,  що  вирощуються  з  метою виробництва  біодизельного  пального (ріпак,  соняшник),  біоетанолу (кукурудза, пшениця) та біогазу (кукурудза). Одним із  напрямків використання біомаси  є  її переробка у рідке  біопаливо: біодизель та біоетанол.

Біодизель -  метилові  та/або  етилові етери  вищих  органічних  кислот,  отриманих із рослинних олій або тваринних жирів,  що використовуються як біопаливо чи біокомпонент.

Біоетанол - спирт   етиловий  зневоджений,  виготовлений  з біомаси  або спирту етилового-сирцю для використання як біопалива.

Україна має необхідні умови  для виробництва  рідких  біопалив,  як  за земельними  ресурсами  і  рослинним потенціалом,  так  і  за  наявністю  власних виробничих  потужностей.  Вже  на  сьогодні потенціал біомаси в Україні, придатний для рентабельного  виробництва  рідких біопалив  (біоетанолу  і  біодизелю)  дає підстави стверджувати про перспективність цього напрямку. Річний технічно-досяжний енергетичний  потенціал рідкого біопалива в Україні є еквівалентним  1 млн. т н.е. Його використання  дає  змогу  щорічно заощаджувати  близько  1,2  млрд. м. куб. природного  газу. Найбільший потенціал рідкого біопалива  зосереджений у Вінницькій та Полтавській областях, де він становить понад 90 тис. т н.е./рік.

Економічний  аналіз  свідчить  про загальну світову тенденцію до підвищення цін  на  енергоресурси. До того ж залежність  України  від  постачання нафтопродуктів  із  Росії  та  інших  країн робить  її  уразливою  щодо  забезпечення пальним  автотранспорту, сільськогосподарських  та  інших  машин. Тому  розширення  площ  для  вирощування ріпаку  та  організація  виробництва біодизельного  пального  із застосуванням  новітніх  світових технологій  та  обладнання  є  одним  із пріоритетних стратегічних завдань держави в галузі енергетики. Виробництво біоетанолу здійснюється переважно  на  реконструйованих спиртових заводах. Протягом  останніх  років виробництво паливного біоетанолу  налагоджено  на чотирьох спиртових заводах. Планується в найближчі три роки залучити до виробництва паливного біоетанолу ще 8 спиртових заводів. Використання рідкого біопалива  дасть  змогу  зменшити  викиди  в атмосферу  парникових  газів  і  буде  мати позитивний  вплив  на  скорочення  імпорту нафтопродуктів.

Біогаз - газ, отриманий з біомаси, що використовується як паливо. Виробництво енергії з біогазу не шкідливе для оточуючого  середовища,  оскільки  не спричиняє  додаткову  емісію  парникового газу  СО2  і  зменшує  кількість  органічних відходів. На відміну від енергії вітру і сонячного  випромінювання, біогаз можна отримувати незалежно від  кліматичних і погодних умов, а  на відміну від викопних джерел енергії біогаз в Україні має дуже великий відновлюваний потенціал. Річний теоретичний  потенціал  біогазу  в  Україні становить 3,2 млрд. м. куб.

Найбільший  потенціал біогазу зосереджений  у  Дніпропетровській, Донецькій  та  Київській  областях  і становить понад 150 тис. т н.е./рік.

Ефективним  шляхом  доповнення  та заміни  традиційних  паливно-енергетичних ресурсів  є  виробництво та  використання  біогазу,  який утворюється  в  результаті  застосування технологій  метанового  зброджування тваринницької  біомаси  і  на  60-70% складається з метану. Іншим  джерелом  біогазу є звалища сміття  на  полігонах  твердих  побутових відходів.

Крім цього,  джерелом  біогазу є стічні  води. Утилізація відстоїв міських і промислових стічних вод забезпечує  вирішення  важливих екологічних, енергетичних і  соціальних проблем міст, особливо мегаполісів. Відстої міських і промислових стічних вод мають у своєму  складі  велику  кількість органічних  речовин.

За рахунок використання  біогазу,  отриманого в результаті анаеробної ферментації біомаси, можна замінити наступні види палива:

  • природний  газ  та  зріджені  гази,  що використовуються  для  енергозабезабезпечення  промислових  і  побутових потреб;
  • бензин,  дизельне  паливо та гас у двигунах внутрішнього згоряння.

Застосування  біогазу  дає  змогу отримувати  теплову  та  електричну енергію, що є  особливо  привабливим  для фермерських господарств.

Крім цього, суттєвий негативний вплив на довкілля здійснюють звалища і полігони твердих побутових відходів (далі – ТПВ).

Закриття полігонів і сміттєзвалищ та їх використання для будівництва сучасних систем збору й утилізації біогазу матиме позитивний екологічний та соціальний ефект. Науковці розглядають полігони ТПВ як джерела відновлюваних газових родовищ. Завдяки тому, що звалища ТПВ містять значну кількість органічних відходів, у товщі звалища в умовах обмеженого доступу кисню, органічні речовини під дією природних метаноутворюючих бактерій піддаються процесу анаеробної ферментації з утворенням біогазу.

Біогаз є багатокомпонентним газом, склад його може змінюватися залежно від морфологічного складу відходів, що потрапляють на звалища, та умов їх захоронення. Проте, основними компонентами біогазу є метан (40–60 %) і вуглекислий газ (30–45 %).

До сучасних способів поводження з біогазом, отриманим зі звалищ ТПВ відносять:

  • спалювання з метою виробництва енергії;
  • збагачення і використання в якості палива в газотурбінних установках для комбінованого вироблення теплової та електричної енергії;
  • факельне спалювання з метою усунення неприємних запахів і зниження пожежної небезпеки на полігонах ТПВ;
  • використання в якості палива для газових двигунів з отриманням електричної і теплової енергії; 
  • використання біогазу в якості палива для автомобілів;
  • збагачення (підвищення вмісту метану до 94–95 %) і використання в газових мережах загального призначення в якості замінника природного газу.

Будівництво систем збору та утилізації біогазу на полігонах ТПВ увійшло в практику розвинених країн світу. Зокрема, у США з метою отримання теплової та електричної енергії для господарських і житлових об'єктах використовуються понад 150 великих полігонів. Кількість біогазових установок у цій країні налічує близько 244 одиниць, які виробляють 4,3 млрд м. куб. /рік. У Німеччині діє близько 4 тисяч біогазових установок (половина працюючих у світі). Щороку 280 заводів виробляють біогаз у обсязі 3,7 млн. т. За прогнозами фахівців, до 2020 р. у Німеччині буде функціонувати 20 тисяч біогазових установок.

Енергетичний потенціал біомаси в Україні, 2013 р.1

Вид біомаси Теоретичний потенціал,
млн. т
Частка, доступна для отримання енергії, % Економічний потенціал, млн. т у.п.
Солома зернових культур 30,6 30 4,54
Солома ріпаку 4,2 40 0,84
Відходи виробництва кукурудзи на зерно (стебла, стрижні) 40,2 40 4,39
Відходи виробництва соняшнику (стебла, кошики) 21,0 40 1,72
Вторинні відходи с/г (лушпиння, жом) 6,9 75 1,13
Деревна біомаса (дрова, порубкові залишки, відходи деревообробки) 4,2 90 1,77
Біодизель (з ріпаку) - - 0,47
Біоетанол (з кукурудзи та цукрових буряків) - - 0,99
Біогаз з відходів та побічної продукції АПК 1,6 млрд. м3
метану (СН4)
50 0,97
Біогаз з полігонів ТПВ 0,6 млрд. м3
СН4
34 0,26
Біогаз із стічних вод (промислових та комунальних) 1,0 млрд. м3
СН4
23 0,27
Енергетичні культури:
- верба, тополя, міскантус 11,5 млрд. м3 СНд 902 6,28
- кукурудза (біогаз) 3,3 млрд. м3 СНд 902 3,68
Торф - - 0,40
Всього - - 27,71

1 Експертна оцінка Біоенергетичної асоціації України. До консервативної оцінки авторів включено основні види біомаси, що мають суттєвий вплив на обсяг потенціалу. На практиці джерел біомаси набагато більше - відходи зерноочищення елеваторів, бадилля цукрового буряку, біомаса очерету та ін.

2 Враховуються втрати при збиранні врожаю.