В настоящее время всё острее поднимается вопрос поиска альтернативных и возобновляемых источников тепловой энергии. В качестве их предлагаются самые разнообразные материалы: дрова, лигнин, кизяк, бытовой мусор, спирт, биодизель, биогаз. Рассмотрим эти материалы с точки зрения технологий их получения, хранения и применения.
Дрова
Топливная древесина – неплохой источник тепловой энергии. Огромное её количество образуется как отход деревообработки. Переработка отходов лесопилок в топливо легко производится на месте высокопроизводительным и компактным оборудованием. Нет особых проблем при хранении, транспортировке и применении. Из недостатков дров можно упомянуть только то, что их теплотворная способность сильно зависит от влажности материала.
Однако, хотя объёмы отходов при лесопереработке и велики, тем не менее, их количества недостаточно для полного покрытия потребностей в тепловой энергии. Кроме того, данные отходы являются сырьём ещё для ряда производств, таких как изготовление ДВП, ДСП и ксилолита, получение растворителей и канифоли. Предположим, что нам поставлена задача увеличить долю дров в топливном балансе. Для этого придётся вырубать леса или зачищать буреломы. Первый подход технически легко реализуем, но лес растёт медленно, следовательно при массовой вырубке произойдёт быстрое истощение запасов. Мировая история знает массу подобных примеров полного сведения лесов. Второй подход технически реализуем трудно, так как проходимость техники по нетронутому лесу очень мала. Следовательно, необходима большая доля ручного труда по разделке и доставке поваленных деревьев к транспортной магистрали. Кроме того, доля вывала в общем балансе леса невелика и данный ресурс истощится быстро. Один из подходов предполагал выведение специальных быстрорастущих пород деревьев, которые достигали бы зрелости уже через 15 – 20 лет после посадки. Однако он чрезвычайно трудоёмок, так как помимо вырубки леса необходимо прикладывать массу усилий для его правильного выращивания.
Итог.
Технически получение, хранение и применение топливной древесины трудностей не представляет. Некоторые усилия должны прилагаться лишь для правильного хранения, но это нельзя считать сколько-либо серьёзной проблемой. Возобновляемость данного ресурса под вопросом, так как растёт дерево достаточно медленно. Древесина хорошо пригодна для котельных в посёлках имеющих лесоперерабатывающие предприятия, но не может быть основой топливного баланса страны.
Лигнин
Лигнин является отходом при получении целлюлозы и гидролизного спирта. Значительная часть лингина сжигается на месте, для обеспечения тепловой энергией процессов бисульфитной варки или перегонки спирта. Некоторое количество расходуется для производства модифицирующих добавок в бетон, получения ванилина и метанола. Большая часть идёт в отвалы. По теплотворной способности сухой лигнин мало уступает древесине и вполне может быть использован как топливо. Хранение топливного лигнина не является проблемой: главное укрыть его от воды. Главными недостатками являются повышенное содержание серы, что связано с технологий его получения и высокая влажность получаемого лигнина. Полное удаление серы очень проблематично, а сушка – энергозатратна. Увеличение объёмов производства топливного лингина смысла не имеет, так как его выработка привязана к потреблению бумаги и технического спирта, которые сбалансированы.
Итог.
Производство лигнина является хорошо отработанным процессом. Некоторые затраты требуются только на дополнительную сушку перед сжиганием. Хранение лигнина требует лишь защиты от воды и также трудностей не представляет. Сжигание лигнина связано с повышением выбросов серы, что негативно скажется на экологии региона. Данный ресурс является возобновляемым, но организация его дополнительного производства смысла не имеет. Применение топливного лигнина, на мой взгляд, имеет смысл только при условии его предварительного пиролиза. В этом случае продуктами являются высокочистый уголь и сравнительно небольшое количество жидких продуктов, основными из которых являются метанол и вода. Выделяющаяся при пиролизе двуокись серы легко улавливается, так как она мало загрязнена углекислым газом и иными кислыми примесями.
Солома
Огромное количество соломы получается при уборке всех типов злаковых культур. Она обладает хорошей теплотворной способностью в пересчёте на сухой вес, но этот показатель сильно снижается при пересчёте на объём и очень сильно зависит от влажности. Хранение соломы требует тщательной защиты от воды и в целом представляет проблему, так как объёмы соломы очень велики. Сжигание соломы представляет некоторую трудность, так как количество (объём) сжигаемой соломы должно быть значительно больше, чем угля или древесины и скорость её подачи в топку должна быть велика. Впрочем, эта проблема достаточно легко решается изготовлением специализированной производительной системы подачи. Второй способ её решения – прессование соломы в топливные брикеты. После проведения этой процедуры солома не уступает по своим параметрам древесине. Увеличение производства соломы напрямую связано с приростом производства зерна и в целом с эффективностью сельского хозяйства. Приготовление топлива из быстрорастущих трав тоже перспективно, но в этом случае необходимо учитывать нужды животноводства.
Итог.
Производство соломы является хорошо отработанным процессом. Некоторые затраты требуются на дополнительную сушку или переработку перед сжиганием. Хранение соломы требует защиты от воды и представляет некоторые трудности, так как объёмы соломы очень велики. Солома является полностью возобновляемым ресурсом, дополнительное производство которого можно организовать на переработке кормовых трав.
Кизяк
Кизяк является своеобразным топливом, широко применявшимся ранее, но почти вышедшим из обихода сейчас. Калорийность у него хорошая, но сбор, подготовка и хранение кизяка в настоящее время неприемлемы. Влажный, неподготовленный кизяк горит плохо, сильно дымит и даёт мало тепла. Ресурс данного вида альтернативного топлива практически неисчерпаем, но промышленная заготовка нецелесообразна.
Бытовой мусор
В современном мире накопление мусора становится нешуточной проблемой. Его количество очень велико и непрерывно возрастает. Переработка мусора налажена только в некоторых странах, но большинство предпочитает отвозить его на специально отведённые полигоны и закапывать. В то же время, в бытовом мусоре значительную часть составляют различные компоненты упаковки, бумага, пищевые отходы, изделия из пластмасс и другие горючие компоненты. Сжигая их, можно получать немалое количество тепловой энергии. Проблемой является неконтролируемая примесь галогенированных пластмасс типа ПВХ, тефлона; галогенированных антипиренов и пластификаторов. При их горении выделяются в лучшем случае галогеноводороды, в худшем – фосген и диоксины. Все эти вещества очень опасны, и в случае диоксинов способны сильно загрязнять окружающие мусоросжигательный завод территории. Для предотвращения их выделения в атмосферу разрабатываются различные схемы, которые включают фильтры глубокой очистки, поглотители и абсорберы. Есть подходы, например, введения сжигаемого мусора под слой жидкого металло-минерального шлака. Наличие расплавленного металла создаёт восстановительные условия, которые препятствуют образованию диоксинов и фосгена. В данном случае в выбросах галогены присутствуют только в форме хлороводорода, поглотить и нейтрализовать который значительно легче. Предлагались схемы сверхадиабатического сжигания, комплексные подходы. В целом проблема выброса диоксинов существует, но она решаема.
Итог.
Постоянный выброс и накопление бытового мусора позволяют рассматривать его как перспективный источник тепловой энергии. Теплотворная способность мусора достаточно велика. Самой главной проблемой является полное поглощение и нейтрализация выделяющихся газов. Возобновляемость под вопросом, так как предпочтительна переработка, а не сжигание мусора.
Спирт
Спирт – компактный и очень удобный источник тепловой энергии. До сих пор он применяется в качестве жидкого топлива для спиртовок (имеются в виду не лабораторные устройства, а своеобразные минипримусы). Теплотворная способность спирта велика, он очень легко зажигается и тушится. Теплотворная способность может быть сильно снижена, если спирт разбавлен водой, но этого легко избежать. Недостатками спирта являются высокая летучесть, и как следствие необходимость тщательного укупоривания при хранении, и его "пищевое” применение. Самым главным недостатком спирта является его получение. Спирт в настоящее время получают в основном сбраживанием сахаристых веществ. При этом невозможно получить концентрацию спирта выше 18%, и не имеет особого смысла поднимать её уже выше 15%. Как следствие, для получения топливного спирта требуется перегонка. Теплота испарения спирта достаточно велика, теплоёмкость воды тоже. Процесс перегонки будет очень энергозатратным. Обычно технический спирт перегоняется с использованием подручных источников тепловой энергии, чаще всего лигнина. Второй проблемой получения спирта является утилизация биомассы дрожжей и остатков спиртовой барды. Оба этих отхода представляют биологическую опасность и требуют наличия специальной станции очистки и нейтрализации.
Итог.
Производство спирта является хорошо отлаженным, хотя энергоёмким процессом. Хранение спирта не является проблемой. Применение топливного спирта ограничено маломощными компактными тепловыми установками бытового назначения. Применение спирта как жидкого топлива для ДВС возможно, хотя и нецелесообразно, поскольку теплотворная способность спирта значительно уступает нефтепродуктам. Расширение производства топливного спирта не имеет смысла, так как технологически проще сжигать исходную сахаристую биомассу. Теоретически, спирт – полностью возобновляемый ресурс, однако на практике его производство требует сахаристых веществ, которые могут представлять пищевую ценность. Немалую проблему представляет нецелевое использование спирта.
Биодизель
Биодизель представляет собой смесь переэтерифицированных спиртом растительных жиров. С химической точки зрения – это смесь высококипящих сложных эфиров. Теплотворная способность биодизеля очень велика и мало уступает нефти. Биодизель удобно хранить: он мало испаряется, не сорбирует воду, при правильном приготовлении не вызывает коррозии металла. Биодизель пригоден для применения во всех установках, использующих дизельное топливо: горелках, двигателях внутреннего сгорания. Главной проблемой является производство биодизеля. Как уже описано выше, его получают переэтерификацией растительных жиров. Значит, необходимо вырастить масличные культуры, выделить из них масло и провести его химическую конверсию. Для конверсии требуется спирт, который с немалыми энергозатратами требуется производить отдельно. В результате получается сложная, длительная, многостадийная схема производства. Отладка схемы синтеза биодизеля особых трудностей не представляет, но требует высококвалифицированный обслуживающий персонал, поскольку свойства исходного масла будут довольно сильно различаться. Выход продукта определяется в первую очередь содержанием жиров в исходном сырье (зерне) и степенью его извлечения. Немаловажным фактом является также то, что растительные жиры необходимы для производства лакокрасочных материалов и поверхностно-активных веществ, что ограничивает возможность их переработки на топливо. Кроме того, растительные жиры представляют пищевую ценность.
Итог.
Производство биодизеля является технологически сложным, но достаточно хорошо отлаженным процессом. Положительным моментом технологии биодизеля является возможность переработки в топливо отходов пищевых жиров. Хранение биодизеля не является проблемой. Применение биодизеля возможно во всех установках, использующих дизельное топливо. Расширение производства биодизеля возможно, но есть некоторые принципиальные трудности. Главная проблема – для обеспечения производства биодизеля требуется засаживать значительные площади техническими масличными культурами, что в свою очередь сократит посадки пищевых культур. "Урожай” биодизеля нестабилен, значит использовать его как основное топливо крайне рискованно. Теоретически, биодизель – полностью возобновляемый ресурс. На практике – его возобновляемость ограничена ресурсами почвы и необходимыми посадками пищевых культур.
Биогаз
"Сырой” биогаз представляет собой смесь метана, углекислого газа и небольшого количества азота. Возможно также присутствие сероводорода. Он обладает хорошей теплотворной способностью, которая может быть дополнительно сильно повышена при удалении из него углекислоты. Биогаз вырабатывается анаэробными метансинтезирующими бактериями из любой биомассы. Технология получения сырого биогаза исключительно проста: биомасса (чаще всего отходы животноводства) складывается в ёмкость и изолируется от доступа воздуха. В течение нескольких дней бактерии расходуют остатки кислорода и переходят на анаэробный цикл, отходом которого является биогаз. Отделение биогаза от исходного сырья трудностей не представляет, так как исходное сырьё является жидким либо твёрдым. Очистка от углекислоты осуществляется путём растворения её в воде при высоком давлении (растворимость метана значительно ниже). Очищать биогаз от азота возможно, но энергоёмко и нецелесообразно. Очистка от сероводорода необходима и может осуществляться водным раствором медного купороса и сульфата железа (III). Попутным продуктом очистки является коллоидная сера, необходимая как средство защиты растений. Очищенный биогаз пригоден к использованию любыми устройствами, работающими на природном газе, с поправкой на его несколько меньшую теплотворную способность. Отходов после производства биогаза нет, так как продукт переработки биомассы, по сути, является органическим удобрением.
Итог.
Технология производства биогаза проста и хорошо отработана. Для его производства пригодна практически любая биомасса. Отделение биогаза от сырья не представляет проблемы. Перед использованием биогаза необходима очистка от углекислоты и сероводорода, что осложняет его крупномасштабное использование, но эта проблема решаема. Отходов, требующих переработки, после выработки биогаза не остаётся. Биогаз является полностью возобновляемым ресурсом, производство которого легко наладить в любой местности. Наиболее предпочтительно использование биогаза на месте, без транспортировки.
Итак, полностью возобновляемым ресурсом с наиболее простой технологией получения является биогаз. Альтернативным полностью возобновляемым ресурсом является солома, но технология её использования несколько сложнее. Дрова, лигнин, спирт и биодизель полностью возобновляемыми ресурсами не являются, так как в случае дров скорость их потребления превосходит скорость роста древесины, а выработка лигнина, спирта и биодизеля зависит от широкого ряда параметров и не является стабильной. Кроме того, технологии спирта и биодизеля значительно сложнее и требуют высокой квалификации персонала. Бытовой мусор предпочтительнее разделять на исходные компоненты и перерабатывать, что в дальнейшем должно исключить его из списка видов альтернативного топлива.
