БІОЕНЕРГЕТИКА ТА НИЗЬКОПОТЕНЦІЙНІ ДЖЕРЕЛА ЕНЕРГІЇ

Лекція 1

Чупа Володимир Михайлович

Кафедра ІВТ

ЛЕКЦІЯ №1

Біоенергетика. Поняття біомаси

ПОНЯТТЯ БІОМАСИ�

• Біомаса є органічною речовиною рослинного або тваринного походження, яка може використовуватися в якості альтернативного джерела енергії.
• Звичайні форми біомаси – це деревина, солома, осад стічних вод, комунальні відходи і т. ін.
• Значна кількість біомаси утворюється при виробництві і переробці продукції рослинництва (солома зернових, лузга, качани кукурудзи, відходи лісової, деревообробної та паперової промисловості).

ПОНЯТТЯ БІОМАСИ�

• До біомаси відносять також рослинний матеріал, який спеціально вирощується в енергетичних цілях, наприклад, плантації тополі та верби.
• На сьогоднішній день світові ресурси біомаси є джерелом приблизно 44 ЕДж (Ексаджоуль) енергії на рік, що становить близько 10% енергії, що використовується у світі.
• Офіційно підтверджені ресурси біомаси у світі складають близько 276 ЕДж/рік.

ПОНЯТТЯ БІОМАСИ. ГРУПИ�

• Біомасу можна поділити на дві основні групи:

1) первинна енергетична сировина;

2) перетворена енергетична сировина.

• Первинна енергетична сировина. До неї можна віднести деревину та відходи лісозаготівельної, деревообробної та целюлозно-паперової промисловості, солому та інші відходи сільськогосподарського виробництва, біомасу енергетичних культур, побутові відходи звалищ, осад очисних споруд (аналог торфу).

​

ПОНЯТТЯ БІОМАСИ. ГРУПИ�

• Перетворена енергетична сировина.
• До цієї групи відноситься біогаз, який отримують шляхом ферментації тваринного гною, посліду, рослинної біомаси, відстоїв органічних стоків, органічних відходів зі сміттєзвалищ і т. ін. та деревний (піролізний) газ, що виділяється в процесі газифікації біомаси.

ПОНЯТТЯ БІОМАСИ. ГРУПИ�

• Ще однією з форм біомаси є рідка форма.
• Найчастіше використовуються ефіри жирних кислот ріпакової олії (так званий біодизель), метанол або етанол, які ще називають біоетанолом і використовують, між іншим, у якості складової бензину.

ПОНЯТТЯ БІОМАСИ. ПЕРЕВАГИ�

• Значна різноманітність існуючих видів і способів отримання біомаси дозволяє задовольнити енергетичні потреби у різних видах так званої «чистої енергії» на місцевому рівні.
• Крім екологічних переваг використання біомаси як носія енергії, слід враховувати й економічні та суспільні аспекти розвитку місцевих громад.

ЕНЕРГЕТИЧНІ АРГУМЕНТИ НА КОРИСТЬ ВИКОРИСТАННЯ БІОМАСИ�

• – накопичена у біомасі енергія є найменш капіталомістким джерелом відновлюваної енергії;
• – зазвичай біомаса, яку можна використовувати в енергетичних цілях є супутнім продуктом аграрного виробництва, деревообробної промисловості тощо, й отже як сировина вона не тільки практично безкоштовна, але й її використання дозволяє зменшити витрати на утилізацію цих відходів;
• – різноманітність й відносна простота методів отримання енергії з біомаси;

ЕНЕРГЕТИЧНІ АРГУМЕНТИ НА КОРИСТЬ ВИКОРИСТАННЯ БІОМАСИ�

• – біомаса може вироблятися і використовуватися без значних технологічних інвестицій;
• – виробництво біопалив з біомаси надає додаткові робочі місця, що особливо важливо для сільських територій;
• – використання біомаси поліпшує паливно-енергетичний баланс регіону;
• – відбувається децентралізація виробництва енергії;
• – переорієнтація частини сільськогосподарських площ на отримання біомаси зменшує негативні наслідки від перевиробництва продовольства.

ЕКОЛОГІЧНІ АРГУМЕНТИ НА КОРИСТЬ ВИКОРИСТАННЯ БІОМАСИ�

• – у традиційній енергетиці очистка викидів, що утворюються у процесі спалювання, від шкідливих елементів коштує досить дорого;
• – у порівнянні з викопними видами палива, при спалюванні біомаси значно зменшується емісія SO2 та CO2, крім того зольні залишки після спалювання також значно менші.

ВИКОРИСТАННЯ БІОМАСИ. ТЕХНІЧНІ ПРОБЛЕМИ�

• Крім цілої низки екологічних, економічних і суспільних переваг, використання біомаси з енергетичною метою, нажаль, створює певні технічні проблеми. Найбільші з них випливають з фізико-хімічних властивостей біомаси:
• – дуже мала щільність біомаси ускладнює транспортування, складання і дозування;
• – порівняно низька теплотворна здатність на одиницю маси, що тягне за собою значні витрати на доставку біомаси;

ВИКОРИСТАННЯ БІОМАСИ. ТЕХНІЧНІ ПРОБЛЕМИ�

• – висока вологість сировини (від кількох до 60%) вимагає додаткової підготовки біопалива для спалювання;
• – неоднорідність технологій перетворення біомаси у енергоносій;
• – складність автоматизації та механізації процесів завантаження сировини.

ВИКОРИСТАННЯ БІОМАСИ. ІНШІ ПРОБЛЕМИ�

• З технічних проблем виникають економічні та інші обмеження у використанні біомаси в макро- і мікромасштабах:
• – невпевненість енерговиробників у забезпеченні достатньою кількістю біомаси, необхідність її транспортування на великі відстані значно зменшує рентабельність виробництва енергії;
• – невідповідність якісних параметрів біомаси технологіям спалювання та переробки, а також потреба застосування різних підходів та технологій спалювання біомаси в пристроях, конструктивно непідготовлених до цього, що значно зменшує ефективність спалювання;

ВИКОРИСТАННЯ БІОМАСИ. ІНШІ ПРОБЛЕМИ�

• – значні капіталовкладення та експлуатаційні витрати на отримання і переробку біомаси;
• – обмеження в наданні преференцій за зменшення емісії CO₂ для малих установок, ігнорування в розрахунках виплат за зниження забруднення повітря завдяки застосуванню біомаси.

ОСНОВИ�

• Основою біомаси є органічні сполуки вуглецю, які під час спалювання у процесі з’єднання з киснем виділяють тепло.
• Початкова енергія системи "біомаса-кисень" виникає під дією сонячного випромінювання в процесі фотосинтезу, що є природним варіантом перетворення сонячної енергії.

Перетворення сонячної енергії в процесі фотосинтезу

ОСНОВИ ВИКОРИСТАННЯ БІОМАСИ�

• За допомогою хімічних або біохімічних процесів біомаса може бути трансформована в інші види палива або в кінцеву енергію.
• Під час спалювання біомаси або її похідних продуктів органічний вуглець, що міститься в ній, та кисень з атмосфери вступають у реакцію з утворенням двоокису вуглецю та води.
• Процес є циклічним, тому що двоокис вуглецю, який виділився при спалюванні, може брати участь у виробництві нової біомаси.
• Таким чином, біомаса є відновлюваним джерелом енергії.

ДЖЕРЕЛА ПОХОДЖЕННЯ БІОМАСИ�

Джерела походження біомаси

ПЕРВИННА С/Г БІОМАСА (ПРИКЛАДИ)�

ВТОРИННА С/Г БІОМАСА (ПРИКЛАДИ)�

ОСНОВИ ВИКОРИСТАННЯ БІОМАСИ�

• Агропромисловий комплекс може виробляти широкий спектр продукції з сільськогосподарської біомаси 1-ї та 2-ї груп: харчові продукти, корм, біопалива, добрива, конструкційні матеріали, сировину для харчової, легкої, фармацевтичної, парфумерної та хімічної промисловості тощо.
• Так, наприклад, солому застосовують як добриво, підстилку та грубі корми для худоби, сировину для виробництва компосту, будівельний матеріал, переробляють у тверді біопалива: тюки, рулони, паливні гранули (пелети), паливні брикети.
• Тюкована біомаса є зручною продукцією, яка через ущільнення сировини у 4-5 разів сприяє більш ефективній логістиці та зберіганню.
• Гній переважно використовують як органічне добриво.

ЕНЕРГЕТИЧНІ КУЛЬТУРИ�

Енергетичні культури – це рослини, які спеціально вирощуються для використання безпосередньо в якості палива або для виробництва біопалива.

На сьогоднішній день у світі не існує єдиної загальноприйнятої класифікації, що застосовується для таких культур.

Енергетичні культури розрізняють за наступними категоріями:

• цикл вирощування – однорічні (напр.: ріпак, соняшник) та багаторічні (верба, тополя);
• тип – деревоподібні (верба, тополя), трав’янисті (міскантус, просо прутоподібне);

​

ЕНЕРГЕТИЧНІ КУЛЬТУРИ�

• характеристики та, відповідно, отримуваний кінцевий продукт – олійні (ріпак/соняшник для виробництва біодизелю), крохмало- та цукровмісні (цукровий буряк/кукурудза для виробництва біоетанолу), лігноцелюлозні (верба/тополя для безпосереднього виробництва теплової та електричної енергії, виробництва твердих біопалив або отримання рідких біопалив 2-го покоління);

• "походження" – класичні культури, призначені виключно для енергетичних цілей (міскантус, двокісточник тростиноподібний) та звичайні сільськогосподарські культури подвійного призначення, що можуть вирощуватись як для отримання харчових продуктів, так і з метою виробництва біопалив (ріпак, цукровий буряк, кукурудза).

​

​

ЕНЕРГЕТИЧНІ КУЛЬТУРИ�

• Біомасу енергетичних культур також переробляють у тверді біопалива наведених торгових форм, крім того, з деревних культур можуть бути отримані дрова та тріска.
• Використання біопалив на біоенергетичних об’єктах потребує вирішення ряду задач, пов’язаних із необхідністю зміни сформованої або створення додаткової ресурсно-логістичної інфраструктури для заготівлі біомаси, її переробки у біопалива та логістики біомаси/біопалива.

​

СУЧАСНІ ТЕНДЕНЦІЇ ВИКОРИСТАННЯ БІОМАСИ ДЛЯ ПОТРЕБ ЕНЕРГЕТИКИ�

• Однією з головних переваг енергетичного використання біомаси є її мультиваріантність як за технологіями перетворення енергії, так і за способами її кінцевого використання.
• Біомасу можна використовувати в енергетичних цілях шляхом безпосереднього спалювання (деревина, солома), а також у переробленому вигляді рідких (ефіри ріпакової олії, спирти, рідкі продукти піролізу) або газоподібних біопалив (біогаз із відходів сільського господарства та рослинництва, осадів стічних вод, органічної частини твердих побутових відходів, продукти газифікації твердих палив).

СУЧАСНІ ТЕНДЕНЦІЇ ВИКОРИСТАННЯ БІОМАСИ ДЛЯ ПОТРЕБ ЕНЕРГЕТИКИ�

• Конверсія (перетворення) біомаси в інші види енергоносіїв або кінцеву теплову чи електричну енергію може відбуватись фізичними, хімічними і біохімічними методами.

СУЧАСНІ ТЕНДЕНЦІЇ ВИКОРИСТАННЯ БІОМАСИ ДЛЯ ПОТРЕБ ЕНЕРГЕТИКИ�

• Слід зазначити, що ряд технологій перетворення енергії біомаси є комерційними та широко апробованими.
• Це, наприклад, перестерифікація олійних сільськогосподарських культур (виробництво біодизелю), ферментація цукро- та крохмаловмісних культур (виробництво біоетанолу), піроліз лігноцелюлозної біомаси, метанове бродіння (виробництво біогазу).

СУЧАСНІ ТЕНДЕНЦІЇ ВИКОРИСТАННЯ БІОМАСИ ДЛЯ ПОТРЕБ ЕНЕРГЕТИКИ�

• Ряд інших технологій, як, наприклад, виробництво біоетанолу 2-го покоління з сільськогосподарської лігноцелюлозної сировини чи виробництво біодизелю з мікроводоростей, знаходяться на різних етапах розвитку і можуть зайняти свою нішу в майбутньому.

КОНВЕРСІЯ ЕНЕРГІЇ БІОМАСИ�

• Примітка: суцільні лінії представляють комерційні технології, пунктирні – технології, що розвиваються.

1 - частини кожного виду вихідного матеріалу, напр., залишки рослин, також можуть бути використані в інших методах;

2 - кожен метод приводить до утворення побічних продуктів;

3 - апгрейдинг біомаси включає в себе будь-який метод ущільнення енергії (гранулювання, піроліз, торефікація тощо)

ПРОГНОЗНІ ДАНІ ЩОДО СПОЖИВАННЯ ЕНЕРГІЇ З ВІДНОВЛЮВАНИХ ДЖЕРЕЛ�

• Аналіз прогнозного кінцевого споживання енергії з відновлюваних джерел в 26 країнах світу до 2030 р. показує, що біомаса продовжить відігравати домінуючу роль.
• При цьому очікується, що майже половина світового споживання енергії з ВДЕ в 2030 р. буде припадати на 6 країн: Бразилію, Канаду, Китай, Індію, Індонезію та США.

ПРОГНОЗНІ ДАНІ ЩОДО СПОЖИВАННЯ ЕНЕРГІЇ З ВІДНОВЛЮВАНИХ ДЖЕРЕЛ�

Кінцеве споживання енергії з ВДЕ у світі в 2010 р. (а) та прогноз на 2030 р. (б)

ЕНЕРГЕТИЧНИЙ ПОТЕНЦІАЛ БІОМАСИ В УКРАЇНІ�

• Енергетичний потенціал біомаси в Україні складає 33 млн. т умовного палива, з яких 19 млн. т – це відходи та 14 млн. т – та біомаса, яку можливо вирощувати на землях, які не використовуються.
• За загальними оцінками, Україна наразі виробляє близького 1 млн. т у.п. біомаси, що складає 0,5% від загального споживання енергії в Україні.
• Тим не менш, за останні роки спостерігається швидкий ріст обсягів виробництва гранул, брикетів, пелетів (за останні 10 років зростання виробництва в декілька разів).

ЕНЕРГЕТИЧНИЙ ПОТЕНЦІАЛ БІОМАСИ В УКРАЇНІ�

• Згідно експертних оцінок, отриманих згідно офіційних статистичних даних, теоретичний потенціал біопалива в Україні становить 50 млн. т у.п., технічний – 30,23 млн. т у.п., а економічно доцільний – 27,27 млн. т у.п. тобто, виходячи з теперішнього рівня загального споживання первинних енергоносіїв в Україні (230 млн. т у.п.).

ЕНЕРГЕТИЧНИЙ ПОТЕНЦІАЛ БІОМАСИ В УКРАЇНІ�

• За еколого-біоенергетичним потенціалом біомаси Україна набагато випереджає усі країни ЄС за рахунок якого може задовольнити близько 13% загальної потреби України в енергії.
• Для України одним з найбільш привабливих джерел енергії є біомаса. Це переважно сільськогосподарські відходи та відходи деревообробної промисловості.

Еколого-біоенергетичний потенціал країн членів ЄС, його частка млн. т.н.е.

(10⁶ т) у порівнянні з Україною

ЕНЕРГЕТИЧНИЙ ПОТЕНЦІАЛ БІОМАСИ В УКРАЇНІ�

• Відходи сільського господарства, для яких виконувався розрахунок, включають солому озимих та ярових культур, стовбури і початки кукурудзи, лушпиння та стовбури соняшника.
• Якщо говорити про солому, то вона використовується для таких цілей, як корм та підстилка для тварин. З тієї кількості соломи, що залишається, від 30% до 50% можна заощадити для використання у якості палива.

ЕНЕРГЕТИЧНИЙ ПОТЕНЦІАЛ БІОМАСИ В УКРАЇНІ�

• Крім того, до 50% решток стебел кукурудзи, до 80% стебел соняшника і 100% соняшникового лушпиння можуть бути використані для виробництва енергії.

ЕНЕРГЕТИЧНИЙ ПОТЕНЦІАЛ БІОМАСИ В УКРАЇНІ�

• Потрібно підкреслити також нерівномірність розподілу біомаси по території України.
• Північно-західні області України переважають за наявністю деревною біомаси, але значно поступаються за відходами сільського господарства.
• Південно-східні та центральні регіони з розвиненим сільським господарством, навпаки, мають значний потенціал біомаси з його відходів.

ЕНЕРГЕТИЧНИЙ ПОТЕНЦІАЛ БІОМАСИ В УКРАЇНІ (ПРОБЛЕМИ СЬОГОДЕННЯ)�

• У зв'язку із війною значна потенціал частини південних та східних регіонів України не може бути використаний.
• Прикордонні зони та значна частина деокупованої території України замінована і не може бути використана для сільського господарства (відповідно, менше відходів с/г, які можуть бути використані в ролі біомаси) та для лісозаготівлі.

ЕНЕРГЕТИЧНИЙ ПОТЕНЦІАЛ

БІОМАСИ В УКРАЇНІ

(2015 ТА 2050 РОКИ)

ДЯКУЮ ЗА УВАГУ!