Биоэнергетика

Биоэнергетика означает использование органического материала (биомассы) в качестве источника энергии для выработки электроэнергии и непосредственного использования тепла во всех секторах энергетики, включая бытовые, коммерческие и промышленные цели, а также производство жидкого топлива для транспорта.

Биоэнергетика - это одна из форм возобновляемой энергии. Биомасса выделяет углекислый газ (CO₂) и небольшое количество других парниковых газов, когда они преобразуются в другой вид энергии. Однако СО₂поглощается во время отрастания восстановленной растительности (биомассы) в процессе фотосинтеза.

Биомасса - это органические материалы растительного и животного происхождения, которые выращиваются, собираются или заготавливают для получения энергии. В качестве примеров можно привести древесные отходы, жмых (остатки сахарного тростника) и животные жиры.

Традиционный процесс сжигания преобразует твердую биомассу путем прямого сжигания с выделением энергии в виде тепла, которая может быть использована для выработки электроэнергии и обогрева помещений. В процессе химической конверсии биомасса перерабатывается в топливо в виде биогаза или жидкого биотоплива, которые затем используются для производства электроэнергии и транспортировки.

Биогаз состоит в основном из метана и CO₂производится путем анаэробного расщепления биомассы. В настоящее время его собирают на свалках, очистных сооружениях, откормочных площадках для скота и в сельскохозяйственных отходах.

Биотопливо - это жидкое топливо, получаемое в результате процессов химической конверсии, в результате которых получают этанол и биодизельное топливо. Биотопливо можно в широком смысле разделить на группы в зависимости от процессов конверсии:

• Биотопливо первого поколения основано на ферментации и дистилляции этанола из сахарных и крахмальных культур или химической переработке растительных масел и животных жиров для получения биодизельного топлива. Технологии первого поколения хорошо зарекомендовали себя и в настоящее время используются в промышленных масштабах.
• Биотопливо второго поколения использует биохимические или термохимические процессы для превращения лигноцеллюлозного материала (несъедобных волокнистых или древесных частей растений) и водорослей в биотопливо. Технологии второго поколения и сырье из биомассы находятся на стадии исследований, разработок и демонстрации (RD&D).
• Биотопливо третьего поколения находится в стадии научных исследований и разработок (R&D) и включает в себя интегрированные биофабрики для производства биотоплива, выработки электроэнергии и биопродуктов (таких как заменители нефтехимической продукции).

Мировые биоэнергетические ресурсы

Около 10% мирового потребления первичной энергии приходится на биоэнергию. Доля биоэнергии в потреблении первичной энергии в странах, не входящих в ОЭСР, выше, чем в странах ОЭСР в целом. В Австралии доля биоэнергетики сопоставима со средним показателем по ОЭСР и составляет около 4%. Большая часть мировой биоэнергии используется непосредственно для производства тепла путем сжигания твердой биомассы; только 4% используется для выработки электроэнергии, а еще 2,5% - в виде биотоплива, используемого в транспортном секторе.

Глобальные биоэнергетические ресурсы трудно поддаются количественной оценке из-за того, что они расходуются на производство продовольствия, кормов для животных и строительных материалов. На доступность биомассы для производства энергии также влияют рост населения, рацион питания, интенсивность ведения сельского хозяйства, воздействие на окружающую среду, изменение климата, доступность воды и земли (IEA Bioenergy, 2008).

Современные биоэнергетические ресурсы состоят из отходов лесного и сельского хозяйства, различных потоков органических отходов и специализированного производства биомассы на пастбищах, лесных плантациях и сахарном тростнике. Неиспользуемые отходы являются значительным недоиспользуемым ресурсом.

В настоящее время основным сырьем для производства электроэнергии и тепла из биомассы являются лесные и сельскохозяйственные отходы, а также коммунальные отходы на электростанциях с когенерацией и совместным сжиганием. В 2007 году доля топливной древесины в структуре производства биоэнергии составляла 67%. Древесное топливо используется в жилых помещениях в неэффективных печах для отопления и приготовления пищи, что также считается серьезной проблемой здравоохранения в развивающихся странах (IEA Bioenergy, 2009). Ожидается, что это традиционное использование будет расширяться с увеличением численности населения, однако есть возможности для повышения эффективности и экологических показателей.

Основными растущими рынками для производства электроэнергии из биоэнергии являются Европейский союз, Северная Америка, Центральная и Восточная Европа и Юго-Восточная Азия (IEA Bioenergy, 2007). Китай продолжает наращивать производство электроэнергии за счет использования биогаза в промышленных масштабах (в основном на животноводческих фермах) и соломы из сельскохозяйственных отходов. Сахарная промышленность во многих развивающихся странах продолжает строить электростанции, работающие на жоме (REN21, 2009).

Небольшая доля сахара, зерновых и масличных культур используется для производства биотоплива. В Европе, Бразилии, Северной Америке, Японии, Китае и Индии растет интерес к транспортному биотопливу (IEA Bioenergy, 2007). Существует потенциал для расширения использования традиционных сельскохозяйственных культур для получения энергии, однако требуется тщательный учет наличия земельных ресурсов и спроса на продовольствие.

Существует развитый коммерческий рынок биотоплива первого поколения. Биотопливо, получаемое по коммерчески доступной технологии, более перспективно в регионах, где возможно выращивание энергетических культур: например, сахарного тростника в субтропических районах Южной Америки и Африки к югу от Сахары, а также сахарной свеклы в регионах с более умеренным климатом, таких как Соединенные Штаты, Аргентина и Европа. В долгосрочной перспективе лигноцеллюлозные культуры могут стать источником биоэнергии для производства биотоплива второго поколения, которое считается более экологичным, обеспечит возможности землепользования и снизит конкуренцию с продовольственными культурами.

Биоэнергетические ресурсы Австралии

Существует целый ряд биоэнергетических ресурсов (сырья), доступных для различных технологий преобразования для выработки электроэнергии и тепла и производства биотоплива. Биоэнергетические ресурсы трудно оценить из-за их множественного и конкурирующего использования. Существуют статистические данные о производстве таких товаров, как зерно, сахар, целлюлозная древесина и пиломатериалы, однако в настоящее время эти товары в основном используются на рынках продовольствия, кормов для животных и материалов. При определенных условиях они могут быть переведены на рынок биоэнергетики, но это может быть не лучшим вариантом для их использования.

Потенциальные биоэнергетические ресурсы Австралии велики. Растительные остатки, остатки на плантациях и в лесах, а также потоки отходов используются в недостаточной степени. С развитием технологий второго поколения значительно расширяется ассортимент непищевого сырья из биомассы. Потенциальное сырье будущего включает модификацию существующих сельскохозяйственных культур, выращивание новых древесных культур и водорослей.

Для каждого биоэнергетического ресурса необходимо учитывать множество факторов, таких как содержание влаги, местоположение и распределение ресурсов, а также тип процесса переработки. Различные источники биомассы имеют очень разные системы производства и, следовательно, могут быть связаны с различными проблемами устойчивости. Они варьируются от весьма положительных выгод (например, использование отходов или выращивание древесной биомассы на деградированных сельскохозяйственных землях) до широкомасштабного использования высокопродуктивных сельскохозяйственных продовольственных культур для производства биотоплива (O'Connell et al., 2009). Также существует целый ряд потенциальных воздействий на ресурсы, включая засуху, наводнения, пожары, изменение климата и цены на энергоносители. Будущее использование биомассы в качестве сырья для сельскохозяйственного производства зависит от того, будут ли расширяться или сокращаться производственные площади, а также от повышения урожайности.

Доля потенциально доступной биомассы будет зависеть от ценности биомассы по сравнению с конкурирующими видами использования, последствий ее удаления (сохранение биомассы in situ возвращает питательные вещества в почву, улучшает ее структуру и влагоудержание) и мировых цен на нефть. Благоприятные экономические условия могут привести к тому, что часть биомассы может быть потенциально использована для производства биоэнергии. В зависимости от ценовой категории биомасса может быть использована для производства биотоплива или электроэнергии - например, отходы лесопиления, которые в противном случае продаются для производства садовых товаров, или балансовая древесина, измельченная и экспортируемая или используемая для производства бумаги, могут быть использованы для производства биоэнергии, если это более ценный продукт.

Рекомендации

1. IEA Bioenergy 2007, Основы энергетических технологий МЭА: Биомасса для производства электроэнергии и ТЭЦ, ОЭСР/МЭА, Париж, январь
2. Биоэнергетика МЭА 2008, Перспективы энергетических технологий 2008, ОЭСР/МЭА, Париж
3. Биоэнергетика МЭА 2009, Мировые энергетические балансы 2009, ОЭСР/МЭА, Париж
4. О'Коннелл Д., Брейд А., Райсон Дж., Хандберг К., Коуи А., Родригес Л. и Джордж Б., 2009а, Устойчивое производство биоэнергии; Обзор глобальных рамок устойчивого развития биоэнергетики и систем оценки.,RIRDCПубликация № 09/167, Корпорация исследований и разработок в области сельского хозяйства и CSIRO, Канберра, ноябрь
5. REN21 2009, 2009, Глобальный отчет о состоянии возобновляемых источников энергии: Обновление за 2009 год, Пенсильвания