Войти
AndroidLib » Читалка
Биоэнергетика. Мир и Россия. Биогаз: Теория и практика
Биоэнергетика. Мир и Россия. Биогаз. Теория и практика. Монография
Евгений Семенович Панцхава
Предлагаемая читателю монография, прежде всего, посвящается выдающимся отечественным ученым и специалистам, стоявшим у истоков создания отечественной биоэнергетики задолго до ее активного развития за рубежом. В книге представлены зарубежные и отечественные достижения по всем современным направлениям бурно развивающейся биоэнергетики как самостоятельного сектора общей мировой энергетики, ее теоретическим основам, технологиям, оборудованию и практическому применению.
Большое внимание уделяется теории и практики природного метаногенеза как сложнейшего биологического процесса, активно участвующего в кругообороте углерода в биосфере, роли этого процесса в эволюции живого на земле, его глобальному участию в образовании ископаемых углеводородов.
Книга рекомендуется для специалистов России, работающих в указанной области, для студентов, аспирантов и преподавателей кафедр, факультетов, вузов, изучающих и развивающих отечественную биоэнергетику.
Евгений Панцхава
Биоэнергетика. Мир и Россия. Биогаз: Теория и практика: монография
Предисловие
Предлагаемая читателю монография, прежде всего, посвящается выдающимся отечественным ученым и специалистам, стоявшим у истоков создания отечественной биоэнергетики задолго до ее активного развития за рубежом: академикам АН СССР – В.Н. Шапошникову, А.И. Опарину, Н.М. Сисакяну, Н.Д. Иерусалимскому, Е.Н. Кондратьевой; членам-корреспондентам АН СССР – С.И. Кузнецову, Н.В. Букину, И.В. Березину; академикам АН Лат ССР – М.Е. Бекеру, У.Э. Виестуру; профессорам – В.Я. Быховскому, В. А.Зуеву, Л.Л.Гюнтер, А. А. Ковалеву, Л.Л. Гольдфарбу, Г.Д. Ананиашвили, В.В. Алексееву; инженеру-технологу И. С. Логоткину, инженерам – В. А. Пожарнову, Н. И. Майорову, И.И. Школе, Т.Я. Андрюхину, В.М. Шрамкову, П.И. Гридневу, В.П. Лосякову, И.В. Семененко, В.Б.Костяку, Л.И.Монгайту, специалистам ГКНТ СССР В.И. Доброхотову, М.И. Фугенфирову, Н.Л. Кошкину, И.Х. Нехорошему, Скабиеву Е.М., Шкапкину В.И. и другим.
В книге представлены зарубежные и отечественные достижения по всем современным направлениям бурно развивающейся Биоэнергетики как самостоятельного сектора общей мировой энергетики, ее теоретическим основам, технологиям, оборудованию и практическому применению..
Большое внимание уделяется теории и практики природного метаногенеза как сложнейшего биологического процесса, активно участвующего в кругообороте углерода в биосфере, роли этого процесса в эволюции живого на земле, его глобальному участию в образовании ископаемых углеводородов.
В книге в значительном объеме использованы и цитируются работы, обзоры и монографии выдающихся зарубежных ученых и специалистов как в области биоэнергетики, так в области биологического метаногенеза и его практического применения.
Книга рекомендуется для специалистов России, работающих в указанной области, для студентов, аспирантов и преподавателей кафедр, факультетов, вузов, изучающих и развивающих отечественную биоэнергетику.
Автор.
Часть первая
Биоэнергетика: мир и Россия
Глава 1. Введение
1.1. Биоэнергетика – самостоятельный сегмент мировой энергетики
«Бурить на глубинах приходится потому, что все сложнее найти новые месторождения. И чем труднее добыть нефть, тем больше ущерб от добычи окружающей среде. Проблема принимает глобальные масштабы, нужно искать новые решения, которые будут в гармонии с природой, и которые можно будет контролировать».
Синтия Уорнер – топ-менеджер ВР.
Сжигая уголь, практически сжигают только углерод [1-45]. При сжигании нефти на каждый атом углерода приходится два атома водорода, т. е. на каждый потребленный атом углерода нефти выделяется вдвое больше энергии, чем при сжигании угля. А это значит, что при полной замене нефти или газа на уголь его необходимо будет сжигать вдвое больше, что приведет к резкому увеличению углекислого газа в атмосфере. В 1958 г. количество углекислого газа в атмосфере составило 315 млн. т, а в 1980 г. 338 млн. т, т. е. увеличилось за 22 года на 7 %, тогда как в 1880 г. эта цифра составляла 290 млн. т, или за 100 лет концентрация CO
в атмосфере увеличилась всего на 15 %. Таким образом, темпы роста концентрации CO
в атмосфере с каждым годом увеличиваются, что приводит к усилению "парникового эффекта" и повышению температуры на земном шаре.
Температура атмосферы Земли увеличивается не только за счет усиления "парникового эффекта", но, как впервые указал на это лауреат Нобелевской премии, един из создателей отечественной атомной энергетики, создатель теории цепных реакций академик Н. Н. Семенов, и благодаря постоянно увеличивающемуся тепловому загрязнению.
Постоянное сжигание в огромных количествах ископаемых топлив или создание других мощных топливных носителей приводит к постоянному выбросу тепла в биосферу. Сегодня человечество за счет различных источников энергий производит до 5 10
кал тепла в год, что составляет 1/20 000 часть падающей солнечной энергии на Землю или 1/5000 солнечной энергии, поглощаемой массой Земли. В среднем производство энергии увеличивается на 5 % в год. При таких темпах через 200 лет человечество будет производить столько же тепла, сколько дает Солнце, что скажется на изменении теплового баланса Земли. [1–2]
Рис. 1–1. Н.Н. Семенов. 1896–1986 гг.
Перегрев Земли на 3–4 °C может привести к серьезным негативным последствиям.
Какой же вывод следует из всего вышесказанного?
Существующим технологиям производства энергии необходимо противопоставить технологии, основанные на использования экологически чистой энергии, при сохранении круглогодичного баланса СО
в атмосфере и при минимальном тепловом загрязнении атмосферы.
В качестве таких основных источников энергии на Земле в будущем следует рассматривать, с одной стороны, ядерную, получаемую как в результате деления тяжелых ядер, так и синтеза легких, с другой – солнечную энергию [1–3].
Благодаря прямому использованию различных форм солнечной энергии (солнечного тепла и фотоэлектрического эффекта, энергии ветра и процесса фотосинтеза) можно избежать теплового загрязнения, твердых и газообразных выбросов в атмосферу, и существенно уменьшать потребление ископаемых топлив [1–4].
Преимущества использования солнечной энергии очевидны:
Во-первых, исключается тепловое загрязнение среды, потому что не выделяется дополнительная тепловая энергия. Единственным источником тепловой энергии служит Солнце.
Во-вторых, при использовании солнечной энергии исключается возникновение побочных продуктов и отходов. Использование солнечной энергий доступно повсеместно, что позволяет лучше использовать природную среду.
Ветровая энергия – производная солнечной энергии – также не загрязняет окружающую среду.
И наконец, продукт фотосинтеза – биомасса, конвертирование которой в топливо возможно несколькими путями, причем, некоторые из них самым тесным образом связаны с охраной окружающей среды.
Все перечисленные модификации солнечной энергии и ее производные не ограничены во времени и будут действовать, пока светит Солнце.
Очень тесно с проблемами современной энергетики смыкается другая стоящая сегодня перед человечеством проблема – это охрана окружающей среды. Успехи современной науки и техники достаточно наглядно демонстрируют, что эти две проблемы могут решаться одновременно. Речь идет о разработке научных методов и технологий получения энергии и топлива при одновременном решении вопросов, связанных с охраной окружающей среды из-за непрерывно поступающих в биосферу органических загрязнений.
Поэтому интенсивное и рациональное использование человечеством падающей на Землю экологически чистой солнечной энергии является одним из перспективных магистральных путей получения необходимой энергии и топлива. Важное место принадлежит биологический методам конверсии, При фотосинтезе энергия Солнца конвертируется а энергию химических связей органических веществ, соединяемых общим термином "биомасса". Термин "биомасса" охватывает все виды веществ растительного и животного происхождения, продукты жизнедеятельности человека и животных, органические отходы перерабатывающей промышленности и сельского хозяйства.
Скрытую химическую энергию можно с помощью ряда биологических или термо-химиических процессов превратить в удобные для использования виды топлива или энергии. [1-45].
Топливно-энергетический комплекс России играет важную роль в экономике страны. На ее территории сосредоточено 1/3 мировых запасов природного газа, 1/10 нефти, 1/5 угля и 14 % урана. [1–1]. Через семь лет (2020 г.) добыча нефти в России может откатиться к уровню 2004 года, прогнозируют эксперты «Российской Газеты». Если в 2012 году уровень добычи нефти составил 518 миллионов тонн, то через пять-семь лет этот показатель может сократиться до 420–450 миллионов тонн. И это намного ниже, чем официальный прогноз [1-46]. Современные проблемы энергетики могут быть решены только при рациональном использовании всех существующих на Земле и околоземном пространстве источников топлива и энергии [1-45].
Биоэнергетика – фундаментальное и прикладное направление возникло на границе современных биотехнологий, химической технологии и энергетики, изучает и разрабатывает пути биологической конверсии солнечной энергии в топливо и биомассу и биологическую и термохимическую трансформацию последней в топливо и энергию[1-45].
Внедрение в народное хозяйство достижений биоэнергетических технологий прежде всего зависит от решения задач, связанных с интенсификацией процессов конверсии органического сырья в топливо и крупномасштабным производством самой биомассы.
Только при серьезном фундаментальном исследовании можно создать высокоэффективную отрасль народного хозяйства, отвечавшую воем требованиям современного научно-технического прогресса [1-45].
Почти треть населения Земли (около 2 млрд. чел.) все еще использует биомассу в виде древесины как основной источник топлива.
В любой форме биомасса является возобновляемым, единственным доступным, простым и дешевым источником энергии для большинства сельских жителей планеты. В Эфиопии, Непале, Танзании, в Сибири и Амазонии, в Северной Канаде и на островах Полинезии, Микронезии, в Малайзии благодаря биомассе удовлетворяется 80–90 % потребностей в топливе. Даже в таких развитых странах, как США, Швеция, Норвегия, Канада, доля энергии, получаемой из биомассы, в общем объеме энергии составляет 4-10 %.
Благодаря незаурядному потенциалу, сжатым срокам окупаемости проектов, экологическим преимуществам биомасса, вероятно, является одним из приоритетных видов среди других возобновляемых источников энергии в большинстве стран. В конце XX в. общий объем мировых первичных энергоресурсов составил около 8,5 млрд. т., из которых примерно 7 млрд. т. приходится на долю ископаемого органического топлива. Совокупно, энергетический потенциал всей растительности нашей планеты составляет около 70 млрд. т., т. е. в 10 раз превышает использование ископаемого топлива. Доля древесины, которую используют для получения энергии, составляет: в Дании – 61 % от общего объема вывозимой из лесов древесины, во Франции – 56 %, Испании – 44 %, Швейцарии – 56 %. В среднем в Европе темпы ее использования растут на 7,3 % ежегодно (в Швеции – 10,2 % в год, в Дании – 9,2 %, Франции – 8,9 %, Испании – 7,7 %).
Таблица. 1–1
Мировые запасы и добыча нефти и газа. Прогноз потребления к 2009 и 2050 гг.
Таблица.1-2
Запасы нефти [1-47]
Сейчас биомасса покрывает в среднем 15 % общего потребления первичных энергоресурсов в мире: в развивающихся странах – 48 %, в промышленно развитых странах – в среднем 2–3% (США – 3,2 %; Дания – 6 %; Австрия – 12 %; Швеция – 18 %; Финляндия – 23 %).
По оценке экспертов ООН численность населения планеты к 2050 г. может увеличиться до 9.2 млрд. человек. Если к этому времени потребление моторных топлив и природного газа на душу населения всей планетой возрастет до современного уровня Европейского Союза, то в год придется добывать до 18.3 млрд. тонн нефти или 16 % от разведанных к настоящему времени запасов, а природного газа – до 12 трлн. куб. м или 6.7 % от разведанных запасов. То есть нефти хватит на 6-10 лет, газа на 15–20 лет. (Таблица 1)
Хотя как показали исследования автора, нефти и газа может быть в десятки раз больше, чем разведано. Причина этому: несовершенство технологий нефте- и газоразведки, большие глубины залегания, отсутствие соответствующего оборудования.[2]. Такого же мнения придерживается ряд российских экспертов.
В статье «Кризис изобилия» Алексей Михайлов – эксперт Центра экономических и политических исследований (ЭПИцентр), отмечает, что «… объем энергоносителей-углеводородов ограничен, рано или поздно, если его сжигать, то он кончится. Но это только кажущаяся очевидность.[1-48].
Во-первых, разведанных запасов углеводородов при нынешних объемах добычи хватит: нефти и газа – на 50 лет, угля – на 500. А за эти 50/500 лет будут разведаны новые запасы… Из этой кастрюли, которую природа готовила нам сотни миллионов лет, еще черпать и черпать. Впереди шельфы, глубинное бурение, сланцы…
Мы за один нефтяной век только пенку сверху сняли.
Во-вторых, как это ни парадоксально, но именно вопрос с энергией самый легко решаемый.
Энергия универсальна, ее добывать можно почти из всего и передавать на расстояние не очень сложно и дорого. А Земля – принципиально разомкнутая система, она получает колоссальное количество энергии от Солнца, а кое-что – и от Луны. И напрямую – в виде тепла и света, и опосредованно – в виде ветра, текущей воды, приливов и т. д. И люди столетиями использовали эту энергию (например, ветряные и водяные мельницы).
Полный отказ от ископаемых источников энергии (ИИЭ, сегодня они дают 85 % мирового энергопотребления) и переход на возобновляемые (ВИЭ) – это вопрос не какого-то отдаленного футуристического будущего. Есть расчеты, что уже к 2030 году можно перевести 100 % мировой энергетики с ископаемого топлива на ВИЭ – ветер, вода и солнце. 50 % мировой энергетики будут давать 4 млн. ветротурбин.
В 2009 году в США свыше 50 % новых энергетических мощностей было создано за счет возобновляемых источников. В 2009 году инвестиции в новые возобновляемые источники энергии в мире превысили $150 млрд. Переход на возобновляемые источники энергии – это совершенно практический вопрос, отработанный технологически и связанный сегодня только экономическими ограничениями.
Как только ИИЭ станут достаточно дороги – переход произойдет автоматически. Он уже идет, несмотря на то, что пока еще ВИЭ недостаточно рентабельны и очень капиталоемки.
Совершенно прав был министр нефтяной промышленности Саудовской Аравии Заки Ямани еще в 70-е годы сказавший: «Каменный век закончился не потому, что в мире кончились камни. Также и нефтяной век закончится не потому, что у нас кончится нефть». Энергетический голод Земле не грозит. [1-48].
За последние 20 лет уровень добычи нефти в Штатах снизился: так, в 1972 г. он составлял 528 млн. т, в 1995 г. – 368 млн. т, а в 2000 г. – только 350 млн. т, что является следствием возросшей конкуренции между американскими производителями и импортерами более дешевой зарубежной нефти.
Из потребляемых 23 млн. б/с (1040 млн. т/год) в США добывается только 8 млн. б/с, а остальная часть импортируется – 680 млн. т/год. При этом США по-прежнему занимают второе место в мире по объему добываемой нефти (после Саудовской Аравии). Доказанные запасы нефти США составляют около 4 млрд. тонн (3 % от мировых запасов).[1-49].
В декабре 2012 г. чистый импорт нефти в США сократился до 5,98 млн. барр. в сутки (270 млн. т/год) – это самое низкое значение с февраля 1992 года. Чистый импорт нефти в Китай в декабре вырос до 6,12 млн. бар в сутки (277 млн. т/год), согласно данным таможни Китая. В 2012 году Китай увеличил импорт нефти на 6,8 % – до 271 млн. тонн – по сравнению с предыдущим годом.
Сейчас Россия является третьим по величине поставщиком сырой нефти в КНР и уступает по этому показателю только Саудовской Аравии и Анголе. Стремительное развитие китайской экономики неизбежно ведет к увеличению спроса на энергоносители. К 2015 г., полагают эксперты, спрос Китая на нефть может возрасти до 540 млн. тонн в год.[1-50].
Биоэнергетика считается основной тенденцией развития топливного рынка. Ожидается, что она в ближайшие 30–40 лет станет доминирующей в развитии мировой системы энергообеспечения. В связи с приближающейся угрозой истощения мировых запасов углеводородов в качестве основной тенденции развития топливного рынка международным экспертным сообществом заявлена биоэнергетика, которая должна стать фундаментом для начала новой эры энергетики. В ближайшие 30–40 лет именно биоэнергетика станет доминирующей в развитии мировой системы энергообеспечения.
Таблица. 1-3
Мировые запасы и добыча нефти и газа. Прогноз потребления нефти Китаем, Индией и Индонезией к 2020 – 2040 г.г.
Таблица. 1-4
Десять стран – лидеры, импортирующие нефть (млрд. баррелей 2006 г.).
[1-51].
Таблица. 1-5
Десять стран – обладатели крупнейшими доказанными запасами нефти (млрд. баррелей, 2006 г.)
Во второй половине ХХ века мир столкнулся с новой для себя экологической проблемой, которая может принять угрожающие формы. Это выбросы CO
в атмосферу Земли. Они составляют до 8 млрд. т ежегодно, из них экосистемы Земли способны поглотить лишь половину. Остальное накапливается в атмосфере и последствия этого пока не ясны. Однако очевидно, что столь грубое вмешательство в сложившуюся экосистему, когда нарушается экологическое равновесие, не останется безнаказанным для человечества.
В 1997 году 105 государств подписали в г. Киото протокол, направленный на уменьшение выбросов в атмосферу избыточного углекислого газа, образующегося при сжигании нефти, угля, ископаемого газа, а также продуктов их переработки.
Моторные топлива при сгорании вносят существенный вклад в нарушение баланса углекислого газа в атмосфере. Использование в составе моторных топлив компонентов, произведенных из возобновляемого сырья [1–1] и в первую очередь оксигенатов [1-2- 1–4] позволяет уменьшить его вредное воздействие на окружающую среду.
В 2003 году Европейская комиссия предложила директиву [1–5], которая поощряет государства, являющиеся членами Европейского Союза (ЕС), широко применять биокомпоненты в моторном топливе. В 2010 году планировалось довести содержание биокомпонентов в моторном топливе, поступающем на рынок ЕС, до 6,75 %.
Существующий парк автомобилей и транспортных средств, в которых используются стандартные двигатели, не позволит в ближайшее время начать применять моторные топлива, полностью состоящие из биокомпонентов, т. е. очевидно, что вырастет роль смесевых моторных топлив, часть которых будет изготовлена из нефти, а часть из возобновляемого сырья.
Евгений Семенович Панцхава
Предлагаемая читателю монография, прежде всего, посвящается выдающимся отечественным ученым и специалистам, стоявшим у истоков создания отечественной биоэнергетики задолго до ее активного развития за рубежом. В книге представлены зарубежные и отечественные достижения по всем современным направлениям бурно развивающейся биоэнергетики как самостоятельного сектора общей мировой энергетики, ее теоретическим основам, технологиям, оборудованию и практическому применению.
Большое внимание уделяется теории и практики природного метаногенеза как сложнейшего биологического процесса, активно участвующего в кругообороте углерода в биосфере, роли этого процесса в эволюции живого на земле, его глобальному участию в образовании ископаемых углеводородов.
Книга рекомендуется для специалистов России, работающих в указанной области, для студентов, аспирантов и преподавателей кафедр, факультетов, вузов, изучающих и развивающих отечественную биоэнергетику.
Евгений Панцхава
Биоэнергетика. Мир и Россия. Биогаз: Теория и практика: монография
Предисловие
Предлагаемая читателю монография, прежде всего, посвящается выдающимся отечественным ученым и специалистам, стоявшим у истоков создания отечественной биоэнергетики задолго до ее активного развития за рубежом: академикам АН СССР – В.Н. Шапошникову, А.И. Опарину, Н.М. Сисакяну, Н.Д. Иерусалимскому, Е.Н. Кондратьевой; членам-корреспондентам АН СССР – С.И. Кузнецову, Н.В. Букину, И.В. Березину; академикам АН Лат ССР – М.Е. Бекеру, У.Э. Виестуру; профессорам – В.Я. Быховскому, В. А.Зуеву, Л.Л.Гюнтер, А. А. Ковалеву, Л.Л. Гольдфарбу, Г.Д. Ананиашвили, В.В. Алексееву; инженеру-технологу И. С. Логоткину, инженерам – В. А. Пожарнову, Н. И. Майорову, И.И. Школе, Т.Я. Андрюхину, В.М. Шрамкову, П.И. Гридневу, В.П. Лосякову, И.В. Семененко, В.Б.Костяку, Л.И.Монгайту, специалистам ГКНТ СССР В.И. Доброхотову, М.И. Фугенфирову, Н.Л. Кошкину, И.Х. Нехорошему, Скабиеву Е.М., Шкапкину В.И. и другим.
В книге представлены зарубежные и отечественные достижения по всем современным направлениям бурно развивающейся Биоэнергетики как самостоятельного сектора общей мировой энергетики, ее теоретическим основам, технологиям, оборудованию и практическому применению..
Большое внимание уделяется теории и практики природного метаногенеза как сложнейшего биологического процесса, активно участвующего в кругообороте углерода в биосфере, роли этого процесса в эволюции живого на земле, его глобальному участию в образовании ископаемых углеводородов.
В книге в значительном объеме использованы и цитируются работы, обзоры и монографии выдающихся зарубежных ученых и специалистов как в области биоэнергетики, так в области биологического метаногенеза и его практического применения.
Книга рекомендуется для специалистов России, работающих в указанной области, для студентов, аспирантов и преподавателей кафедр, факультетов, вузов, изучающих и развивающих отечественную биоэнергетику.
Автор.
Часть первая
Биоэнергетика: мир и Россия
Глава 1. Введение
1.1. Биоэнергетика – самостоятельный сегмент мировой энергетики
«Бурить на глубинах приходится потому, что все сложнее найти новые месторождения. И чем труднее добыть нефть, тем больше ущерб от добычи окружающей среде. Проблема принимает глобальные масштабы, нужно искать новые решения, которые будут в гармонии с природой, и которые можно будет контролировать».
Синтия Уорнер – топ-менеджер ВР.
Сжигая уголь, практически сжигают только углерод [1-45]. При сжигании нефти на каждый атом углерода приходится два атома водорода, т. е. на каждый потребленный атом углерода нефти выделяется вдвое больше энергии, чем при сжигании угля. А это значит, что при полной замене нефти или газа на уголь его необходимо будет сжигать вдвое больше, что приведет к резкому увеличению углекислого газа в атмосфере. В 1958 г. количество углекислого газа в атмосфере составило 315 млн. т, а в 1980 г. 338 млн. т, т. е. увеличилось за 22 года на 7 %, тогда как в 1880 г. эта цифра составляла 290 млн. т, или за 100 лет концентрация CO
в атмосфере увеличилась всего на 15 %. Таким образом, темпы роста концентрации CO
в атмосфере с каждым годом увеличиваются, что приводит к усилению "парникового эффекта" и повышению температуры на земном шаре.
Температура атмосферы Земли увеличивается не только за счет усиления "парникового эффекта", но, как впервые указал на это лауреат Нобелевской премии, един из создателей отечественной атомной энергетики, создатель теории цепных реакций академик Н. Н. Семенов, и благодаря постоянно увеличивающемуся тепловому загрязнению.
Постоянное сжигание в огромных количествах ископаемых топлив или создание других мощных топливных носителей приводит к постоянному выбросу тепла в биосферу. Сегодня человечество за счет различных источников энергий производит до 5 10
кал тепла в год, что составляет 1/20 000 часть падающей солнечной энергии на Землю или 1/5000 солнечной энергии, поглощаемой массой Земли. В среднем производство энергии увеличивается на 5 % в год. При таких темпах через 200 лет человечество будет производить столько же тепла, сколько дает Солнце, что скажется на изменении теплового баланса Земли. [1–2]
Рис. 1–1. Н.Н. Семенов. 1896–1986 гг.
Перегрев Земли на 3–4 °C может привести к серьезным негативным последствиям.
Какой же вывод следует из всего вышесказанного?
Существующим технологиям производства энергии необходимо противопоставить технологии, основанные на использования экологически чистой энергии, при сохранении круглогодичного баланса СО
в атмосфере и при минимальном тепловом загрязнении атмосферы.
В качестве таких основных источников энергии на Земле в будущем следует рассматривать, с одной стороны, ядерную, получаемую как в результате деления тяжелых ядер, так и синтеза легких, с другой – солнечную энергию [1–3].
Благодаря прямому использованию различных форм солнечной энергии (солнечного тепла и фотоэлектрического эффекта, энергии ветра и процесса фотосинтеза) можно избежать теплового загрязнения, твердых и газообразных выбросов в атмосферу, и существенно уменьшать потребление ископаемых топлив [1–4].
Преимущества использования солнечной энергии очевидны:
Во-первых, исключается тепловое загрязнение среды, потому что не выделяется дополнительная тепловая энергия. Единственным источником тепловой энергии служит Солнце.
Во-вторых, при использовании солнечной энергии исключается возникновение побочных продуктов и отходов. Использование солнечной энергий доступно повсеместно, что позволяет лучше использовать природную среду.
Ветровая энергия – производная солнечной энергии – также не загрязняет окружающую среду.
И наконец, продукт фотосинтеза – биомасса, конвертирование которой в топливо возможно несколькими путями, причем, некоторые из них самым тесным образом связаны с охраной окружающей среды.
Все перечисленные модификации солнечной энергии и ее производные не ограничены во времени и будут действовать, пока светит Солнце.
Очень тесно с проблемами современной энергетики смыкается другая стоящая сегодня перед человечеством проблема – это охрана окружающей среды. Успехи современной науки и техники достаточно наглядно демонстрируют, что эти две проблемы могут решаться одновременно. Речь идет о разработке научных методов и технологий получения энергии и топлива при одновременном решении вопросов, связанных с охраной окружающей среды из-за непрерывно поступающих в биосферу органических загрязнений.
Поэтому интенсивное и рациональное использование человечеством падающей на Землю экологически чистой солнечной энергии является одним из перспективных магистральных путей получения необходимой энергии и топлива. Важное место принадлежит биологический методам конверсии, При фотосинтезе энергия Солнца конвертируется а энергию химических связей органических веществ, соединяемых общим термином "биомасса". Термин "биомасса" охватывает все виды веществ растительного и животного происхождения, продукты жизнедеятельности человека и животных, органические отходы перерабатывающей промышленности и сельского хозяйства.
Скрытую химическую энергию можно с помощью ряда биологических или термо-химиических процессов превратить в удобные для использования виды топлива или энергии. [1-45].
Топливно-энергетический комплекс России играет важную роль в экономике страны. На ее территории сосредоточено 1/3 мировых запасов природного газа, 1/10 нефти, 1/5 угля и 14 % урана. [1–1]. Через семь лет (2020 г.) добыча нефти в России может откатиться к уровню 2004 года, прогнозируют эксперты «Российской Газеты». Если в 2012 году уровень добычи нефти составил 518 миллионов тонн, то через пять-семь лет этот показатель может сократиться до 420–450 миллионов тонн. И это намного ниже, чем официальный прогноз [1-46]. Современные проблемы энергетики могут быть решены только при рациональном использовании всех существующих на Земле и околоземном пространстве источников топлива и энергии [1-45].
Биоэнергетика – фундаментальное и прикладное направление возникло на границе современных биотехнологий, химической технологии и энергетики, изучает и разрабатывает пути биологической конверсии солнечной энергии в топливо и биомассу и биологическую и термохимическую трансформацию последней в топливо и энергию[1-45].
Внедрение в народное хозяйство достижений биоэнергетических технологий прежде всего зависит от решения задач, связанных с интенсификацией процессов конверсии органического сырья в топливо и крупномасштабным производством самой биомассы.
Только при серьезном фундаментальном исследовании можно создать высокоэффективную отрасль народного хозяйства, отвечавшую воем требованиям современного научно-технического прогресса [1-45].
Почти треть населения Земли (около 2 млрд. чел.) все еще использует биомассу в виде древесины как основной источник топлива.
В любой форме биомасса является возобновляемым, единственным доступным, простым и дешевым источником энергии для большинства сельских жителей планеты. В Эфиопии, Непале, Танзании, в Сибири и Амазонии, в Северной Канаде и на островах Полинезии, Микронезии, в Малайзии благодаря биомассе удовлетворяется 80–90 % потребностей в топливе. Даже в таких развитых странах, как США, Швеция, Норвегия, Канада, доля энергии, получаемой из биомассы, в общем объеме энергии составляет 4-10 %.
Благодаря незаурядному потенциалу, сжатым срокам окупаемости проектов, экологическим преимуществам биомасса, вероятно, является одним из приоритетных видов среди других возобновляемых источников энергии в большинстве стран. В конце XX в. общий объем мировых первичных энергоресурсов составил около 8,5 млрд. т., из которых примерно 7 млрд. т. приходится на долю ископаемого органического топлива. Совокупно, энергетический потенциал всей растительности нашей планеты составляет около 70 млрд. т., т. е. в 10 раз превышает использование ископаемого топлива. Доля древесины, которую используют для получения энергии, составляет: в Дании – 61 % от общего объема вывозимой из лесов древесины, во Франции – 56 %, Испании – 44 %, Швейцарии – 56 %. В среднем в Европе темпы ее использования растут на 7,3 % ежегодно (в Швеции – 10,2 % в год, в Дании – 9,2 %, Франции – 8,9 %, Испании – 7,7 %).
Таблица. 1–1
Мировые запасы и добыча нефти и газа. Прогноз потребления к 2009 и 2050 гг.
Таблица.1-2
Запасы нефти [1-47]
Сейчас биомасса покрывает в среднем 15 % общего потребления первичных энергоресурсов в мире: в развивающихся странах – 48 %, в промышленно развитых странах – в среднем 2–3% (США – 3,2 %; Дания – 6 %; Австрия – 12 %; Швеция – 18 %; Финляндия – 23 %).
По оценке экспертов ООН численность населения планеты к 2050 г. может увеличиться до 9.2 млрд. человек. Если к этому времени потребление моторных топлив и природного газа на душу населения всей планетой возрастет до современного уровня Европейского Союза, то в год придется добывать до 18.3 млрд. тонн нефти или 16 % от разведанных к настоящему времени запасов, а природного газа – до 12 трлн. куб. м или 6.7 % от разведанных запасов. То есть нефти хватит на 6-10 лет, газа на 15–20 лет. (Таблица 1)
Хотя как показали исследования автора, нефти и газа может быть в десятки раз больше, чем разведано. Причина этому: несовершенство технологий нефте- и газоразведки, большие глубины залегания, отсутствие соответствующего оборудования.[2]. Такого же мнения придерживается ряд российских экспертов.
В статье «Кризис изобилия» Алексей Михайлов – эксперт Центра экономических и политических исследований (ЭПИцентр), отмечает, что «… объем энергоносителей-углеводородов ограничен, рано или поздно, если его сжигать, то он кончится. Но это только кажущаяся очевидность.[1-48].
Во-первых, разведанных запасов углеводородов при нынешних объемах добычи хватит: нефти и газа – на 50 лет, угля – на 500. А за эти 50/500 лет будут разведаны новые запасы… Из этой кастрюли, которую природа готовила нам сотни миллионов лет, еще черпать и черпать. Впереди шельфы, глубинное бурение, сланцы…
Мы за один нефтяной век только пенку сверху сняли.
Во-вторых, как это ни парадоксально, но именно вопрос с энергией самый легко решаемый.
Энергия универсальна, ее добывать можно почти из всего и передавать на расстояние не очень сложно и дорого. А Земля – принципиально разомкнутая система, она получает колоссальное количество энергии от Солнца, а кое-что – и от Луны. И напрямую – в виде тепла и света, и опосредованно – в виде ветра, текущей воды, приливов и т. д. И люди столетиями использовали эту энергию (например, ветряные и водяные мельницы).
Полный отказ от ископаемых источников энергии (ИИЭ, сегодня они дают 85 % мирового энергопотребления) и переход на возобновляемые (ВИЭ) – это вопрос не какого-то отдаленного футуристического будущего. Есть расчеты, что уже к 2030 году можно перевести 100 % мировой энергетики с ископаемого топлива на ВИЭ – ветер, вода и солнце. 50 % мировой энергетики будут давать 4 млн. ветротурбин.
В 2009 году в США свыше 50 % новых энергетических мощностей было создано за счет возобновляемых источников. В 2009 году инвестиции в новые возобновляемые источники энергии в мире превысили $150 млрд. Переход на возобновляемые источники энергии – это совершенно практический вопрос, отработанный технологически и связанный сегодня только экономическими ограничениями.
Как только ИИЭ станут достаточно дороги – переход произойдет автоматически. Он уже идет, несмотря на то, что пока еще ВИЭ недостаточно рентабельны и очень капиталоемки.
Совершенно прав был министр нефтяной промышленности Саудовской Аравии Заки Ямани еще в 70-е годы сказавший: «Каменный век закончился не потому, что в мире кончились камни. Также и нефтяной век закончится не потому, что у нас кончится нефть». Энергетический голод Земле не грозит. [1-48].
За последние 20 лет уровень добычи нефти в Штатах снизился: так, в 1972 г. он составлял 528 млн. т, в 1995 г. – 368 млн. т, а в 2000 г. – только 350 млн. т, что является следствием возросшей конкуренции между американскими производителями и импортерами более дешевой зарубежной нефти.
Из потребляемых 23 млн. б/с (1040 млн. т/год) в США добывается только 8 млн. б/с, а остальная часть импортируется – 680 млн. т/год. При этом США по-прежнему занимают второе место в мире по объему добываемой нефти (после Саудовской Аравии). Доказанные запасы нефти США составляют около 4 млрд. тонн (3 % от мировых запасов).[1-49].
В декабре 2012 г. чистый импорт нефти в США сократился до 5,98 млн. барр. в сутки (270 млн. т/год) – это самое низкое значение с февраля 1992 года. Чистый импорт нефти в Китай в декабре вырос до 6,12 млн. бар в сутки (277 млн. т/год), согласно данным таможни Китая. В 2012 году Китай увеличил импорт нефти на 6,8 % – до 271 млн. тонн – по сравнению с предыдущим годом.
Сейчас Россия является третьим по величине поставщиком сырой нефти в КНР и уступает по этому показателю только Саудовской Аравии и Анголе. Стремительное развитие китайской экономики неизбежно ведет к увеличению спроса на энергоносители. К 2015 г., полагают эксперты, спрос Китая на нефть может возрасти до 540 млн. тонн в год.[1-50].
Биоэнергетика считается основной тенденцией развития топливного рынка. Ожидается, что она в ближайшие 30–40 лет станет доминирующей в развитии мировой системы энергообеспечения. В связи с приближающейся угрозой истощения мировых запасов углеводородов в качестве основной тенденции развития топливного рынка международным экспертным сообществом заявлена биоэнергетика, которая должна стать фундаментом для начала новой эры энергетики. В ближайшие 30–40 лет именно биоэнергетика станет доминирующей в развитии мировой системы энергообеспечения.
Таблица. 1-3
Мировые запасы и добыча нефти и газа. Прогноз потребления нефти Китаем, Индией и Индонезией к 2020 – 2040 г.г.
Таблица. 1-4
Десять стран – лидеры, импортирующие нефть (млрд. баррелей 2006 г.).
[1-51].
Таблица. 1-5
Десять стран – обладатели крупнейшими доказанными запасами нефти (млрд. баррелей, 2006 г.)
Во второй половине ХХ века мир столкнулся с новой для себя экологической проблемой, которая может принять угрожающие формы. Это выбросы CO
в атмосферу Земли. Они составляют до 8 млрд. т ежегодно, из них экосистемы Земли способны поглотить лишь половину. Остальное накапливается в атмосфере и последствия этого пока не ясны. Однако очевидно, что столь грубое вмешательство в сложившуюся экосистему, когда нарушается экологическое равновесие, не останется безнаказанным для человечества.
В 1997 году 105 государств подписали в г. Киото протокол, направленный на уменьшение выбросов в атмосферу избыточного углекислого газа, образующегося при сжигании нефти, угля, ископаемого газа, а также продуктов их переработки.
Моторные топлива при сгорании вносят существенный вклад в нарушение баланса углекислого газа в атмосфере. Использование в составе моторных топлив компонентов, произведенных из возобновляемого сырья [1–1] и в первую очередь оксигенатов [1-2- 1–4] позволяет уменьшить его вредное воздействие на окружающую среду.
В 2003 году Европейская комиссия предложила директиву [1–5], которая поощряет государства, являющиеся членами Европейского Союза (ЕС), широко применять биокомпоненты в моторном топливе. В 2010 году планировалось довести содержание биокомпонентов в моторном топливе, поступающем на рынок ЕС, до 6,75 %.
Существующий парк автомобилей и транспортных средств, в которых используются стандартные двигатели, не позволит в ближайшее время начать применять моторные топлива, полностью состоящие из биокомпонентов, т. е. очевидно, что вырастет роль смесевых моторных топлив, часть которых будет изготовлена из нефти, а часть из возобновляемого сырья.