Введение

Возобновляемая энергия, получаемая из биомассы: технологические аспекты производства одного из видов возобновляемой энергии.

Биоэнергия – это вид возобновляемой энергии, получаемый из растительных и животных отходов. Биомасса, используемая в качестве исходного сырья, состоит из недавно живших (но теперь мертвых) организмов, преимущественно растений. Таким образом, ископаемое топливо не рассматривается как биомасса в рамках данного определения. К видам биомассы, обычно используемым для производства биоэнергии, относятся древесина, сельскохозяйственные культуры, такие как кукуруза, энергетические культуры, а также отходы лесного хозяйства, приусадебных участков или ферм. Биоэнергия может способствовать смягчению последствий изменения климата, однако в некоторых случаях необходимое производство биомассы может привести к увеличению выбросов парниковых газов или потере местного биоразнообразия. Воздействие производства биомассы на окружающую среду может быть проблематичным в зависимости от способов ее производства и сбора. Сценарий МЭА «Достижение нулевых выбросов к 2050 году» предусматривает постепенный отказ от традиционной биоэнергии к 2030 году, при этом доля современной биоэнергии увеличится с 6,6% в 2020 году до 13,1% в 2030 году и 18,7% в 2050 году. При правильной реализации биоэнергия обладает значительным потенциалом для смягчения последствий изменения климата. Большинство рекомендованных путей ограничения глобального потепления предусматривают существенный вклад биоэнергии в 2050 году (в среднем 200 ЭДж).

Определение и терминология

В шестом оценочном докладе МГЭИК биоэнергия определяется как «энергия, полученная из любой формы биомассы или ее метаболических побочных продуктов». Далее биомасса в этом контексте определяется как «органический материал, исключая материал, который был окаменелым или захоронен в геологических формациях».

Входные материалы

Древесина и древесные отходы являются крупнейшим источником энергии биомассы на сегодняшний день. Древесина может использоваться в качестве топлива напрямую или перерабатываться в пеллетное топливо или другие виды топлива. В качестве топлива также могут использоваться и другие растения, например, кукуруза, мискантус, переходящая трава и бамбук. Основными видами отходов, используемых в качестве сырья, являются древесные отходы, сельскохозяйственные отходы, твердые бытовые отходы и отходы производства. Переработка сырой биомассы в топливо более высокого качества может быть достигнута различными методами, которые в целом классифицируются как термические, химические или биохимические:

Термические процессы используют тепло как основной механизм для переработки биомассы в более качественное и практичное топливо. Основными альтернативами являются торрефакция, пиролиз и газификация, которые различаются в основном степенью протекания химических реакций (в основном контролируемой наличием кислорода и температурой преобразования). Многие химические процессы основаны на известных технологиях, разработанных для угля, таких как синтез Фишера-Тропша. Как и уголь, биомасса может быть преобразована в широкий спектр товарных химических веществ. Биохимические процессы, развившиеся в природе для разложения молекул, составляющих биомассу, могут быть использованы и в технологиях. В большинстве случаев для осуществления преобразования используются микроорганизмы. Эти процессы называются анаэробным сбраживанием, ферментацией и компостированием.

Требование земельного участка

Плотность выработки энергии на единицу площади определяет, сколько земли необходимо для производства. Средняя плотность энергии на единицу площади за жизненный цикл для биомассы, ветра, гидроэнергии и солнечной энергии составляет 0,30 Вт/м², 1 Вт/м², 3 Вт/м² и 5 Вт/м² соответственно (энергия в виде тепла для биомассы и электричества для ветра, гидроэнергии и солнечной энергии). Плотность энергии за жизненный цикл включает в себя землю, используемую всей сопутствующей инфраструктурой, производством, добычей/сбором урожая и выводом из эксплуатации. Другая оценка дает значения 0,08 Вт/м² для биомассы, 0,14 Вт/м² для гидроэнергии, 1,84 Вт/м² для ветра и 6,63 Вт/м² для солнечной энергии (медианные значения, при этом ни один из возобновляемых источников не превышает 10 Вт/м²).

Биоэнергия с улавливанием и хранением углерода (BECCS)

Технология улавливания и хранения углерода может использоваться для улавливания выбросов от биоэнергетических электростанций. Этот процесс известен как биоэнергетика с улавливанием и хранением углерода (BECCS) и может приводить к чистому удалению углекислого газа из атмосферы. Однако BECCS также может приводить к чистым положительным выбросам в зависимости от того, как выращивается, собирается и транспортируется биомасса. Развертывание BECCS в масштабах, описанных в некоторых сценариях смягчения последствий изменения климата, потребует перевода больших площадей сельскохозяйственных угодий. Биоэнергетика с улавливанием и хранением углерода.

Влияние на окружающую среду

Биоэнергетика может как смягчать (то есть сокращать), так и увеличивать выбросы парниковых газов. Существует также общее мнение, что локальное воздействие на окружающую среду может быть проблемным. Например, растущий спрос на биомассу может создавать значительное социальное и экологическое давление в регионах её производства. Это связано главным образом с низкой удельной мощностью биомассы. Низкая удельная мощность приводит к тому, что для производства того же объема энергии требуется значительно большая площадь земли, чем, например, для ископаемого топлива. Дальние перевозки биомассы критикуются как неэффективные и неустойчивые, и в Швеции и Канаде проходили протесты против экспорта лесной биомассы.

Масштаб и будущие тенденции

В 2020 году биоэнергия произвела 58 ЭДЖ (эксаджоулей) энергии, по сравнению с 172 ЭДЖ от сырой нефти, 157 ЭДЖ от угля, 138 ЭДЖ от природного газа, 29 ЭДЖ от ядерной энергии, 16 ЭДЖ от гидроэнергии и 15 ЭДЖ от энергии ветра, солнца и геотермальных источников вместе взятых. Большая часть мировой биоэнергии производится из лесных ресурсов. В целом, расширение биоэнергетики сократилось на 50% в 2020 году. Китай и Европа – единственные два региона, сообщившие о значительном расширении в 2020 году, добавив 2 ГВт и 1,2 ГВт биоэнергетической мощности соответственно. Почти все доступные отходы деревообрабатывающих производств уже используются для производства пеллет, поэтому возможности для расширения ограничены. Для значительного расширения биоэнергетического сектора в будущем необходимо, чтобы большая часть заготовленной древесины для целлюлозы направлялась на пеллетные заводы. Однако заготовка древесины для целлюлозы (прореживание лесов) лишает деревья возможности стареть и, следовательно, максимизировать их способность к поглощению углерода. По сравнению с древесиной для целлюлозы, отходы деревообрабатывающих производств имеют более низкие чистые выбросы: «Некоторые виды биомассы могут быть углеродно-нейтральными, по крайней мере, в течение нескольких лет, в частности, отходы деревообрабатывающих производств. Это отходы от других лесных операций, которые не требуют дополнительной вырубки, и в противном случае, при сжигании в качестве отходов или разложении, они все равно выделяли бы углерод в атмосферу».