Биоэнергетика

Биоэнергетика — это отрасль энергетики, основанная на использовании энергии, заключённой в биомассе (органических веществах растительного и животного происхождения), для производства тепловой и электрической энергии, а также биотоплива. Биоэнергетика относится к возобновляемым источникам энергии (ВИЭ), поскольку биомасса восполняется в процессе фотосинтеза и естественного круговорота веществ. Ключевая особенность биоэнергетики — способность обеспечивать как базовую, так и пиковую нагрузку в энергосистемах, в отличие от солнечной и ветровой энергетики, зависимых от погодных условий.

История развития

Древние истоки

Использование биомассы как источника энергии — древнейшая форма энергопотребления человечества. Сжигание дров, сухой травы и навоза для обогрева жилищ и приготовления пищи практиковалось с эпохи палеолита. Вплоть до XVIII века древесина оставалась основным энергоносителем в мире, обеспечивая до 90 % потребностей человечества в тепле. Первые попытки промышленного использования биогаза относятся к XVII веку: в 1659 году фламандский учёный Ян Баптиста ван Гельмонт обнаружил, что разлагающаяся органика выделяет горючий газ.

Индустриальная эпоха

С началом промышленной революции и массовым использованием угля, а затем нефти и газа, доля биомассы в мировом энергобалансе резко сократилась. Однако в XX веке, особенно после нефтяных кризисов 1970-х годов, интерес к биоэнергетике возродился. В 1970-х годах в Бразилии была запущена государственная программа Proálcool, направленная на массовое производство этанола из сахарного тростника как замены бензину. В СССР и других странах начались исследования по промышленному получению биогаза из отходов животноводства.

Современный этап

С 1990-х годов биоэнергетика развивается в рамках глобальной политики по снижению выбросов парниковых газов и диверсификации энергоснабжения. В странах Европейского союза, США, Китае и Индии приняты национальные программы стимулирования ВИЭ, включающие квоты на использование биотоплива, субсидии и «зелёные» тарифы. В России биоэнергетика начала активно развиваться с 2010-х годов, в основном в регионах с развитым лесным и сельским хозяйством (Архангельская, Иркутская, Ленинградская области, Республика Карелия).

Классификация источников биомассы

Биомасса для энергетических целей делится на несколько основных категорий:

Древесная биомасса: дрова, щепа, опилки, кора, отходы лесозаготовок и деревообработки.
Сельскохозяйственные отходы: солома, стебли кукурузы, подсолнечника, лузга риса, шелуха семян, жом сахарной свеклы, навоз и помёт.
Энергетические культуры: специально выращиваемые растения с высокой урожайностью (мискантус, ива, тополь, водоросли, сахарный тростник, кукуруза на зерно, рапс, пальмовое масло).
Твёрдые коммунальные отходы (ТКО): органическая фракция бытового мусора (пищевые отходы, бумага, картон, текстиль).
Жидкие органические отходы: сточные воды, отходы пищевой промышленности, барда спиртовых заводов.

Технологии преобразования

Термохимические методы

Прямое сжигание: наиболее распространённый метод. Биомасса сжигается в топках котлов для получения пара или горячей воды, которые используются для отопления или выработки электроэнергии на паротурбинных установках. КПД современных котлов на биомассе достигает 85–92 %.
Газификация: процесс частичного окисления биомассы при высокой температуре (700–1200 °C) с получением горючего газа (синтез-газа), состоящего в основном из CO, H₂ и CH₄. Синтез-газ может сжигаться в газовых турбинах или двигателях внутреннего сгорания для выработки электроэнергии.
Пиролиз: термическое разложение биомассы без доступа кислорода при температуре 400–600 °C. Продуктами пиролиза являются твёрдый углеродистый остаток (биоуголь), жидкая фракция (бионефть) и горючий газ. Бионефть может использоваться как топливо для котельных или после переработки — как сырьё для химической промышленности.

Биохимические методы

Анаэробное сбраживание: разложение органических веществ (навоза, отходов пищевой промышленности, осадка сточных вод) в герметичных реакторах (метантенках) под действием бактерий в отсутствие кислорода. В результате образуется биогаз (содержит 50–70 % метана, 30–50 % CO₂) и переброженная масса (дигестат), используемая как удобрение. Биогаз после очистки от CO₂ и сероводорода (до состояния биометана) может подаваться в газовые сети.
Спиртовое брожение: ферментация сахаров, содержащихся в зерновых культурах (кукуруза, пшеница, рожь), сахарном тростнике, сахарной свёкле, с помощью дрожжей. Продукт — этанол, который после дистилляции и обезвоживания используется как моторное топливо (биоэтанол) или добавка к бензину.
Этерификация: химическая реакция растительных масел (рапсового, подсолнечного, пальмового, соевого) с метанолом или этанолом в присутствии катализатора. Продукт — биодизель (метиловые или этиловые эфиры жирных кислот), который может применяться в дизельных двигателях как в чистом виде, так и в смеси с нефтяным дизелем.

Виды биотоплива

Твёрдое биотопливо

Пеллеты (топливные гранулы): цилиндрические гранулы диаметром 6–12 мм из прессованной древесины, соломы, лузги или торфа. Влажность пеллет не превышает 8–10 %, что обеспечивает высокую теплотворную способность (4,5–5 кВт·ч/кг). Пеллеты используются в автоматизированных котлах для отопления жилых домов и промышленных объектов.
Брикеты: прессованные блоки из древесных отходов или соломы, аналогичные по свойствам пеллетам, но большего размера. Применяются в твёрдотопливных котлах и каминах.
Щепа и дрова: традиционные виды топлива, используемые в котельных малой и средней мощности.

Жидкое биотопливо

Биоэтанол: обезвоженный этиловый спирт (содержание воды не более 0,5 %). В России и странах ЕС биоэтанол добавляется в бензин в количестве до 10 % (марки Е10, Е5). В Бразилии до 85 % автомобилей работают на смеси с 27 % этанола (Е27) или на чистом этаноле (Е100).
Биодизель: метиловые эфиры жирных кислот, получаемые из растительных масел. В ЕС биодизель добавляется в дизельное топливо в объёме до 7 % (B7). В Германии и Франции распространено использование B100 (чистый биодизель) в сельскохозяйственной технике.
Бионефть (пиролизное масло): жидкий продукт быстрого пиролиза, по составу близкий к нефти, но с высоким содержанием кислорода и воды. Требует дальнейшей переработки (гидроочистки) для получения аналогов бензина и дизеля.

Газообразное биотопливо

Биогаз: продукт анаэробного сбраживания. После очистки до биометана (содержание метана > 95 %) может закачиваться в газовые сети или использоваться как моторное топливо для газовых автомобилей.
Синтез-газ (генераторный газ): продукт газификации биомассы. Используется для выработки электроэнергии в газопоршневых двигателях или газовых турбинах.
Биоводород: перспективное топливо, получаемое путём биологической ферментации органических отходов или паровой конверсии биогаза. Находится на стадии экспериментальных разработок.

Применение

Электроэнергетика

Биоэнергетические установки используются для выработки электроэнергии как в промышленных масштабах (ТЭС на биомассе мощностью 5–100 МВт), так и в малой распределённой энергетике (когенерационные установки на биогазе мощностью 0,1–5 МВт). В России крупнейшие электростанции на биомассе работают в Архангельской области (ТЭЦ-2 в Архангельске, работающая на щепе) и в Карелии (Петрозаводская ТЭЦ). В странах Скандинавии доля биоэнергетики в электробалансе достигает 15–20 %.

Теплоснабжение

Тепловые котельные на биомассе (пеллетах, щепе, дровах) широко распространены в сельской местности и малых городах. В России по состоянию на 2023 год действовало более 1000 котельных на биотопливе, преимущественно в северных и сибирских регионах. В Швеции и Финляндии до 40 % централизованного теплоснабжения обеспечивается за счёт сжигания биомассы.

Транспорт

Биоэтанол и биодизель используются как добавки к нефтяному топливу или как самостоятельное топливо для автомобилей, автобусов, сельскохозяйственной и строительной техники. В Бразилии около 30 % всего автомобильного парка работает на биоэтаноле. В России с 2019 года действует ГОСТ Р 57971-2017 на топливо Е10 (содержание биоэтанола до 10 %), однако его применение ограничено из-за акцизной политики.

Сельское хозяйство

Биогазовые установки перерабатывают навоз и растительные отходы, одновременно решая проблему утилизации отходов и производя энергию и удобрения. В Германии действует более 9 000 биогазовых станций, в Китае — свыше 100 000 малых установок. В России крупнейшие биогазовые комплексы работают в Ленинградской области (станция «Копорье») и в Татарстане.

Экологические аспекты

Преимущества

Снижение выбросов CO₂: при сжигании биомассы выделяется столько же углекислого газа, сколько было поглощено растениями в процессе фотосинтеза, что обеспечивает углеродную нейтральность (при условии устойчивого воспроизводства биомассы).
Утилизация отходов: биоэнергетика позволяет перерабатывать органические отходы сельского хозяйства, лесопромышленного комплекса и коммунального сектора, снижая нагрузку на полигоны.
Независимость от ископаемых ресурсов: использование местных источников биомассы снижает зависимость от импорта нефти и газа.

Недостатки и критика

Конкуренция с продовольствием: выращивание энергетических культур (кукурузы, рапса, пальмового масла) может занимать сельскохозяйственные земли, что приводит к росту цен на продовольствие и обезлесению тропических лесов (особенно в Юго-Восточной Азии).
Выбросы загрязняющих веществ: при сжигании биомассы образуются твёрдые частицы (PM2.5, PM10), оксиды азота и серы, особенно при использовании низкокачественного топлива (влажные дрова, солома). Современные системы очистки дымовых газов (электрофильтры, циклоны) позволяют снизить выбросы до уровня газовых котлов.
Энергетическая эффективность: производство биотоплива (особенно биоэтанола из зерна) требует значительных затрат энергии на посев, уборку, транспортировку и переработку. Энергетический баланс (отношение полученной энергии к затраченной) для этанола из кукурузы составляет около 1,3–1,5, для биодизеля из рапса — 1,5–2,0, для пеллет из древесных отходов — 5–10.

Биоэнергетика в России

Россия обладает значительным потенциалом биомассы: ежегодно образуется около 200–250 млн тонн органических отходов (лесные — 50–70 млн тонн, сельскохозяйственные — 100–120 млн тонн, ТКО — 40–50 млн тонн). По оценкам экспертов, технический потенциал биоэнергетики в России составляет 30–50 млн тонн условного топлива в год, что эквивалентно 10–15 % текущего потребления первичной энергии.

Основные направления развития:

Лесная биоэнергетика: строительство пеллетных заводов (крупнейшие — в Архангельской, Вологодской, Кировской областях, Красноярском крае). В 2022 году Россия экспортировала около 2,5 млн тонн пеллет, в основном в страны ЕС и Великобританию.
Биогазовая энергетика: реализуются проекты на крупных животноводческих комплексах (свинокомплексы, птицефабрики) и предприятиях пищевой промышленности.
Теплоснабжение: модернизация муниципальных котельных с переводом с угля и мазута на пеллеты и щепу в северных и отдалённых регионах.

Государственная поддержка осуществляется в рамках программы «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности» и региональных программ развития ВИЭ. С 2013 года действует механизм поддержки ВИЭ на оптовом рынке электроэнергии и мощности (ДПМ ВИЭ), однако биоэнергетические проекты в нём представлены слабо из-за высоких капитальных затрат и длительных сроков окупаемости.

Источники

Федеральный закон от 26.03.2003 № 35-ФЗ «Об электроэнергетике» (в ред. от 28.12.2022).
Распоряжение Правительства РФ от 08.01.2009 № 1-р «Об утверждении Энергетической стратегии России на период до 2030 года».
ГОСТ Р 52808-2007 «Биотопливо твёрдое. Термины и определения».
«Возобновляемая энергетика в России: потенциал и перспективы» — доклад Аналитического центра при Правительстве РФ, 2021.
«Биоэнергетика мира и России: состояние, проблемы, перспективы» — под ред. академика РАН А.Ф. Дьякова, 2020.
«World Energy Outlook 2022» — Международное энергетическое агентство (IEA).
«Renewables 2023: Global Status Report» — REN21.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →