Превращение биомассы. Биомасса – это древесное и растительное сырье, различные органические отходы растениеводства, животноводства и пищевой промышленности. Она относится к биологически возобновляемуму природному ресурсу, и в наше время такой важнейший ресурс принято считать перспективным для промышленного производства энергии и многочисленных видов химического сырья.
Энергетика, основанная на потреблении и преобразовании биомассы, или биоэнергетика, во всём мире стремительно развивается: темпы роста производства различных видов биотоплива очень высокие – более 40 % в год. Биоэнергетика позволяет реализовать значительный ресурсный потенциал России (25 % мировых запасов древесины и более 9 % пахотных земель) при организации и налаживании промышленного производства биотоплива и повсеместном внедрении биоэнергетических комплексов.
Предполагается, что вклад биомассы в мировой энергетический баланс в 2040 г. достигнет около 23,8 %, или 3,2 млрд т нефтяного эквивалента. В 2001 г. этот показатель составил всего лишь 1,2 млрд т.
В биомассе благодаря фотосинтезу накапливается первичная солнечная энергия при росте растений, а это означает, что первоисточник внутренней энергии биомассы – солнечное излучение.
Растительная биомасса – один из важнейших экологически чистых источников энергии на Земле. Она образуется при фотосинтезе из диоксида углерода и воды с выделением кислорода. При образовании 1 кг растительной биомассы поглощается около 1,83 кг диоксида углерода и столько же выделяется при ее разложении (окислении и горении). Следовательно, при этом содержание диоксида углерода в атмосфере остается неизменным, прежним. Кроме того, при сжигании биомассы выделяется гораздо меньше серы (0,2 %) и золы (3–5 %), чем при сжигании, например, угля, для которого приведенные показатели соответственно равны – 23 % и 10–15 %. Внесенная в почву зола от сожженной биомассы служит удобрением и, следовательно, повышая ее плодородие, способствует росту и развитию растений.
Все процессы, начиная с роста растений и кончая различными превращениями биомассы, включаются в естественный, безотходный круговорот биогенных веществ в биосфере без антропогенного воздействия на окружающую среду.
Биомасса широко применяется для различных целей: заготовки горючих брикетов, выработки тепловой и электрической энергии, производства биосинтез-газа, водорода, метанола и других видов ценной продукции. Например, 3 м3 древесных брикетов по энергоемкости эквивалентны примерно 1 т нефти.
Все известные способы превращения биомассы с целью производства энергии и ценной продукции можно условно разделить на три группы.
К первой группе относятся термохимическое превращение, пиролиз и газификация. Термохимическое превращение биомассы осуществляется при высокой температуре – при сжигании биомассы для производства тепла и электроэнергии. Пиролиз – сухая перегонка древесной массы без доступа воздуха при температуре 450 °С – позволяет получить древесный уголь, метан, уксусную кислоту, метиловый спирт и ацетон. Газификация биомассы – процесс окисления ее в воздушной среде при высокой температуре. Сырье для газификации – древесина, солома, стебли кукурузы, и другие отходы растениеводства. Например, из 1 кг брикетов биомассы можно получить около 0,6 кг биосинтез-газа (0,28 кг нефтяного эквивалента). Биосинтез-газ используется для производства водорода и выработки электрической энергии.
Вторая группа способов превращения биомассы основана на применении биотехнологий для производства топлива, спирта, жирных кислот, газа и других полезных веществ.
Третья группа включает превращение растительных углеводородов, например, рапсового масла, в моторное топливо.
Все названные способы внедрены в промышленное производство в Японии, Италии, Бельгии, Португалии и других странах: где работают крупные заводы по переработке биомассы. В нашей стране разработаны газогенераторы для газификации твердой биомассы (древесины, лузги подсолнечника, твердых бытовых отходов) и биогазовые установки по переработке отходов животноводства.
Древесина. В последние годы в США, Великобритании, Франции и Германии налажено промышленное производство биомассы путем выращивания энергетического леса для заготовки древесины, используемого для выработки электроэнергии. Наиболее перспективны для лесной посадки быстрорастущие тополя и ивы.
Лесные массивы – важнейший биоэнергетический ресурс нашей планеты, примерно 1/4 частью которого обладает Россия. Лес в нашей стране занимает около 2/3 территории (1,2 млрд га), что соответствует 41 млрд т древесины. Без нанесения ощутимого ущерба лесу можно ежегодно перерабатывать для производства электроэнергии и полезного сырья до 0,16 % древесины (для российского леса эта доля соответствует 65 млн т).
Лес – это не только один из основных источников природных энергоресурсов и разнообразного органического сырья для производства множества видов ценной продукции, но и важнейший поставщик кислорода, необходимого для жизнедеятельности всего живого. Кроме того, древесина – превосходный материал для строительства домов и столярных работ.
К сожалению, леса часто истребляют пожары, участившиеся в последние годы, и беспощадно уничтожают люди и далеко не всегда в силу жизненной необходимости. Например, в Бразилии ежегодно вырубают около 15 тыс. км2 тропического леса. Во многих развивающихся и бедных странах древесина, как и много веков назад, остается основным видом топлива.
Россия – единственная в мире лесопромышленная страна, где за последние годы санкционированная заготовка древесины хотя и сократилась в несколько раз, но самовольная, неконтролируемая вырубка леса достигла гигантских угрожающих масштабов.
Древесина и сегодня, как и раньше, в нашем цивилизованном высокотехнологичном обществе, как это ни удивительно, в огромных количествах потребляется в качестве дров, причем даже в развитых странах. Эффективность получения тепла таким способом очень низкая. Жгут дрова в относительно холодной Финляндии, лидирующей в использовании древесины на топливо, и в теплой Франции, где сжигается почти четверть заготовляемой древесины (французы очень любят сидеть у камина!). Особенно много древесины расходуется на дрова в бедных странах Азии и Африки, где во многих сельских поселениях нет ни газа, ни электричества и древесина – единственный источник для отопления жилища и приготовления пищи. В Бангладеше, например, на топливо уходит почти вся заготавливаемая древесина, и в ближайшем будущем этой стране грозит настоящая экологическая и энергетическая катастрофы. Подобная ситуация сложилась и в Индии, где на дрова потребляется более 90 % древесины: дрова идут не только для приготовления пищи и отопления, но и для огромных костров (к тому же, как правило, из ценных пород дерева), на которых по традиции кремируют трупы умерших людей. В России, несмотря на суровый климат, на дрова уходит не более 21 % всей древесины. И такой сравнительно невысокий уровень потребления в какой-то мере определяет условия рынка: цены на древесину растут, особенно на лесоматериалы для строительства домов и производства мебели.
Ценнейшее свойство лесов заключается в удивительной способности очищать, восстанавливать и оздоровлять воздушную среду и тем самым ослаблять техногенное воздействие на нее промышленных выбросов диоксида углерода заводами, электростанциями и автомобилями, которые уже не компенсируются в полной мере фотосинтезом растительности. Подсчитано, что один гектар леса поглощает такое количество вредных газов, на техническую очистку от которого понадобилось бы потратить около 3 тыс. долл. В ООН уже рассматривалось предложение о необходимости введения налога на диоксид углерода, чтобы тратить полученные средства на восстановление леса. Однако большинство стран предпочитает использовать по-прежнему оздоровительные способности чужих лесов задаром.
В современном обществе многие здравомыслящие и просвещенные люди начинают осознавать, что самая эффективная и действенная мера защиты и сохранения леса заключается не столько в налоговом регулировании, а сколько в бережном отношении к нему, рациональном и экономном потреблении древесины и непрерывном, повсеместном восстановлении лесных массивов.
Библиографические ссылки
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов, 13-е изд. М.: Директ-Медиа, 2018.
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Практикум, 6-е изд. М.: Директ-Медиа, 2016.
Карпенков С.Х. Экология. Учебник в 2-х кн., 2-е изд., М.: Директ-Медиа, 2017.
Карпенков С.Х. Экология. Практикум, 2-е изд. М.: Директ-Медиа, 2022.
Карпенков С.Х. Экология. Учебник для бакалавров. М.: Логос, 2014.
Карпенков С.Х. Технические средства информационных технологий. 4-е изд. М.: Директ-Медиа, 2021.
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Справочник. М.: Высшая школа, 2004.
Карпенков С.Х. Незабытое прошлое. М.: Директ-Медиа, 2015.
Карпенков С.Х. Воробьёвы кручи. М.: Директ-Медиа, 2015.
Карпенков С.Х. Русский богатырь на троне. М.: ООО «Традиция», 2019.
Карпенков С.Х. Стратегия спасения. Из бездны большевизма к великой
России. М.: ООО «Традиция», 2018.
Карпенков С.Х. К истории одного преступления // Уничтоженные как класс. М.: ООО «Традиция», 2020. С. 3 – 65.
Карпенков Степан Харланович
