МЕХАНИЧЕСКАЯ КАРБОНИЗАЦИЯ БИОМАССЫ – НОВЫЙ ЭТАП В РАЗВИТИИ МИРОВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
РАЗВИТИЕ МИРОВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Во-первых, это фактор «неизбежности». Он заключается в том, что запасы традиционных источников энергии, а это в первую очередь ископаемые углеводороды, ограничены и в конечном итоге будут истощены.
По данным Международного Энергетического Агентства (IEA) при сегодняшнем темпе потребления доказанные запасы ископаемых углеводородов на Земле будут потреблены за:
- ископаемый уголь: ~140 лет;
- нефть: ~40 лет;
- природный газ: ~60 лет.
Следовательно, устойчивое развитие мировой цивилизации неизбежно приведет к переходу на возобновляемые источники энергии.
Во-вторых, это экологический фактор. Он заключается в том, что генерация энергии с помощью ископаемых углеводородов приводит к увеличению концентрации СО2 в атмосфере и глобальным изменениям климата Земли. Вклад выбросов СО2 в глобальное потепление согласно Киотскому протоколу составляет ~55%. Переход к генерации энергии при помощи возобновляемых источников энергии приведёт к снижению эмиссии СО2 в атмосферу Земли.
Снижение эмиссии СО2 является главной экологической задачей, поставленной перед мировым сообществом Парижским климатическим соглашением 2016 года.
Современный сценарий перехода мировой энергетики от углеводородной к возобновляемой, сдерживают три существенных противоречия между экономическими и экологическими интересами социума:
- технологии получения энергии из возобновляемых источников делают её стоимость значительно выше стоимости энергии, полученной традиционным способом (с использованием ископаемых углеводородов);
- переход на возобновляемые источники энергии требует значительных инвестиций в энергогенерирующие мощности, производство возобновляемых источников энергии и энергетическую инфраструктуру;
- возникает комплекс социально-экономических проблем, связанных с ликвидацией производственных мощностей в сферах добычи ископаемых углеводородов и традиционной энергетики.
Решение этих проблем находится в области регуляторной политики государств (пошлины, налоги, льготы, дотации и др.). Такой, «политический», путь не является эффективным для быстрой трансформации мировой энергетики в возобновляемую, так как требует:
- выделения государствами значительных бюджетных средств;
- создания сложных бюрократических механизмов международного и внутригосударственного регулирования и контроля;
- учёта высокого коррупционного потенциала;
- высокой степени доверия бизнес-сообщества к государственным институтам.
Эффективный сценарий перехода энергетики от углеводородной к возобновляемой находится в сфере рыночного механизма развития. Для реализации такого сценария необходимо преодолеть экономические противоречия, сдерживающие переход к возобновляемой энергетике. Другими словами, найти такие технологические подходы к производству возобновляемой энергии, которые позволят уменьшить её себестоимость до конкурентного с углеводородной, а также использовать существующую энергетическую инфраструктуру. Такой сценарий минимизирует возможные социально-экономические проблемы.
Перспектива глобального замещения тепловой энергетики на солнечную, ветровую, геотермальную и гидроэнергетику ограничена. Это обусловлено их зависимостью от места расположения, времени года и суток, что не позволяет гарантированно обеспечивать базовую и маневровые нагрузки энергосистем.
Самым перспективным источником возобновляемой энергии при реализации рыночного сценария трансформации мировой энергетики является биомасса. Это связано в первую очередь с тем, что природа биомассы и ископаемых углеводородов идентичны. В этом сообщении мы будем обсуждать технологический подход к получению твердого топлива (пеллеты) из биомассы и вынесем за рамки обсуждения технологию производства жидких (бионефть, биоэтанол) и газообразных (биогаз) энергетических продуктов.
АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА ПЕЛЛЕТ
Самой распространенной технологией производства пеллет из биомассы является «сухое гранулирование». Эта технология впервые была запатентована и реализована Рудольфом Гуннерманом (Rudolf Wilhelm Gunnerman) в США в 1976 году (патент US4015951 A). Сухое гранулирование имеет ряд принципиальных недостатков, приводящих к высокой себестоимости пеллет. Это исключает рыночный механизм конкуренции пеллет с каменным углём.
Попытки улучшить качество пеллет привели к созданию новых технологических подходов к переработке биомассы в гранулированное топливо. Были разработаны и внедряются новые технологии производства пеллет:
- Торрефикация биомассы;
- Гидротермическая карбонизация биомассы (НТС).
Эти технологические подходы основаны на карбонизации биомассы и улучшают потребительские свойства пеллет, но не приводят к существенному уменьшению себестоимости твёрдого биотоплива.
Выделим ключевые проблемы, возникающие при производстве и сжигании пеллет:
- Высокие затраты при производстве;
- Высокая стоимость и ограниченная доступность сырья;
- Высокие инвестиционные затраты;
- Большая доля логистических затрат в себестоимости;
- Различия в физико-химических свойствах биотоплива и ископаемого угля.
Для того чтобы определить причины возникновения этих проблем и найти пути их решения необходимо провести анализ каждого из этапов существующих технологий производства пеллет. Обобщим результаты такого анализа в Таблице 1.
Карбонизация
Ключевым изменением технологии является инновационный метод карбонизации биомассы - «механическая карбонизация». Этот метод был разработан на основе синтеза технологии гидротермической карбонизации, открытой Фридрихом Бергиусом в начале 20 века и получившего новое развитие в последние 10 лет, с технологическими методами механохимии. Внедрение механической карбонизации позволило получить пеллеты с физико-химическими характеристиками подобными каменному углю. Такие пеллеты не имеют ограничений при сжигании в твёрдотопливных котлах, в том числе и при совместном сжигании с углём. Их использование не требует модернизации существующей энергетической инфраструктуры.
Механизмы гидротермической карбонизации представлены на Рисунке 1.
Строение биомассы на субмолекулярном уровне представляет собой лигноуглеводную матрицу, образованную взаимным наложением нескольких сетчатых полимерных структур, армированную целлюлозными микрофибриллами. Такая структура имеет высокую плотность упаковки компонентов, а это, наряду с ароматической природой лигнина сдерживает процесс гидролиза содержащихся в ней углеводов. Разрушение природной субмолекулярной структуры приводит к значительной интенсификации процесса карбонизации биомассы, развивающегося по гидротермическому пути.
Используя интенсивное механическое воздействие на биомассу и органические катализаторы удалось значительно интенсифицировать кинетику процесса карбонизации. Это привело к сокращению времени, необходимого для карбонизации, уменьшению размеров и металлоёмкости технологического оборудования и снижению энергозатрат.
Такой подход позволяет снизить потери углерода в процессе карбонизации и довести углеродную эффективность процесса до показателя близкого к 100%.
Удаление влаги
Технология производства пеллет требует удаления влаги из биомассы. Для этого традиционно применяется сушка – процесс, основанный на испарении избыточного количества воды из твёрдого материала под воздействием подвода тепловой энергии. Такой процесс имеет существенные недостатки:
- Высокие затраты энергии на нагрев и испарение воды (энергозатраты не могут быть ниже чем 2,5 МДж/кг удаляемой воды и пропорциональны её количеству);
- Большие габаритные размеры и металлоёмкость сушильного оборудования;
- Высокие эксплуатационные и сопутствующие затраты (генерация тепла, аспирация, подача теплоносителя и эксплуатация сушильного оборудования).
Доля затрат на сушку превышает 30% в производственной себестоимости пеллет, а без учёта затрат на приобретение сырья превышает половину всех производственных затрат.
Альтернативой тепломассобменному методу удаления воды (сушке) при производстве пеллет может стать механический метод (отжим). Этот метод удаления жидкости из биомассы традиционно применяется при переработке масленичных культур. Суть механического метода удаления жидкости из капиллярно-пористых коллоидных материалов заключается в механическом разрушении макроскопической (клеточной) структуры вещества, сопровождающимся его сжатием. Это приводит к удалению несжимаемой жидкости из рабочей области. Затраты энергии на эвакуацию жидкости при отжиме эквивалентны энергии, затрачиваемой на разрушение макроструктуры биомассы и в десятки раз меньше затрат энергии на нагрев и испарение воды. При этом энергозатраты не зависят от первоначальной влажности материала.
Использование такого метода удаления жидкости позволяет достигать конечных значений абсолютной влажности <8%.
Сырьё
Требования, предъявляемые к сырью для производства пеллет, определяются существующими технологиями его переработки в биотопливо и технологиями их сжигания. Эти требования накладывают ограничения на использование биомассы по следующим параметрам:
- Содержание минеральных примесей;
- Влажность;
- Природный химический состав.
Сухое удаление минеральных примесей из биомассы крайне затруднительно, а влажное удаление вступает в противоречие с ограничениями на влажность сырья.
Применение механического метода извлечения воды из сырья позволяет применить влажное удаление минеральных примесей (мойку сырья). Такой подход существенно улучшает качество пеллет (снижает зольность, содержание кремния, хлора и других растворимых примесей) и принципиально расширяет сырьевую базу для производства пеллет. Это, в свою очередь, приводит к снижению стоимости и повышает доступности сырья.
Такой технологический подход открывает возможность для использования в качестве сырья широкого спектра биомассы, в первую очередь ранее недоступных для производства высококачественных пеллет отходов агропромышленного производства.
При использовании сырья, отвечающего существующим требованиям, удаление минеральных примесей приводит к повышению качества производимых пеллет.
Гранулирование
В основе технологического этапа гранулирования при производстве пеллет из биомассы лежит ударная неупругая деформация и сжатие материала, которые сопровождаются диффузионными процессами в зоне контакта отдельных частиц материала. Такой подход к гранулированию биомассы имеет существенные недостатки:
Высокие затраты энергии на ударное гранулирование (>75 кВт*часов/тонну);
- Влажность биомассы в процессе гранулирования должна находится в диапазоне от 8% до 12%;
- Быстрый износ рабочих органов оборудования (матриц) и высокие затраты на их ремонт или замену;
- Невозможность достижения максимальных значений насыпной плотности пеллет.
- Эти недостатки связаны с полимерной природой биомассы.
При гранулировании полимерных материалов самым эффективным методом является экструзия. В основе этого метода лежит изменение фазового состояния вещества, т.е. его переход в вязко-текучее состояние (плавление) с последующим возвратом в твердое агрегатное состояние. Такой подход позволяет снизить энергозатраты при гранулировании (<30 кВт*часов/тонну), уменьшить износ рабочих органов технологического оборудования и получить пеллеты с максимально возможной для таких веществ насыпной плотностью (~850 кг/м3).
Механическая карбонизация
Анализ существующих технологий производства пеллет привёл к разработке инновационного технологического подхода производства пеллет – технологии «механической карбонизации» биомассы и комплекса технологического оборудования для промышленного производства пеллет нового поколения.
 |
 |
Себестоимость пеллет
Применённые технические решения приводят к уменьшению себестоимости производства пеллет на каждом технологическом этапе. На Диаграмме 1 показан вклад затрат в суммарной производственной себестоимости пеллет в случае применения традиционной технологии «сухого гранулирования» и механической карбонизации.
Для расчёта себестоимости использована методика, описанная в статье основателя одной из самых авторитетных в отрасли консалтинговых компаний FutureMetrics, LLC г-на Вильяма Штрауса (ссылка).
Результаты расчёта себестоимости пеллет приведены в Таблице 2.
Расчёты показывают, что произведенные с помощью технологии механической карбонизации пеллеты, имеют конкурентные преимущества не только относительно пеллет, произведенных с помощью применяемых сегодня технологических подходов, но и относительно каменного угля.
Таким образом внедрение технологии механической карбонизации запускает «рыночный» сценарий перехода энергетики на возобновляемые источники энергии и делает его максимально безболезненным.
Для наглядности представления показателей себестоимости построим сравнительную Диаграмму 2.
Рынок производства и потребления пеллет
Прогноз развития рынка производства пеллет с точки зрения консервативного (политического) сценария перехода энергетики от углеводородных к возобновляемым источникам энергии до 2025 года приведен на Диаграмме 3.
Источники: Argus Biomass Direct data, European Pellet Council, HPBA US and CA stove data, Future Metrics LLC
(Необходимо отметить, что этот прогноз не учитывает рост рынка потребления пеллет в Китае, где осуществляется государственная программа, выполнение которой должна увеличить потребление пеллет в стране до показателя ~ 40 млн. тонн в 2020 году.)
Опираясь на эти данные можно оценить объём и монетизацию рынка производства технологического оборудования для производства пеллет. Представим наши расчёты на Диаграмме 4.
При реализации «рыночного» сценария развития мировой энергетики базой для прогнозирования становится потребление ископаемого твёрдого топлива (в первую очередь угля). Это связано с тем, что в случае замены ископаемого угля на механически карбонизированные пеллеты не требуются инвестиции в модернизацию существующей энергетической инфраструктуры, которые по разным оценкам составляют от 3 до 10 триллионов $.
Международное Энергетическое Агентства (IEA) оценивает мировое потребление каменного угля в 2016 году в 7 400 млн. тонн.
Замена угля на твёрдое биотопливо приведёт к изменению спроса на пеллеты и качественно изменит прогнозируемый объём и монетизацию рынка производства технологического оборудования.
Инвестиционный потенциал рынка оборудования для производства механически карбонизированных пеллет можно оценить в 650 миллиардов $
Сырьевая база для производства пеллет
По данным FAO UN:
- Годовой прирост наземной биомассы - 120 000 миллионов тонн сухого вещества;
- Скорость накопления энергии наземной биомассой - 2400 ЭДж/год;
- Общее потребление всех видов энергии - 400 ЭДж/год.
Эти данные вселяют оптимизм, но требуют детального исследования во всех возможных аспектах.
Вынесем обсуждение этого вопроса за рамки настоящего сообщения.
ВЫВОДЫ
Технология механической карбонизации биомассы имеет ряд существенных преимуществ для производителей пеллет и потребителей твёрдого топлива.
Тотальное внедрение технологии механической карбонизации делает возможным быструю реализацию рыночного сценария безболезненного перехода мировой энергетики на возобновляемые источники энергии. Безболезненность трансформации мировой энергетики обусловлена:
- Отсутствием ограничений на совместное сжигание механически карбонизированных пеллет с углём;
- Отсутствием (связанных с такой трансформацией) инвестиций в генерацию энергии и энергетическую инфраструктуру;
- Рыночным характером отношений между производителями топлива и энергетической отраслью.
Внедрение технологии механической карбонизации биомассы приведёт к:
- Возникновению распределённой структуры производства биотоплива;
- Максимальной демонополизации рынка твердого топлива;
- Повышению рентабельности у производителей биомассы;
- Потоку инвестиций в производство пеллет;
- Созданию дополнительных рабочих мест.
С точки зрения экологии, внедрение технологии механической карбонизации биомассы приведёт к существенному снижению эмиссии СО2 в атмосферу и может дополнительно способствовать решению задачи конденсации избыточного углерода из атмосферы и превращения его в биочар.