CC BY
14УДК 519.876
статья поступила 16.11.2023
А.С. Иванов,
кандидат технических наук, доцент кафедры «Технические системы в АПК», ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья», г. Тюмень
МИРОВОЙ ПОТЕНЦИАЛ ПРОИЗВОДСТВА ЭНЕРГИИ ИЗ РАСТИТЕЛЬНЫХ ОТХОДОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА
Проблемы, связанные с истощением традиционных топливных ресурсов, и озабоченность об окружающей среде стали основной движущей силой для изучения экологически безопасных, возобновляемых, экономичных и устойчивых альтернативных источников энергии. Огромное количество растительных отходов сельскохозяйственного производства производится во всем мире, которое может быть преобразовано в энергию с использованием различных технологий. Цель исследования - проанализировать мировой
опыт производства энергии на основе растительных отходов сельскохозяйственного производства для понимания дальнейших перспектив использования таких отходов в качестве биотоплива. Технология преобразования, основанная на растительных отходах, имеет ряд преимуществ: производство возобновляемой энергии, обеспечение благоприятного состояния окружающей среды и управление отходами биомассы. Основными технологиями являются: био-уголь, энергия от прямого сжигания и биотопливо из брикетов. В качестве ключевого фактора при определении потенциала производства биоэнергии и улучшения состояния окружающей среды можно рассматривать эффективность преобразования энергии.
Ключевые слова: биомасса, биотопливо, растительные отходы, сжигание биомассы, утилизация отходов, производство энергии, теплогенератор.
A.S. Ivanov,
Northern Trans-Ural State Agricultural University
GLOBAL POTENTIAL FOR ENERGY PRODUCTION FROM PLANT-BASED
AGRICULTURAL WASTE
Problems associated with the depletion of traditional fuel resources and environmental concerns have become the main driving force for exploring environmentally friendly, renewable, economical and sustainable alternative energy sources. A huge amount of plant waste from agricultural production is produced throughout the world, which can be converted into energy using various technologies. The purpose of the study is to analyze the world experience in energy production based on plant waste from agricultural production to understand the future prospects for using such waste as biofuel. Conversion technology based on plant waste has several advantages: renewable energy production, environmental friendliness and biomass waste management. The main technologies are: bio-coal, energy from direct combustion and biofuel from briquettes. Energy conversion efficiency can be considered as a key factor in determining the potential for bioenergy production and environmental improvement.
Key words: biomass, biofuels, plant waste, biomass burning, waste disposal, energy production, heat generator.
Эволюция и нынешние положения глобальной политики и ориентиры развития стран свидетельствуют о возрастающем внимании к глобальным изменениям, порожденным обществом потребления, которое несет ответственность за ускорение темпов добычи природных ресурсов и образование огромного количества отходов. Количество этих отходов при нынешних темпах производства и потребления, по оценкам экспертов, удвоится к 2050 г. и составит 4 млрд. тонн [1]. Сельское хозяйство стало одним из крупнейших и наиболее важных секторов экономики во многих странах и крупнейшим источником рабочих мест во всем мире. Это делает переход к устойчивому сельскому хозяйству приоритетным, уделяя особое внимание снижению негативного воздействия на окружающую среду за счет внедрения инновационных технологических систем.
Проблемы, связанные с истощением традиционных топливных ресурсов и озабоченность об окружающей среде, стали основной движущей силой для изучения экологически безопасных, возобновляемых, экономичных и устойчивых альтернативных источников энергии. Огромное количество растительных отходов сельскохозяйственного производства производится во всем мире (рис. 1), которое может быть преобразовано в биотопливо с использованием различных технологий. Тем не менее, такие вопросы, как ущерб окружающей среде и конкурирующие виды топлива с использованием биомассы в сельском хозяйстве, необходимо исследовать в краткосрочной и долгосрочной перспективе, учитывая не только преобразование в биотопливо, но и воздействие на почву.
Рис. 1. Основные виды сельскохозяйственных отходов
Индия является одной из ведущих стран по производству таких культур, как пшеница, рис, сахарный тростник и многих других. В результате сбора урожая образуется большое количество сельскохозяйственных отходов, из-за которого у фермеров возникают трудности с их утилизацией, поэтому они обычно собирают эти отходы и сжигают на полях открытым способом [2]. Сжигание растительных отходов является обычной послеуборочной практикой во многих странах мира, в основном в развивающихся странах [3]. Однако, сжигание открытым способом способствует загрязнению атмосферы, приводит к таким явлениям деградации окружающей среды, как загрязнение воздуха, глобальное потепление, смог и изменение климата. В атмосферу выбрасывается большое количество токсичных загрязняющих веществ, таких как метан, диоксид и оксид углерода, оксиды азота, диоксид серы и субмикронные аэрозоли. После выброса в атмосферу эти загрязняющие вещества рассеиваются в окружающей среде, образуя плотный покров смога, оказывая неблагоприятное воздействие на здоровье человека. Сжигание растительных остатков уничтожает питательные вещества в почве, делая ее менее плодородной, что приводит к потере влаги и полезных микробов, присутствующих в верхнем слое почвы. Из-за потери полезных микроорганизмов резко увеличивается количество вредителей, что делает сельскохозяйственные культуры более подверженными заболеваниям.
Цель исследования - проанализировать мировой опыт производства энергии на основе растительных отходов для понимания дальнейших перспектив использования таких отходов в качестве биотоплива.
Результаты исследования. Производство энергии на основе биомассы является одним из основных направлений программ возобновляемых источников энергии в Азии, США и Европе. Ресурсная база биомассы в Индии в основном приходится на сельскохозяйственный сектор. Индия ежегодно производит 686 тонн биомассы растительных отходов, из которых 234 тонны (34 % валовой массы) оцениваются как излишки для производства биоэнергии [4]. На уровне штата Уттар-Прадеш производит наибольшее количество растительных остатков среди всех 28 штатов. Среди всех культур сахарный тростник производит наибольшее количество избыточных отходов, за ним следует рис. Предполагаемый годовой биоэнергетический потенциал избыточной биомассы растительных отходов составляет 4,15 ЭДж, что эквивалентно 17 % от общего потребления первичной энергии в Индии. Владение информацией о количестве растительных отходов и их местоположении будет полезно для децентрализованного планирования энергетики в различных регионах Индии, что, в свою очередь, положительно повлияет на общий рост возобновляемых источников энергии в стране.
Сокращение антропогенных выбросов СО2 и других парниковых газов является важной стратегией смягчения парникового эффекта. Таким образом, потребность в разработке углеродно-нейтральных и возобновляемых источников энергии является акту-
альной. Использование растительных отходов в качестве возможного источника сырья для производства биоэнергии должно подвергаться критической и объективной оценке из-за их положительного воздействия на связывание углерода в почве, поддержание качества почвы и функции экосистемы. Количество растительных отходов, производимых в США, оценивается в 1342*106 Мг/год. Количество растительных отходов, образующихся в мире, оценивается в 5908*106 Мг/год для зерновых и бобовых и 3758*106 Мг/год для 27 продовольственных культур [5]. Топливная составляющая общего годового избытка оценивается в 1,5*1015 ккал, это около 1 миллиарда баррелей дизельного топлива в эквиваленте для США; и 11,3*1015 ккал, около 7,5 млрд баррелей дизельного топлива на весь мир. Поэтому создание биоэнергетических сельскохозяйственных предприятий с потенциалом производства 10-15 Мг биомассы в год является интересным для рассмотрения вариантом. Для этого потребуется 40-60 млн га земли в США и около 250 млн га во всем мире для создания таких предприятий.
Однако, не все образующиеся отходы могут или должны использоваться для производства биоэнергии. Неизбирательное удаление растительных остатков может привести к ухудшению качества почвы с долгосрочными негативными последствиями для окружающей среды. Возврат пожнивных остатков улучшает качество почвы за счет снижения риска эрозии почвы, накопления/утилизации питательных веществ, стабилизации структуры почвы и улучшения ее плодородия, снижения объемной плотности почвы, улучшения водоудержания, обеспечения энергией микробных процессов, повышения емкости катионного обмена и агрономической продуктивности.
Исследование, проведенное в Пакистане для оценки потенциала рисовой шелухи в качестве исходного материала для производства электроэнергии, показало, что существует возможность производить около 1328 ГВтч электроэнергии, если используется только 70 % рисовой шелухи. Расчетная стоимость этой электроэнергии составляет 47,36 цента/кВтч, в то время как стоимость электроэнергии при выработке угля равна 55,22 цента/кВтч. Также, в Пакистане установлено, что около 162 МВт электроэнергии может быть получено из сельскохозяйственной биомассы, полученной из пшеничной и рисовой соломы. Исследование, проведенное в Испании для оценки возможности производства электроэнергии из сельскохозяйственной биомассы, показало, что потенциал производства составил около 118 ПДж ежегодно.
Во всем мире более 30 % энергии для домашних хозяйств получают из сельскохозяйственной биомассы для отопления, приготовления пищи и освещения. Любая переработанная или сырая биомасса, полученная в ходе сельскохозяйственной деятельности, пригодна для производства тепла и электроэнергии в промышленных масштабах. В последние годы в Польше ежегодно производилось около 25-28 миллионов тонн соломы. Из них около 4,9 млн тонн рапсовой соломы и злаков было использовано для производства энергии. Около 1,5 млрд м3 биогаза можно получить с помощью процессов сжигания. Ожидается, что структура использования биомассы в Польше изменится в течение 20-25 лет. Большая часть биомассы будет использоваться для производства электроэнергии и биотоплива вместо производства тепла. В Китае около 37 % сельскохозяйственной биомассы применяется в качестве прямого горючего топлива для отопления и приготовления пищи в дополнение к другому бытовому использованию. Бадаринат и др. (2009) сообщает, что более 2500 Тг сельскохозяйственной биомассы используется в Азии в качестве топлива. Пакистан, Бангладеш, Индия и другие азиатские страны производят огромное количество рисовой соломы, и большая ее часть используется в качестве топлива для отопления и приготовления пищи. В Китае более 190 миллионов жителей пользуются печами для приготовления пищи, использующими в качестве топлива сельскохозяйственную биомассу.
Производство электроэнергии из растительных отходов является жизнеспособным вариантом в развивающихся странах, в Европе и Северной Америке. В Европейском союзе эксплуатируются различные электростанции для производства электроэнергии с
использованием сельскохозяйственной биомассы. Электростанция мощностью 38 МВт, построенная в Кембриджшире (Великобритания), использует солому в качестве топлива.
Наиболее серьезным препятствием для использования топлива на основе растительных отходов сельскохозяйственного производства является отсутствие финансовой поддержки. Тем не менее, различные страны проводят политику, направленную на поощрение использования топлива на основе растительных отходов. Примерами являются правовые акты Европейской комиссии по продвижению использования биотоплива, а также политика правительства Малайзии в отношении биодизеля с учетом нехватки энергии и экологических проблем. Использование биомассы в сельском хозяйстве, безусловно, нуждается в финансовых стимулах, включая налоговые льготы и субсидии на производство, а также на использование, чтобы сделать его осуществимым и конкурентоспособным по сравнению с традиционными видами топлива.
Существуют две основные технологии преобразования растительных отходов в полезную энергию. Это делается либо биохимическим, либо термохимическим способом. Оба процесса преобразуют биомассу либо в энергоноситель, либо в тепло. Биохимические процессы используют бактерии для производства энергоносителя [6]. Примерами таких процессов являются производство биогаза, при котором бактерии расщепляют органические отходы (например, мусор), образуя газы, богатые метаном, или ферментация пшеницы или древесины с этанолом и метанолом в качестве конечного продукта.
Что касается воздействия на климат, то вопрос о том, как расширяющийся биоэнергетический сектор будет взаимодействовать с другими видами землепользования, такими как производство продуктов питания, биоразнообразие, сохранение почвы и природы, а также секвестрация углерода, недостаточно проанализирован в исследованиях и является актуальным направлением. В настоящее время проблематично установить, в какой степени биоэнергетика является привлекательным вариантом смягчения последствий изменения климата в энергетическом секторе. Усовершенствованное моделирование взаимодействий между различными видами использования и производством биоэнергии, продуктов питания и материалов, то есть конкуренции за ресурсы и синергии между различными видами использования, будет способствовать лучшему пониманию перспектив крупномасштабной биоэнергетики и будущего землепользования и управления биомассой в целом.
Биомасса может стать одним из основных мировых первичных источников энергии в следующем столетии, и предполагается, что модернизированные биоэнергетические системы внесут важный вклад в будущие устойчивые энергетические системы и устойчивое развитие как в промышленно развитых, так и в развивающихся странах.
Выводы. Технология преобразования, основанная на растительных отходах, имеет ряд преимуществ: производство возобновляемой энергии, обеспечение благоприятного состояния окружающей среды и управление отходами биомассы. Однако, количественная оценка различных технологий на основе переработки растительных отходов, с точки зрения этих преимуществ, ограничена. Основными технологиями являются: био-уголь, энергия от прямого сжигания и биотопливо из брикетов. Последняя показывает более лучшие результаты в производстве энергии и снижении загрязнения воздуха, чем две другие технологии [7]. В качестве ключевого фактора при определении потенциала производства биоэнергии и улучшения состояния окружающей среды можно рассматривать эффективность преобразования энергии.
Библиографический список
1. Muhammad, Saleem. Possibility of utilizing agriculture biomass as a renewable and sustainable future energy source / Saleem Muhammad. - Text : unmediated // Heliyon. - Volume 8. - Issue 2. - 2022. - e08905. - ISSN 2405-8440. - DOI 10.1016/j.heliyon.2022.e08905.
2. Archana, Bansal. Management of Crop-Residue to Control Environmental Hazards / Bansal Archana. - Text : unmediated // The scientific temper. - December, 2022. - 13 (02). -P. 146-152. - DOI 10.58414/scientifictemper.2022.13.2.21.
3. Иванов, А. С. Работа теплогенератора на отходах зерновых культур / А. С. Иванов, Н. Н. Устинов. - Текст : непосредственный // Сельский механизатор. - 2020. -№ 12. - С. 20-21.
4. Moonmoon, Hiloidhari. Bioenergy potential from crop residue biomass in India / Hiloidhari Moonmoon, Das Dhiman, Baruah. - Text : unmediated // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - Volume 32. - 2014. - P. 504-512. - ISSN 1364-0321. - DOI 10.1016/j.rser.2014.01.025.
5. Apazhev, A. K. Environmentally oriented disposal of waste from agricultural enterprises in a biomethane plant / A. K. Apazhev, Y. A. Shekikhachev, A. G. Fiapshev, L. Z. She-kikhacheva. - Text : unmediated // IOP Conf. Ser. Earth Environ. - 2022. - 1112 (1). - P. 012023. - DOI 10.1088/1755-1315/1112/1/012023.
6. Pattanaik, Lopa. Biofuels from agricultural wastes / Lopa Pattanaik, Falguni Pattnaik, Devesh Saxena, Satya Naik. - Text : unmediated // Second and Third Generation of Feedstocks. - 2019. - P. 103-142. - DOI 10.1016/B978-0-12-815162-4.00005-7.
7. Dai, Yanhui. Comparison of different crop residue-based technologies for their energy production and air pollutant emission / Yanhui Dai, Hao Zheng, Jiang Zhixiang, Baoshan Xing. - Text : unmediated // The Science of the total environment. - 2019. - 707. - P. 136122.
- DOI 10.1016/j.scitotenv.2019.136122.
References
1. Muhammad, Saleem. Possibility of utilizing agriculture biomass as a renewable and sustainable future energy source / Saleem Muhammad. - Text : unmediated // Heliyon. - Volume 8. - Issue 2. - 2022. - e08905. - ISSN 2405-8440. - DOI 10.1016/j.heliyon.2022.e08905.
2. Archana, Bansal. Management of Crop-Residue to Control Environmental Hazards / Bansal Archana. - Text : unmediated // The scientific temper. - December, 2022. - 13 (02). - P. 146-152. - DOI 10.58414/scientifictemper.2022.13.2.21.
3. Ivanov, A. S. Rabota teplogeneratora na othodah zernovyh kul'tur / A. S. Ivanov, N. N. Ustinov. - Tekst : neposredstvennyj // Sel'skij mekhanizator. - 2020. - № 12. - S. 20-21.
4. Moonmoon, Hiloidhari. Bioenergy potential from crop residue biomass in India / Hiloidhari Moonmoon, Das Dhiman, Baruah. - Text : unmediated // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - Volume 32. - 2014. - P. 504-512. - ISSN 1364-0321. - DOI 10.1016/j.rser.2014.01.025.
5. Apazhev, A. K. Environmentally oriented disposal of waste from agricultural enterprises in a biomethane plant / A. K. Apazhev, Y. A. Shekikhachev, A. G. Fiapshev, L. Z. She-kikhacheva. - Text : unmediated // IOP Conf. Ser. Earth Environ. - 2022. - 1112 (1). - P. 012023. - DOI 10.1088/1755-1315/1112/1/012023.
6. Pattanaik, Lopa. Biofuels from agricultural wastes / Lopa Pattanaik, Falguni Pattnaik, Devesh Saxena, Satya Naik. - Text : unmediated // Second and Third Generation of Feedstocks.
- 2019. - P. 103-142. - DOI 10.1016/B978-0-12-815162-4.00005-7.
7. Dai, Yanhui. Comparison of different crop residue-based technologies for their energy production and air pollutant emission / Yanhui Dai, Hao Zheng, Jiang Zhixiang, Baoshan Xing. - Text : unmediated // The Science of the total environment. - 2019. - 707. - P. 136122.
- DOI 10.1016/j.scitotenv.2019.136122.
Контактная информация:
Иванов Андрей Сергеевич. E-mail: [email protected]
