ности процесса, и для них ведется поиск наиболе.е выгодных рынков сбыта. Исследования по проектированию ферментатора или повышению эффективности перегонки мало что значат в производстве моторного спирта, если при этом нет дешевого сырья. Такие исследования могут оказать большую помошь традиционным отраслям, производящим промышленный и питьевой спирт методом ферментации. Кроме того, в случаях, когда производство моторного спирта бьшо организовано благодаря субсидиям или другой помощи со стороны правительства, процесс превращения биомассы в спирт должен быть максимально эффективным в целях снижения общих затрат. Существует много предложений по различным типам ферментаторов, перегонным кубам и теплообменникам, новым типам микробных реакций, альтернативным методам регенерации спирта и т. д. В других странах, где субсидирование менее вероятно, необходимы очень дешевые моносахариды или легко гидролизуемые полисахариды для стабильного производства моторного спирта.

Растительные масла. Основной проблемой, связанной с использованием растительных масел, снова является стоимость производства биомассы (семян масличных культур и т. д.) (рис. 20). За последние несколько десятилетий стоимость растительных масел в реальном выражении снизилась благодаря механизации, внесению удобрений и новым сортам. Несмотря на перспективы дальнейшего повьпнения урожаев, снижение стоимости растительных масел будет недостаточным для того, чтобы конкурировать с видами дизельного топлива, которые растительные масла могли бы заменить. Поскольку растительные масла вызыва1от закоксовывание поршневых колец дизельных двигателей, может возникнуть необходимость дальнейшей очистки масел, прежде чем они могут быть использованы в качестве топлива в карбюраторных двигателях внутреннего сгорания. Бьшо бы более справедливо сравнить растительное масло с сырой нефтью (190 долл/т), чем с дизельным топливом (240 долл/т). Их стоимость в текущих ценах (440 - 600 долл/т) не позволяет им конкурировать с традиЩюнными видами топлива.

8.3. ТЕХНОЛОГИИ, ЧУВСТВИТЕЛЬКЫЕ К ИЗМЕНЕНИЯМ КАПИТАЛЬНЫХ ЗАТРАТ

Сложность и низкая продуктивность. В случаях, когда биомасса как сырье обходится дешево, предоставляется бесплатно или с доплатой, капитальные затраты становятся наиболее важным элементом в расчете издержек производства. Крупные и дорогие реакторы, системы подачи твердых частиц и сложные процессы - все эти факторы способствуют повышению первоначальных инвестиционных затрат, затрат по техническому уходу, а также повышению размеров долга, который необходимо погасить. В свете этих проблем основной упор должен быть сделан на уменьшение сложности процессов, повышение их

производительности и решение проблемы повышения материалоотдачи и эффективности строительства. В развитых странах решающим фактором являются повышение продуктивности. и отказ от капиталоемких технологий, в то время как в развивающихся странах капитал до некоторой степени может быть замещен трудовыми затратами. Однако в обоих типах стран чувствительность капитальных затрат к совершенствованию процессов и оборудования обнаруживается редко, а положительные стороны многих новаторских предложений формулируются недостаточно четко.

Прямое сжигание. Рентабельность процесса удаления отходов и выработки пара и электроэнергии в значительной степени зависит от необходимых размеров капиталовложений. Стоимость системы сжигания топлива увеличивается при повышении сложности сортировочных машин, а также вследствие необходимости измельчения компонентов смеси перед сжиганием. Сама природа материала и его низкая теплотворная способность требуют специальной технологии сжигания и дорогостоящего оборудования. Хотя капитальные затраты могут быть компенсированы стоимостью выработанных пара и электроэнергии, для этих продук* тов необходимо найти рынок. Общее влияние нововведений в области получения теплоты, энергии и удаления отходов на потребление энергии в национальном масштабе вряд ли может быть значительным. Вопрос стоит больше в плане снижения затрат на удаление отходов, чем нахождения новых источников энергии. В то время как исследования могут способствовать решению вечной проблемы, связанной с удалением отходов, для того чтобы поставить неотсортированные городские отходы на одну доску с ископаемым или ядерным топливом для выработки пара или электроэнергии, потребуется целая серия значительных усовершенствований. Так как именно дешевые виды ископаемого топлива вызывали появление гор отходов вокруг основных городов мира, нехватка этих видов топлива будет означать повышенный спрос на отходы. Отходы, которые приравниваются по энергетическим затратам к ископаемым видам топлива, характеризуют общество, достигшее крайней степени рециркуляции материалов, что ставит огромную проблему перед наукой.

Термическое обогащение. Экономика термического обогащения сильно зависит от компонентов капиталовложений при низкой стоимости сырья (рис. 21). В качестве сырья обычно предлагается использовать дешевую древесину, сортированные городские отходы и отходы сельскохозяйственного производства. Вследствие возможности использования угля в тех же процессах трудно представить эти процессы с использованием более дорогих видов биомасс. Потребности в капиталовложениях в обогатительный завод будут зависеть от сложности процесса и от продуктивности основных реакторов. Как процессы, так и реактор могут быть усовершенствованы в результате исследований, однако за последние годы не отмечено в этом направлении никаких

Лабораторные исследования Накладные + мате^алы, Другие расходыматериалы

Накладные Заработная ллага расходы /техобслуживание

Древесина, 1 доля /ГДж

Возмещение затрат муниципалитетом

Постоянные издержки

Рис. 21. Стоимость производства метанола из древесины.

Коммунальные услуги

Оплачиваемый побочный продукт

РИс. 22. Стоимость производства биогаза из отходов.

кардинальных сдвигов. Здесь необходимо осуществление крупных постепенных изменений, а не мелких усовершенствований. Значительная часть усилий направлена на организацию демонстрационных процессов, а не на разработку радикально новых методов газификации или сжижения биомассы. Пути представления результатов часто затрудняют их понимание, т. е. какого рода усовершенствования бьши достигнуты — повышение продуктивности или упрощение процессов.

Нам все же приходится сталкиваться с фундаментальными проблемами при работе с влажным, гетерогенным, волокнистым материалом; проблема также заключается в отделении и измельчении твердых частиц для обеспечения приемлемых темпов реакции, а также в отделении комплексных продуктов реакции от такого же комплексного субстрата биомассы. При более высоких температурах продуктивность реактора увеличивается, а состав продуктов упрощается; в этих условиях единственным продуктом пиролиза и газификации являются газы, содержащие углерод. Однако экстремальные условия удорожают реакцию, и прочность материалов скоро достигаем своего предела. Исследовательские и демонстрационные установки по производству синтетического топлива из угля могут оказаться полезными при исследовании возможностей биомассы. Уголь является менее сложным, более калорийным, более плотным и сухим сырьем, чем биомасса. Однако здесь имеется аналогичная проблема с твердыми частицами, медленными темпами реакции и образованием сложных продуктов реакции. Если в следующем десятилетии уголь покажет себя как жизнеспособный вид сырья для производства синтетического топлива, мы получим критерий для исследования биомассы как альтернативного субстрата.

144

Анаэробное разложение. Анаэробное разложение характеризуется обычно наличием углеродного сырья, получаемого бесплатно или с приплатой. Процесс довольно прост, и издержки производства, биогаза в основном сводятся к капиталовложениям (рис. 22). Бьши проведены широкие исследования по разложению различных видов биомассы, например навоза различных животных, морских и пресноводных растений и микроводорослей, городских отходов и т. д. Все эти субстраты в определенной степени разлагаются, хотя часто процесс протекает очень медленно. В этом типе исследований не учитывается важный вопрос капитальных затрат, являющийся преобладающей статьей даже при разложении наиболее благоприятных субстратов. Капитальные издержки являются высокими, так как продуктивность процесса (образование метана и уменьшение биологической потребности в кислороде) очень низка. Реакция протекает очень медленно, и фундаментальные исследования в области биохимии, физиологии и микробиологии мало способствовали повышению ее скорости. Процесс вбирает медленные темпы всех реакций, химических или биологических, включающих твердые реагирующие субстраты. Анаэробные биологические реакции также протекают медленно, возможно, вследствие небольших изменений свободной энергии. В определенной степени образование метана может быть увеличено за счет общей продуктивности реакции, рассматриваемой как процесс обработки сточных вод. Так как последнее является часто определяющим фактором, может возникнуть необходимость компромиссного решения (с низкой продуктивностью образования метана).

В лабораторных системах, использующих растворимые субстраты, время нахождения смеси в реакторе может быть сокращено до нескольких часов или нескольких дней; однако такой короткий период вьщер-живания оказался невозможным при наличии отходов с высокой биологической потребностью в кислороде, содержащих волокнистые материалы. Путем изменения конструкции реактора можно увеличить продуктивность при обработке сточных вод с более низкой биологической потребностью в кислороде; особенно эффективным типом реактора в отраслях пищевой промышленности является реактор с восходящим током и взвешенном слоем осадков. Однако, несмотря на то что темпы снижения биологической потребности в кислороде высокие, скорость образования метана низкая благодаря меньшей загрузке. Появление быстрого метода биологического анаэробного разложения материалов с большим содержанием твердьк частиц могло бы революционизировать систему удаления отходов и дать дешевый метан для использования его в качестве топлива. В настоящее время таких предложений не имеется. Повышение выхода метана при разложении твердых частиц, содержащих летучий углерод, бьшо также незначительным; бьшо достигнуто только 50 %-ное снижение количества летучих твердых частиц.

145

в ограниченных условиях капитальные затраты по осуществлению анаэробного разложения могут быть снижены очень простым путем. Удаление городских отходов часто осуществляется путем организации свалок мусора. Собранные отходы представляют собой гигантский реактор с минимальными капитальными затратами. Низкие скорости реакции и низкая продуктивность в этом случае играют меньшую роль, так как свалка уже существует, и эта территория не используется для каких-либо производственных целей. Выделяющийся метан может собираться в пробуренных скважинах, а затем путем диффузии поступать в сеть трубопроводов. В то же самое время опасность перемещения метана в окружающую среду, жилые помещения и т. д. снижается. По этому вопросу проводилось и проводится целый ряд экспериментов. При достаточно эффективном сборе метана открываются возможности эффективной регенерации энергии, хотя даже в этом случае природный газ может составить конкуренцию. Однако эта деятельность может все же оказаться полезной в плане общенационального энергообеспечения. Совместно с соответствующими потребителями газа необходимо установить местонахождение крупных свалок мусора с глубиной, биомассы, по крайней мере, 10 м. Безопасное и надежное удаление метана из данной местности само по себе — дополнительный стимул и главное обоснование процесса. Если в использовании метана нет необходимости, его можно сжигать на месте.

Многие другие проблемы, связанные с анаэробным разложением, могут рассматриваться как вспомогательные при решении проблемы капитальных затрат и низкой стоимости продукта. Фактически решение некоторых из этих проблем может неизбежно означать повышение капитальных затрат. Так, создание насосов, устойчивых к коррозии, вызываемой биогазом, повышение эффективности сортировки отходов, обеспечение хранения сырья и биогаза - это проблемы, которые можно решить, но которые способствуют увеличению капиталовложений. Бьшо бы неразумно тратить значительные суммы денег на исследования этих проблем, если мы не можем решить основную проблему высокой стоимости процессов разложения.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Camithers, S. Р., Jones, М. R., Biofuel production strategies for UK agriculture Centre for Agriculture Strategy, Reading CAS Paper, 13 Jvily 1983.

0

ГЛАВА

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Широкий интерес к использованию биоэнергии бьш частично вызван опасениями относительно будущих запасов энергии. Возможная роль продуктов фотосинтеза как источников энергии должна рассматриваться на фоне основных отраслей мировой промышленности, занимающихся добычей и переработкой традиционных видов топлива. Для обеспечения будущих потребностей в энергии необходимы новые крупные источники энергии. Энергия из биомассы вряд ли составит сколько-нибудь значительную долю в общем потреблении энергии.

Существует множество мелких рынков биотоплива, но их масштаб мал по сравнению с рьшками других видов топлива. Продукция биотопливных предприятий стоит дороже традиционных видов топлива; иногда эти предприятия получают местные субсидии. Уровень исследований по биоэнергии не может быть оправдан наличием таких малых рынков сбыта. Необходима реальная перспектива выпуска продукции, которая В широком масштабе сможет заменить при необхошмости традиционные виды топлива, в частности нефть.

Характеристики биологически возобновляемых видов энергии бьши рассмотрены как по сути, с использованием технико-экономических критериев, так и в сравнении с традиционными видами энергии. Как можно бьшо ожидать, вьшоды не в пользу биотоплива при использовании последнего в развитых странах (при очень небольшой роли, которую возобновляемые виды энергии играют в мировом потреблении энергии). Использованные критерии включают размер ресурсов, технические возможности, продуктивность процесса, денежные затраты, загрязнение окружающей среды, влияние на социальные условия и перспективы исследования.

Все проблемы использования биотоплива в корне своем связаны с первыми двумя законами термодинамики. Ресурсы биоэнергии, доступные человеку, слишком малы (первый закон) и слишком "разбавлены" (второй закон). Высокая стоимость, неблагоприятные энергетические показатели, загрязнение и т. д. — все сводится к этим двум фактам и в значительной мере считается неизбежным. Конечно, вполне возможно значительное повышение эффективности процессов, но мы неизбежно сталкиваемся с фактом незначительности объема продуктов