научная статья по теме ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОМАССЫ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ ТОПЛИВНОГО НАЗНАЧЕНИЯ Комплексное изучение отдельных стран и регионов

Текст научной статьи на тему «ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОМАССЫ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ ТОПЛИВНОГО НАЗНАЧЕНИЯ»

ЭНЕРГИЯ БИОМАССЫ

ENERGY OF BIOMASS

Статья поступила в редакцию 27.04.15. Ред. рег. № 2241

The article has entered in publishing office 27.04.15. Ed. reg. No. 2241

УДК 62.61; 574.5; 504.05

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОМАССЫ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ ТОПЛИВНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

В.Г. Чирков, Ю.А. Кожевников, В.В. Воробьев, А.Г. Чижиков, Ю.М. Щекочихин, Е.М. Иванникова1

ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» 109456, Москва, 1-й Вешняковский проезд, 2, ВИЭСХ Тел.: 8 (499) 171-19-20, e-mail: viesh@dol.ru, www.viesh.ru

'Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ) 107023, Москва, Большая Семеновская ул., 38 Тел.: 8 (499) 267-19-70, e-mail: iegh510@yandex.ru

doi: 10.15518/isjaee. 2015.02.003

Заключение совета рецензентов: 29.04.15 Заключение совета экспертов: 05.05.15 Принято к публикации: 07.05.15

Рассмотрены вопросы промышленного производства биомассы микроводорослей для использования в качестве энергетического сырья. Обсуждены экологические аспекты применения возобновляемой растительной биомассы в энергетике, показана необходимость замещения технологий сжигания топлива ископаемого происхождения технологиями возобновляемой энергетики. Проанализированы проблемы современной сырьевой базы биотопливной отрасли, ориентированной на продукцию сельского хозяйства продовольственного назначения. Показана возможность решения этих проблем за счет использования в энергетике биотоплив третьего поколения, производимых из биомассы водорослей. Обозначены основные направления исследований в целях снижения стоимости производства биотоплив третьего поколения и достижения конкурентоспособности на мировом энергетическом рынке.

Ключевые слова: микроводоросли, адаптивные свойства, культивирование, возобновляемая биомасса, биотопливо третьего поколения, экологическая эффективность, снижение себестоимости, технология производства, ресурсосбережение, полные циклы преобразования.

PRODUCTION TECHNOLOGY AND USE OF FUEL-DEDICATED MICROALGAE BIOMASS

V.G. Chirkov, Yu.A. Kozhevnikov, V.V. Vorobyov, A.G. Chizhikov, Yu.M. Shchekochikhin, E.M. Ivannikova1

The All-Russian research institute of electrification of agriculture (VIESH) 109456, VIESH, 1st Veshnyakovsky pr., 2, Moscow, Russia Tel. 8 (499) 171-19-20; e-mail: viesh@dol.ru, www.viesh.ru

University of Mechanical Engineering 107023, B. Semenovskaya St., Moscow, Russia Tel. 8 (499) 267-19-70, e-mail: iegh510@yandex.ru

doi: 10.15518/isjaee. 2015.02.003 Referred 29.04.15 Expertise 05.05.15 Accepted 07.05.15

Issues of industrial microalgae fuel-dedicated biomass production have been discussed in this paper. The environmental aspects of renewable plant biomass use have been analyzed and the importance of substitution of fossil fuels-based energy conversion cycles by renewable energy technologies has been substantiated. Problems of conventional biofuel production technologies oriented on use of food-dedicated agricultural products have been highlighted. These problems can be solved by using biofuels manufactured from microalgae. Main research directions aimed at raising competence of the third-generation of biofuels prepared from algae biomass have been described.

Keywords: algae, adoptability, cultivation, renewable biomass, third-generation biofuel, environmental efficiency, production cost reduction, manufacturing technology, energy saving, integrated closed conversion cycle.

№ 02 (166) 2015

Щекочихин Юрий Михайлович Yuri M. Shchekochikhin

Сведения об авторе: доктор, профессор ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт

электрификации сельского хозяйства».

Образование: Московский

энергетический институт (1971).

Область научных интересов: технологические, экологические и нормативно-правовые аспекты

возобновляемой энергетики, солнечная энергетика, новые источники

возобновляемого органического сырья и технологии производства биотоплива, комбинированные циклы преобразования энергии.

Публикации: более 110 научных трудов и порядка 50 патентов.

Information about the author: Dr., Prof. in the All-Russian research institute of electrification of agriculture (VIESH).

Education: Moscow Power Engineering Institute (1971).

Research interests: technological, environmental and regulation aspects of renewable energy, solar energy, new sources of renewable biomass and biofuel production technologies, integrated energy conversion cycles.

Publications: more than 100 scientific papers and nearly 50 patents.

Иванникова Елена Михайловна Elena M. Ivannikova

Сведения об авторе: к.т.н., доцент Московского государственного

университета машиностроения (МАМИ)

Образование: Воронежский

государственный университет (1999); Московский государственный университет инженерной экологии (ныне МАМИ)

Область научных интересов:

инженерная экология, возобновляемые источники энергии, утилизация отходов Публикации: 110.

Information about the author:

Ph.D., Assistant Professor in Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI).

Education: Voronezh State University (1999); Moscow State University of Environmental Engineering (MAMI).

Research interests: environmental engineering, renewable energy, waste management.

Publications: 110.

Во второй половине ХХ столетия динамичный рост мировой экономики был обеспечен широким использованием легкодоступной и дешевой энергии ископаемого энергетического сырья - угля, нефти и газа. Нефть стала «кровью» транспортной инфраструктуры, без которой невозможно себе представить современную мировую экономику. Состояние рынка энергоносителей в существенной мере определяет ее развитие. Резкие колебания цены на нефть, учитывая уникальность этого вида энергетического сырья, порождают глубокие и продолжительные кризисы, затрагивающие практически все страны.

Большую обеспокоенность вызывают прогнозы экспертов относительно доступности источников энергии в будущем. Согласно этим прогнозам, при современных темпах потребления нефти хватит не более чем на 40, природного газа - на 60 и угля - на 170 лет [1]. В условиях интенсивного истощения земных недр перед человечеством стоят задачи перехода на энергосберегающие технологии и поиска новых энергетических источников. Конкретные меры по разработке и применению таких технологий с целью повышения

эффективности использования энергии конечными потребителями стали применяться в развитых странах начиная с 70-х годов прошлого века, после очередного экономического кризиса. Одновременно происходит расширенное вовлечение в сферу энергетики возобновляемых источников (ВИЭ), использующих энергию солнца, ветра, водных потоков, морских течений, термальных и низкопотенциальных источников. В их числе биомасса занимает особое положение, поскольку, во-первых, используется человеком в качестве энергетического сырья с древнейших времен и, во-вторых, это единственный вид ВИЭ, пригодный для производства моторных топлив.

Современная энергетика потребляет около 1 млрд. тонн растительной массы, что в топливном эквиваленте равноценно 25% мировой добычи нефти. В частности, в странах экваториального пояса растительная биомасса остается основным источником энергии. Ее доля в энергобалансе развивающихся стран составляет 35%, в мировом потреблении энергоресурсов - 12%, а в России -лишь 3% [2, 3]. При этом мировой потенциал

№ 02 (166) 2015

растительной биомассы энергетического использования оценивается в 100 млрд. т.

Растительные организмы представляют собой первичную форму жизни на Земле и первый источник энергии, освоенный человеком. В соответствии с биогенной теорией формирования залежей топливного сырья, уголь, нефть и газ являются результатом преобразования осадочных пластов, содержащих останки живых (преимущественно растительных) организмов в условиях термического воздействия при повышенном давлении [4]. Не вдаваясь в детальный анализ физико-химических процессов,

происходивших в течение десятков и сотен миллионов лет, можно рассматривать их как необходимое условие для возникновения живых организмов, которые не могут существовать без кислорода. Огромное количество углерода в форме углекислоты, составлявшей значительную часть атмосферной массы Земли, было изъято из нее в

Теплотворная способность ископаемых и в Calorific value of fossil and

результате фотосинтеза и «запечатано» в земной коре в виде останков закончивших свой жизненный цикл растений. В соответствии с упрощенным уравнением фотосинтеза:

6nCO2 + 5nH2O ^ [CeHioOsL + 6nO2, (1) при образовании 1 кг биомассы (в сухом эквиваленте) поглощается около 1,83 кг CO2 и выделяется 1,1 кг O2. В уравнении (1) C6Hi0O5 представляет собой химическую формулу остатка глюкозы - элементарного звена полимерной цепочки макромолекулы целлюлозы, которая входит в число основных образующих компонентов растительной ткани. Из-за наличия в ее составе большого количества (до 50%) кислорода, растительная биомасса, даже в «абсолютно сухом» виде, значительно уступает таким ископаемым видам топлива, как газ, нефть и уголь по теплотворной способности (таблица 1).

Таблица 1.

¡обновляемых видов энергетического сырья

Table 1.

renewable energy feedstock

Вид сырья Состав, % масс. Теплота сгорания (высшая), МДж/кг

С H O

Нефть 84-86 12,5-14,1 0-1,2 40-46

Природный газ 33-36

Уголь (каменный) 32-37

Уголь (бурый) 26-32

Торф 48-64 4,7-7 25-45 21-25

Древесина 48,5-51,8 6,1-6,9 41,1-45,2 18-22

В результате длительного пребывания в земной коре органические компоненты теряли кислород, что приводило к постепенному повышению калорийности ископаемого топлива. Об этом можно косвенно судить, сравнив содержание кислорода в исходной растительной биомассе, в частности, древесине (41%) и в торфе высокой степени разложения (25%).

Биогенная теория происхождения ископаемых энергетических ресурсов прогнозирует

неутешительный конечный итог их использования: полностью выработав залежи газа, нефти, углей и торфа, мы израсходуем при их сжигании весь атмосферный кислород и заменим его углекислым газом. Планомерное замещение ископаемого сырья

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком