Потенциал переработки остатков сельскохозяйственных культур в биоэнергетику в развивающихся странах

В развивающихся странах сотни миллионов людей не имеют доступа к надежной современной энергии. Одновременно огромное количество сельскохозяйственных остатков - рисовая шелуха, пшеничная солома, кукурузные стебли, кокосовые раковины и сахарный тростник - сжигаются в открытых полях, высвобождая дым, углекислый газ и мелкие твердые частицы. Эти две проблемы пересекаются в мощной возможности: превращение остатков сельскохозяйственных культур в биоэнергию. Преобразуя отходы в тепло, электричество или газообразное и жидкое топливо, развивающиеся страны могут решить энергетическую бедность, улучшить качество воздуха, создать сельские источники средств к существованию и двигаться к круговой биоэкономике. В этой статье рассматривается весь потенциал преобразования растительных остатков в биоэнергию в развивающихся странах, охватывая сырье, технологии преобразования, преимущества, барьеры, реальные стратегии, реальный прогресс и будущие направления.

Понимание запасов остатков урожая

Остатки сельскохозяйственных культур являются несъедобными растительными материалами, оставшимися на поле после сбора урожая или образующимися в процессе переработки. Основные категории включают остатки на местах (солома, покрытие, стебли) и остатки процесса (корпуса, раковины, бугассы, целлюлоза). По оценкам ФАО, глобальное годовое производство основных остатков сельскохозяйственных культур превышает 4,5 млрд. сухих тонн, причем на развивающиеся страны приходится примерно половина этого общего объема. Рис, пшеница, кукуруза, сахарный тростник и сорго доминируют в потоке остатков.

Остатки урожая обладают различными свойствами, которые влияют на их пригодность для биоэнергетики. Содержание влаги, теплотворная ценность, содержание золы и элементный состав (углерод, водород, кислород, азот) сильно различаются. Например, рисовая шелуха имеет высокое содержание кремнезема, которое может вызывать коррозию в системах сгорания, в то время как кукурузная стойка имеет умеренное содержание лигнина и хорошее летучее вещество для газификации. Понимание этих характеристик имеет важное значение для выбора правильного пути преобразования и проектирования соответствующего оборудования.

В настоящее время большая часть этого остатка либо остается разлагаться (выпуская метан в анаэробных условиях), либо намеренно сжигается для быстрого вырубки полей для следующего цикла посадки. Открытое сжигание вносит значительный вклад в сезонное загрязнение воздуха, особенно в Южной и Юго-Восточной Азии, где явление «коричневого облака» было связано с миллионами преждевременных смертей ежегодно. Содержание энергии, заключенное в этих остатках, огромно: сжигание 1 тонны сухой рисовой соломы может дать примерно 15 ГДж энергии, что эквивалентно примерно 400 литрам дизельного топлива. Нажатие даже на часть этого ресурса сделает ощутимую вмятину в импорте ископаемого топлива.

Пути преобразования биоэнергии

Несколько проверенных технологий могут преобразовывать остатки сельскохозяйственных культур в полезную энергию. Выбор зависит от свойств сырья, масштаба, требований конечного использования и доступного инвестиционного капитала.

Горение для тепла и мощности

Прямые сжигания в котлах или печках на биомассе являются наиболее устоявшейся технологией. Остатки сжигаются для производства пара, который приводит в движение турбину для выработки электроэнергии, или просто для обеспечения тепла для промышленных процессов или централизованного отопления. Выделенные электростанции на биомассе могут достигать эффективности 20-25% только для электроэнергии или до 85% в комбинированных конфигурациях тепла и энергии (ТЭЦ). В развивающихся странах небольшие установки сжигания (от 50 кВт до 1 МВт) часто сочетаются с рисовыми фабриками, сахарными заводами или кирпичными печей для замены угля или мазута.

газификация

Газификация преобразует твердую биомассу в горючий синтез-газ (сингаз), состоящий в основном из окиси углерода и водорода. Сингаз может быть сожжен в двигателе внутреннего сгорания или газовой турбине для электричества или дополнительно обработан в жидкое топливо (через синтез Фишера-Тропша) или возобновляемый метан. Газификация обеспечивает более высокую электрическую эффективность (30-35% на крупных заводах) и более чистый дымовой газ, чем прямое сжигание. Малые осадочные газификаторы коммерциализируются для рисовой шелухи и древесной щепы, а десятки единиц работают в Индии, Таиланде и странах Африки к югу от Сахары. Основная проблема - удаление смолы из сингаза, что требует эффективной очистки.

Анаэробное пищеварение

Анаэробное пищеварение использует микроорганизмы для расщепления органических веществ в отсутствие кислорода, производя биогаз (60% метана, 40% углекислого газа). В то время как более влажные исходные материалы, такие как навоз животных или пищевые отходы, чаще встречаются, некоторые остатки сельскохозяйственных культур (например, бугасс, кукурузный силос, зеленые листья) могут быть совместно переварены с отходами животных или энергетическими культурами. Биогаз может использоваться непосредственно для приготовления пищи или нагрева или модернизирован до биометана для впрыска в сети природного газа или топливо для транспортных средств. Пищеварение особенно привлекательно для мелких фермеров, потому что оно низкотехнологично, требует минимального капитала и дает богатый питательными веществами дигестат, который может использоваться в качестве удобрения.

Пиролиз и гидротермальное сжижение

Пиролиз нагревает биомассу в отсутствие кислорода для производства биомассы (жидкого топлива), угля (биочара) и сингаза. Быстрый пиролиз дает до 75% биомассы по массе, которая может быть модернизирована в топливо для транспортировки или сожжена в турбинах. Медленный пиролиз способствует производству угля. В развивающихся странах пиролитические кухонные плиты, которые производят биоуголь в качестве сопродукта, набирают тягу, потому что уголь улучшает плодородие почвы при включении. Гидротермальное сжижение (HTL) работает с влажным сырьем и избегает энергоемкой сушки, что делает его перспективным для остатков, таких как мокрая багасса или кожура маниоки.

Ферментация

Остатки, богатые сахарами или крахмалом (например, сахарный тростник багассе, кожура маниоки, сладкие стебли сорго), могут быть ферментированы в этанол. Лигноцеллюлозный этанол, используя передовой ферментативный гидролиз, коммерчески зрелый в нескольких странах, хотя стоимость ферментов остается барьером в условиях с низким уровнем дохода. Бразилия имеет долгую историю использования багассы для питания своих ликероводочных заводов этанола, создавая цикл с нулевым ископаемым топливом.

Основные преимущества для развивающихся стран

Преимущества растительных остатков для биоэнергетики простираются через энергетику, окружающую среду и экономику, что делает его уникальным привлекательным вариантом для глобального Юга.

Энергетическая безопасность и децентрализованный доступ

Развивающиеся страны ежегодно тратят миллиарды долларов на импортируемое дизельное топливо, мазут и уголь. Внутренние заменители энергии на основе остатков непосредственно снижают счета за импорт и защищают национальные бюджеты от неустойчивых цен на ископаемое топливо. Кроме того, ресурсы биомассы широко распределены по сельским районам, что позволяет децентрализованным мини-сетям или внесетевым системам достигать сообществ, далеких от национальной сети. Это согласуется с целью устойчивого развития ООН 7 [FLT: 1] на доступную и чистую энергию.

Экологические и климатические выгоды

Замена сжигания на открытом поле с контролируемым сжиганием в эффективных котлах или газификаторах резко снижает выбросы твердых частиц, черного углерода (непродолжительный загрязнитель климата с сильным потенциалом потепления), монооксида углерода и летучих органических соединений. Исследование 2021 года в Экологическая наука и атмосферные; Технология подсчитало, что устранение сжигания рисовой соломы в одной только Индии может предотвратить более 300 000 преждевременных смертей за десятилетие. Если процесс биоэнергетики включает улавливание углерода (например, через биоуголь или BECCS), система может даже достичь чистых отрицательных выбросов. Поскольку углерод, выделяемый во время сгорания, недавно был зафиксирован растениями посредством фотосинтеза, биоэнергия считается углеродно-нейтральной в течение ее жизненного цикла - при условии, что остатки собирают устойчиво, не подрывая органический углерод почвы.

Экономические возможности и средства к существованию в сельских районах

Цепочка создания стоимости растительных остатков в биоэнергетике создает рабочие места в области сбора, укладки, транспортировки, хранения, пеллетизации и эксплуатации растений. Например, для газификации биомассы мощностью 1 МВт требуется команда из 5-10 постоянных операторов плюс десятки сезонных сборщиков отходов. Доходы от продажи электроэнергии или топлива могут значительно увеличить доходы фермеров. Международное агентство по возобновляемой энергии (IRENA) отмечает, что в секторе биомассы уже занято более 3 миллионов человек во всем мире, и большинство этих рабочих мест находятся в развивающихся странах. Кроме того, многие процессы преобразования производят ценные побочные продукты: биоуголь для улучшения почвы, золу для цемента и тепло для сушки сельскохозяйственных культур, тем самым повышая производительность сельского хозяйства и уменьшая потери после сбора урожая.

Управление отходами и циркуляция

Миллионы тонн остатков в настоящее время являются обузой для фермеров. Сжигание дешево и быстро, но незаконно во многих регионах из-за опасности для здоровья и видимости. Остатки энергии дают этим материалам рыночную стоимость, стимулируя фермеров собирать и доставлять их, а не сжигать. Это уменьшает мусор, улучшает санитарию на местах и снижает риск неконтролируемых пожаров. Хорошо управляемая биоэнергетическая система также может восстанавливать питательные вещества из остатков и возвращать их в почву в виде дигестата или биоуголь, закрывая питательную петлю.

Критические вызовы для реализации

Несмотря на свои обещания, крупномасштабное развертывание сталкивается с серьезными препятствиями, особенно в беднейших странах, где потребности в энергии являются наибольшими.

Технологические и инфраструктурные пробелы

Многие передовые технологии преобразования (например, газификация под высоким давлением, ферментативный гидролиз для целлюлозного этанола) по-прежнему слишком дороги или сложны для контекстов с низкой емкостью. Местные производственные мощности часто ограничены, что вынуждает полагаться на импортное оборудование, которое может быть плохо адаптировано к местным исходным материалам или условиям эксплуатации. Запасные части и техническую поддержку может быть трудно получить. Кроме того, электрическая сеть во многих сельских районах слаба или отсутствует, что ограничивает возможность продавать избыточную мощность.

Высокие капитальные затраты и ограничения финансирования

Электростанция на биомассе, подключенная к сети, в масштабе 1-5 МВт может стоить несколько миллионов долларов. Большинство мелких банков в развивающихся странах не знакомы с проектами в области биоэнергетики и воспринимают их как высокорисковые. Государственные субсидии часто благоприятствуют крупным гидро-, солнечным или ветряным проектам. Без льготных кредитов, грантов или стимулов, основанных на производительности, частные разработчики изо всех сил пытаются достичь привлекательной отдачи. Высокий объем первоначальных инвестиций особенно сложен для общинных схем, которые полагаются на объединенные взносы фермеров.

Логистические проблемы в сборе и хранении

Остатки урожая громоздкие, низкой плотности и сезонно доступны. Например, солома пшеницы в Северной Индии собирается в апреле-мае и должна быть выдержана и храниться для использования в течение года. Сбор требует скоординированного труда, балкировочного оборудования и транспорта по грунтовым дорогам, что может составлять 30-50% от общей стоимости доставки биомассы. Без хорошо организованных цепочек поставок экономика быстро ухудшается. Контроль влаги - еще одна проблема: влажные остатки гниют или поддерживают рост грибов, снижая выход энергии и вызывая проблемы с обработкой.

Социальные и культурные барьеры

Фермеры могут неохотно продавать остатки, если они традиционно используют их для постельного белья, корма или зуда. В некоторых культурах сжигание рассматривается как ритуал или способ борьбы с вредителями и сорняками. Изменение этой практики требует как образования, так и финансовых стимулов. Прием биоэнергетической установки в общинах также может быть затруднен из-за опасений по поводу дыма, шума или движения грузовиков. Разработчики проектов должны инвестировать время в прозрачную связь и взаимодействие с заинтересованными сторонами.

Политические и институциональные недостатки

Многие развивающиеся страны не имеют четких целей в области возобновляемых источников энергии, тарифов на корма или положений о чистом учете, которые сделали бы остаточные биоэнергетики финансово жизнеспособными. Положения о выбросах в атмосферу биоэнергетических установок могут отсутствовать или не применяться. Институциональные возможности для утверждения, мониторинга и поддержки таких проектов часто распространяются на несколько учреждений с пересекающимися и иногда противоречивыми мандатами. Обычны бюрократические задержки в получении земельных участков, экологических разрешений и разрешений на подключение к сети.

Стратегии успешного развертывания

Опираясь на опыт ведущих стран, комплекс практических стратегий может помочь преодолеть эти барьеры.

Выбор соответствующей технологии и масштаба

Для отдаленных автономных сообществ простые биогазовые дигестеры или улучшенные кухонные плиты с пиролитической древесной продукцией являются подходящими недорогими вариантами. Для промышленных зон специализированные установки сжигания или газификации в масштабе 1-10 МВт могут питать заводы и вытеснять дизельные генераторы. Правительства и доноры должны поддерживать демонстрации технологий и местное производство проверенного оборудования, такого как опускающие газификаторы и брикетирующие прессы. Подход «технологической лестницы» - начиная с низкотехнологичных решений и модернизации по мере роста мощности - снижает финансовый риск.

Создание устойчивых цепочек поставок биомассы

В число наиболее эффективных методов работы входят: а) создание фермерских кооперативов или центров агрегации, где собираются и предварительно обрабатываются остатки (сушат, рубят, облысают); b) использование мобильных балочных установок, которые перемещаются с места на место; с) инвестирование в крытые складские помещения для хранения сухого вещества; и d) заключение контрактов с поставщиками логистических услуг для обеспечения надежного сырья. Долгосрочные соглашения о закупках между фермерами и биоэнергетической установкой могут стабилизировать цены и поставки.

Создание благоприятной политики и финансов

Национальные правительства должны принять цели в области возобновляемых источников энергии, которые явно включают биомассу, и ввести льготные тарифы или соглашения о покупке электроэнергии с гарантированным отправлением. Упрощенное лицензирование и центры по упрощению работы с промышленностью могут ускорить разработку проектов. С финансовой стороны многосторонние банки развития, такие как Всемирный банк и Африканский банк развития, запустили специальные фонды чистой энергии, которые могут гарантировать гарантии первого убытка или предоставлять льготные кредиты для проектов на ранней стадии. Микрофинансовые учреждения могут предоставлять небольшие кредиты фермерам для покупки улучшенных кухонных плит или дижестировщиков.