Биомасса для энергетики

Биомасса — это солнечный свет, удержанный в химических связях. Растительный покров переводит в органику порядка одного процента падающего излучения: сам молекулярный акт фотосинтеза эффективен, но растение тратит львиную долю бюджета на собственное содержание. Построено при этом три полимера: целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин. Сухая древесина примерно наполовину состоит из углерода и при сгорании даёт около 18–20 МДж на килограмм. Эти цифры задают всю отрасль: энергия реальна и велика, но приходит разреженной, влажной и запертой в полимерных стенках.

Два семейства маршрутов

Любой способ конверсии в этом разделе относится к одному из двух семейств — по тому, как рвутся связи.

Термохимические маршруты — сжигание, пиролиз, газификация — рвут полимеры теплом, неизбирательно. При высокой температуре связи рвутся статистически, и продукт определяется температурой, подачей кислорода и временем пребывания: тепло и дымовые газы при сжигании, смолистые масла при пиролизе, CO и H2 при газификации. Тепло не разбирается, какие связи рвать, — в этом и сила (сгодится почти любое сырьё), и слабость (энергия уходит и на хорошие связи).

Биохимические маршруты — анаэробное сбраживание или ферментативный гидролиз с последующей ферментацией — поручают резку микробам и ферментам: избирательно, при температуре, близкой к комнатной. Избирательная химия медленна, и работает она только с теми полимерами, до которых ферменты дотягиваются.

Какое семейство подходит сырью, решает в основном вода. Испарение килограмма воды стоит около 2,26 МДж — заметная доля энергии сухого вещества, с которым она едет. Мокрое сырьё — навоз, шлам, пищевые отходы — жечь бессмысленно, зато оно легко качается насосом в ферментер; сухие древесину и солому удобнее вести по термическому пути. Главная водораздельная линия отрасли проведена водой, а не химией.

Налог на стойкость

Предельная величина для всех маршрутов ниже по цепочке — цена вскрытия лигноцеллюлозной матрицы. Эволюция сотни миллионов лет училась делать древесину несъедобной. Целлюлозные цепи кристалличны и водородными связями собраны в микрофибриллы, куда ферментам трудно пробиться, а лигнин — сшитая ароматическая сеть без регулярного повторяющегося звена — откладывается вокруг них как герметик. Лигнин не ест никто; именно он позволяет дереву стоять.

Чтобы добраться до сахаров, процесс обязан сначала заплатить: измельчение, паровой взрыв, кислотная обработка или ферменты в промышленных количествах. Чтобы сахарами пренебречь, надо идти на гораздо более высокие температуры — газификатор срывает матрицу целиком при 800–1200 °C. Так или иначе, налог платится до появления первой молекулы топлива, и это одна из крупнейших статей затрат в любой целлюлозной схеме. Травяная биомасса добавляет второй счёт: калий и хлор, которые при котловых температурах дают липкие щелочные соли, шлакующие и разъедающие теплообменные поверхности, — потому соломенные котлы работают с недогрузом.

Что этот каркас держит

Весь раздел висит на этих осях. Страницы сбраживания — биогаз и анаэробное сбраживание и сбраживание ТКО — это биохимическое семейство на мокром углероде; страницы синтез-газа, газификация и Фишер–Тропш и водород из биомассы, — термохимическое семейство на сухом; страница топлив drop-in — случай, когда подключается второй, каталитический этап, пересобирающий молекулы. Где маршрут будто бы освобождён от налога на стойкость, присмотритесь: обычно налог не отменён, а перенесён.

Каркас замыкает одна оговорка: углерод биомассы климатически нейтрален, только если урожай вырастает вновь. Нейтральность — свойство учёта севооборота, а не горения.