Нетрадиционные источники энергии: биоэнергетика

НЕТРАДИЦИОННЫЕ 

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

 БИОЭНЕРГЕТИКА

С.Н. КУЗЬМИН
В.И. ЛЯШКОВ
Ю.С. КУЗЬМИНА

Москва

ИНФРА-М

202УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Допущено 

УМО по образованию в области электро- и теплоэнергетики 

в качестве учебного пособия для  студентов высших учебных заведений, 

обучающихся по направлению подготовки 

13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника»

УДК 621.311.26(075.8)
ББК 31я73
 
К89

Кузьмин С.Н.

Нетрадиционные источники энергии: биоэнергетика : учебное 

пособие / С.Н. Кузьмин, В.И. Ляшков, Ю.С. Кузьмина. — Москва : 
 ИНФРА-М, 2023. — 129 с. — (Высшее образование). —17709.

ISBN 978-5-16-018790-7 (print)
ISBN 978-5-16-111688-3 (online)
Учебное пособие состоит из введения и пяти разделов, посвященных 

основным технологиям получения энергии из биомассы. В пособии рассмотрены вопросы, включенные Федеральным государственным образовательным стандартом высшего образования последнего поколения 
в учебные программы основных общепрофессиональных и специальных 
дисциплин для подготовки специалистов, а также приведены развернутые 
примеры инженерных расчетов технологического оборудования.

Учебное пособие предназначено для студентов дневной и заочной форм 

обучения по направлению 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника».

УДК 621.311.26(075.8)

ББК 31я73

К89

ФЗ 

№ 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

Подписано в печать 12.05.2023. 

Формат 6090/16. Бумага офсетная. Гарнитура Newton. 

Печать цифровая. Усл. печ. л. 8,06.

ППТ12. Заказ № 00000

ТК 434900-2059568-080216

Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»

127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1

Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

© Кузьмин С.Н., Ляшков В.И., 

Кузьмина Ю.С., 2016

Р е ц е н з е н т ы:

В.Я. Губарев, канд. техн. наук, профессор, заведующий кафедрой 

«Промышленная теплоэнергетика» Липецкого государственного технического университета;

В.М. Зайченко, д-р техн. наук, старш. науч. сотрудник, заведующий 

отделом распределенных энергетических систем Объединенного института высоких температур Российской академии наук

А в т о р ы:

С.Н. Кузьмин, канд. техн. наук, доцент кафедры «Энергообеспечение 

предприятий и теплотехника» Тамбовского государственного технического университета;

В.И. Ляшков, канд. техн. наук, профессор кафедры «Энергоэффек
тивные системы» Тамбовского государственного технического университета;

Ю.С. Кузьмина, аспирантка

ISBN 978-5-16-018790-7 (print)
ISBN 978-5-16-111688-3 (online)

Введение

Энергетика является одной из ключевых отраслей экономики 
любой страны. Именно энергетика обеспечивает энерговооруженность, а следовательно, и высокую производительность труда, создавая предпосылки для экономической мощи страны и благосостояния ее населения. Уровень производства энергии во многом 
определяется запасами энергоресурсов, которые подразделяются на 
традиционные невозобновляемые, истощающиеся по мере их потребления, и возобновляемые, полностью восстанавливающиеся через 
некоторый период времени после их использования.
В последние годы в обществе все чаще заговаривают о необходимости существенной модернизации в области промышленного производства, сельского хозяйства, образования и науки, политической 
организации общества, государственного регулирования рыночных 
отношений и др. Модернизация и развитие промышленности 
должны основываться на применении новых методов организации 
производства, внедрении новейших энерго- и ресурсосберегающих 
технологий и современного оборудования, отличающегося широким 
применением приемов энергосбережения, в частности регенерации 
и утилизации тепла, трансформации различных видов энергии друг 
в друга в одном энергетическом агрегате и т.д. Это позволит обеспечить выпуск конкурентоспособной на мировом рынке отечественной 
продукции.
К сожалению, поспешно осуществленное реформирование энергетики не принесло обещанных результатов (на это неоднократно 
указывал действующий Президент страны), что вызывает неуверенность в выполнении планов развития топливно-энергетического 
комплекса, зафиксированных в Энергетической стратегии России 
на период до 2020 г., принятой в 2003 г. В этом правительственном 
документе установлено, что для преодоления проблем, тормозящих развитие производства, ежегодный темп роста потребления 
(а значит и производства) энергии должен составлять почти 5%. 
Однако за истекшие годы такие темпы роста не были достигнуты. 
В новом документе – «Энергетической стратегии России на период 
до 2030 года», принятой в 2009 г., невыполнение намеченных ранее 
рубежей объясняется влиянием мирового экономического кризиса, 
а все намечаемые горизонты прописаны общими направлениями 
с минимальными цифровыми прогнозами.
В настоящее время уровень производства энергии в России чуть 
выше уровня 1990 г. и не может обеспечивать все возрастающие 
потребности страны. Сегодня практически в каждом четвертом 

субъекте Российской Федерации ощущается дефицит энергии, обусловленный практической выработкой ресурсов генерирующих 
установок, предельным износом электрических и теплофикационных сетей и неурегулированными экономическими отношениями 
между субъектами вновь созданной инфраструктуры, предназначенной для энергообеспечения потребителей.

Несколько сгладить проблему дефицита энергии позволяет уни
кальная единая энергосистема России, позволяющая передавать 
энергию на огромные расстояния, практически через всю страну. 
Однако такая передача увеличивает цену каждого переданного киловатт-часа энергии. Кроме того, переброска энергии часто невозможна, потому что лишь треть территории страны (густонаселенная 
часть) обеспечивается централизованным энергоснабжением, а две 
трети получают энергию из автономных источников. Таким образом, 
энергообеспечение отдаленных районов страны остается сложной 
и дорогой для государства задачей, в решении которой огромную 
роль играет наличие местных топлив и энергетических установок для 
его эффективного сжигания.

Поскольку запасы добываемых природных энергоресурсов по
степенно истощаются и, понимая свою ответственность перед будущими поколениями соотечественников, в упомянутой энергетической 
стратегии вслед за Европейскими и другими странами намечается 
заметное расширение использования возобновляемых источников 
энергии. Важнейшими и самыми перспективными среди них являются солнечная энергетика и биоэнергетика с учетом огромного количества биомасс, не вовлеченных в сельскохозяйственное использование и пригодных для выращивания. К биоэнергетике относится 
все, что связано с получением энергии в промышленных масштабах из 
различного возобновляемого сырья биологического происхождения.

Как бы подчеркивая значимость возобновляемых источников 

энергии, в Федеральном государственном образовательном стандарте 3-го поколения (ФГОС-3) заложена рекомендация разрабатывать учебники и учебные пособия по дисциплине «Нетрадиционные 
и возобновляемые источники энергии».

Будущие технические специалисты, умом и руками которых 

должны быть решены задачи модернизации в области энергетики 
и энергомашиностроительного производства, должны знать и уметь 
использовать в своей практической деятельности современные достижения науки и практики, направления и тенденции развития 
нашей отрасли. Это позволяет уменьшить продолжительность, стоимость выполняемых работ и обеспечить высокий качественный 
уровень принимаемых решений.

В соответствии с ФГОС-3 бакалавр по направлению подготовки 

140100.62 «Теплоэнергетика и теплотехника» в стенах своей Альма

матер должен получить набор компетенций, позволяющих успешно 
решать практические задачи в соответствии со всеми видами его будущей профессиональной деятельности.

Тщательно изучив учебный материал, приведеный в настоящем 

пособии, студенты должны:

знать:

 
• основные нетрадиционные источники энергии, их энергетиче
ский потенциал, принципы и методы практического использования;

 
• термодинамические процессы и циклы преобразования энергии, 

протекающие в теплотехнических установках;

 
• основы устройства паровых и водогрейных котлов, работающих 

на биотопливе;

 
• основы устройства и фунционирования установок для предвари
тельной обработи биомассы перед сжиганием;

 
• основы устройства и работы газификационных и биогазовых уста
новок;
уметь:

 
• проводить термодинамический анализ циклов тепловых машин 

в целях оптимизации их рабочих характеристик и максимизации 
КПД;

 
• составлять и анализировать тепловые балансы теплоэнергетиче
ских установок и отдельных его агрегатов;

 
• читать чертежи и схемы, выполнять технические изображения 

в соответствии с требованиями стандартов ЕСКД;
владеть:

 
• проблематикой применения нетрадиционных и возобновляемых 

источников энергии на основе систематического изучения отечественного и зарубежного опыта;

 
• инженерными методиками расчетов водогрейных котлов, газоге
нераторов и биогазовых установок.
Отдавая на суд читателя свой скромный труд, авторы надеются, 

что их работа хотя бы в какой-то мере поможет ему понять и освоить 
основные подходы и особенности конструирования, расчетов и эксплуатации различных технологических процессов и специального 
оборудования для биоэнергетики.

Глава 1 

БиоэнерГетика

1.1. оБщие сВедения

Биоэнергетическая отрасль занимается вопросами преобразо
вания биомассы в тепло, механическую или электрическую энергию.

К биомассе относятся все органические вещества растительного 

и животного происхождения, рассматриваемые как постоянно возобновляемый источник энергии (ВИЭ).

Первичная биомасса — растения, животные, микроорганизмы 

и т.д.

Вторичная биомасса — отходы переработки первичной биомассы 

и продукты жизнедеятельности животных и человека.

К энергетической биомассе (рис. 1.1), используемой в промыш
ленных масштабах, относятся [1]:

 
• торф;

 
• древесина и ее отходы;

 
• специальные энергетические растения для непосредственного 

сжигания (реже) или выработки энергоносителей после дополнительной переработки;

 
• отходы сельскохозяйственного и других производств;

 
• отходы жизнедеятельности человека и животных, в том числе 

и твердые бытовые отходы.
Биоэнергетика — это фундаментальное и прикладное направ
ление, возникшее и развивающееся на границах соприкосновения 
современных биотехнологий, химической технологии и энергетики, 
изучающее и разрабатывающее пути биологической конверсии солнечной энергии в топливо и биомассу, биологическую и термохимическую трансформацию последней в топливо и тепловую или электрическую энергию.

1.2. Биомасса и ее потенциал

Биомасса — органическое вещество, генерируемое растениями 

в результате фотосинтеза. При попадании солнечного света на листья 
растений содержащийся в них хлорофилл активизируется и вступает 
в реакцию с углекислым газом воздуха. В результате реакции в атмосферу выделяется кислород, и возникают простейшие углеводороды, 
которые идут на построение сложных органических соединений 
(жиров, белков и углеводов), составляющих вещество биомассы. 
Ежегодно на Земле за счет фотосинтеза образуется 150 млрд т органических веществ. При этом усваивается 300 млрд т углекислого 

рис. 1.1. Энергетическое биосырье

Энергетическое биосырье

Природное
Сельскохозяйственные 

отходы
Промышленные отходы
Бытовые отходы
Энергетические 

плантации

Торф

Лес

Растениеводство

Животноводство 

и птицеводство

Бытовой мусор

Канализационные 

стоки
Солома

Ботва

Шелуха

Навоз

Помет

Энергетическая 

древесина

Древесные 

отходы

Древесные

Травяные

Морские

Деревообработка

Отходы целюлозно
бумажных комбинатов

Упаковка

Макулатура

газа и выделяется 200 млрд т свободного кислорода. При окислении 
биомассы образуется тепловая энергия, эквивалентная энергии, 
полученной в процессе фотосинтеза. Хотя коэффициент полезного 
действия (КПД) фотосинтеза не превышает 1%, энергосодержание 
биомассы примерно в 10 раз больше сегодняшней потребности 
в энергии всех жителей Земли.

Распределение биомассы неравномерно и не совпадает с техно
логическими потребностями человечества. Небольшая часть всей 
биомассы после переработки (или без нее) служит пищей для людей 
и животных, источником для изготовления товарных ценностей 
или получения тепловой энергии. Древесные отходы составляют 
62,0 млн т условного топлива (у.т.) или 85,2% всего объема энергетической биомассы. Особую группу составляет бытовой мусор (10% 
или 7,3 млн т у.т.), во многом состоящий из органических веществ, 
а также отходы сельскохозяйственного производства (4,8% или 
3,5 млн т у.т.). Последние ежегодно обновляются и являются малоиспользуемым ресурсом.

Под землей биомасса очень медленно (миллионы лет) трансфор
мируется в каменный уголь по цепочке: древесина и травянистые 
растения → торф (при малом количестве биомассы — чернозем) → 
бурый уголь → молодой каменный уголь → каменный уголь старый 
(тощий с малым содержанием летучих веществ) → антрацит.

Останки микро- и макроскопических животных постепенно би
тумизируются и превращаются в жидкие углеводороды. Выделяемый 
в процессе трансформации биомассы природный газ скапливается 
в осадочном слое земной поверхности, а также частично выходит 
наружу в атмосферу.

Процесс консервации и трансформации биомассы начинается на 

поверхности в присутствии кислорода, и часть ее окисляется в двуокись углерода как за счет прямого контакта с воздухом, так и в результате жизнедеятельности аэробных микроорганизмов. Затем из-за 
выпадения пыли и нанесения грунта процесс трансформации биомассы идет сначала при недостатке, затем при отсутствии кислорода, 
когда за работу берутся анаэробные бактерии.

В соответствии со «сроком жизни» топливо органического про
исхождения классифицируется следующим образом. Древесина 
и травянистые растения относятся к ВИЭ. Торф считается условно 
возобновляемым ископаемым (период накопления — несколько 
тысяч лет). Все другие горючие ископаемые, включая каменные 
угли, сланцы, нефть и природный газ, являются невозобновляемыми источниками энергии (НВИЭ). Скорости их накопления (десятки тысяч и миллионов лет) и современного потребления (сотни 
лет) несоизмеримы. Оставшийся для всеобщего потребления относительно доступный ресурс нефти и газа составляет по разным 

оценкам от 40 до 100 лет. Ресурс каменного угля оценивается примерно в 1000 лет.

Распределение потенциала биомассы России, представленное на 

рис. 1.2 [2], говорит о перспективе его применения в ближайшие 
годы, что подтверждается Энергетической стратегией развития 
Российской Федерации до 2020 г., в соответствии с которой к намеченному сроку доля ВИЭ достигнет 4,7%. Для сравнения: в странах 
Европейского союза к тому времени эта доля в среднем должна составлять 20%.

Солома 

(5,6)

Энергетические 
плантации (5,1)
Стебли кукурузы 

(2,4)

Стебли и лузга 
подсолнуха (2,3)

Жидкие топлива 

из биомассы 

(2,2)

Древесное 

топливо (2,0)

Твердые бытовые 

отходы (ТБО) в качестве 

топлива  

(1,9)

Биогаз  

из навоза  

(1,6)
Торф 
(0,6)

Биогаз очистных 
сооружений (0,2)

Биогаз  
 (0,3)

рис. 1.2. Распределение потенциала биомассы по составляющим  

в Российской Федерации на 2010 г., млн т у.т./год

Производство энергии путем окисления кислородом воздуха 

видов топлива, содержащего углерод, ведет во всех случаях к нарушению установившегося баланса веществ в экосфере Земли. Это 
нарушение происходит вследствие накопления углекислого газа, 
который растения не успевают полностью поглощать из-за небольшого их количества на Земле. Таким образом, Киотский протокол 
поощряет как уменьшение выбросов углекислого газа (достигается 
преимущественно повышением КПД энергоустановок и снижением 
энергозатратности потребления), так и увеличение его поглощения, 
в том числе за счет зеленых насаждений. Следует отметить, что нарушение экологического баланса возникает при сжигании не только 
НВИЭ, но и биомассы, поскольку при этом не происходит ее консервация вместе с углеродосодержащими веществами по указанной 
выше цепочке. Но выделившийся при сжигании биомассы углекислый газ за определенный период будет поглощен растениями, 

и баланс восстановится. В результате в среднем в экосфере поддерживается некоторый постоянный уровень содержания углекислого 
газа. Именно поэтому в соответствии с Киотским протоколом биомассу считают экологически нейтральным топливом с соответствующими экономическими льготами при ее применении в энергетике.

В нашей стране с ее богатыми запасами нефти, газа и других 

ископаемых топлив к использованию биомассы в качестве энергетического сырья долгое время относились с предубеждением, поскольку в экономическом плане биоэнергетические технологии заметно проигрывали традиционным. Только в начале XXI в. с ростом 
цен на нефтепродукты и ужесточением требований к охране окружающей среды начали интересоваться производством биотоплива, 
осваивая переработку древесных отходов в топливные гранулы 
и брикеты, пользующиеся хорошим спросом в Западной Европе. 
Этот сектор биоэнергетики сегодня стал лидером по части объемов 
инвестиций и уровню практического интереса предпринимателей. 
В частности, в 2014 г. в России было произведено 1,3 млн т биогранул — пеллет (в основном древесных).

В настоящее время можно говорить о ряде реализуемых проектов 

биоэнергетики, ориентированных на снижение издержек и получение прибыли. Зреет надежда, что в ближайшем будущем таких 
проектов будет все больше.

1.3. энерГетическая перераБотка Биомассы

На сегодняшний день биоэнергетика занимает ведущее место 

среди других ВИЭ (более 80%) и по сравнению с использованием 
НВИЭ имеет следующие преимущества:

 
• практическая неисчерпаемость сезонно накапливающих энергию 

источников благодаря их ежегодному самовосстановлению;

 
• принципиальная возможность (при необходимости) наращивания 

производства биотоплива вплоть до полного удовлетворения человеческих потребностей;

 
• меньшее нарушение природного баланса земной экосистемы;

 
• принципиальная возможность достижения относительно низкой 

цены вырабатываемой энергии преимущественно за счет реализации локального энергопроизводства.
Из биомассы могут быть получены три вида топлива: твердое, 

жидкое и газообразное. Биомассы в том виде, в котором они встречаются в природе, в основном малопригодны для использования 
в качестве топлива, поэтому, как правило, необходима их дополнительная переработка. Основные виды такой переработки:

 
– механическая обработка;

 
– термохимическая конверсия;