Нетрадиционные источники энергии: биоэнергетика

НЕТРАДИЦИОННЫЕ 

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

 БИОЭНЕРГЕТИКА

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

УЧЕБНОЕ 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»

Москва 
ИНФРА-М 

202

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, 2024. — 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 20.10.2023. 

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

Печать цифровая. Усл. печ. л. 8,06.

ППТ12. Заказ № 00000

ТК 434900-2122490-080216

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 биог-
ранул — 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;