Кілька останніх років на сторінках спеціалізованих видань і на численних конференціях і виставках з біоенергетики рекламується нова, ефективна і енергозберігаюча, технологія обробки твердої біомаси для виробництва біопалива (пелет і брикетів) шляхом торрефікації. Спробуємо розібратися — що ж це таке, які у торрефікації переваги і недоліки, які перспективи її використання.

Торрефіковані, або біовугільні (чорні), пелети мають низку переваг в порівнянні зі звичайними, які також просто називають білими. Ці переваги особливо явно проявляються при спільному спалюванні торрефікованих пелет і вугілля на теплоелектростанціях (ТЕС).

За різними ринковими найменуваннями ховається один і той самий відомий процес виробництва: випал твердої біомаси (англ. — Torrefaction) і подальше її гранулювання в пелети; подібна технологія застосовується при випалюванні кавових зерен. Процес випалювання був вперше застосований в 1930-ті роки у Франції (французьке дієслово torrefier, яке перекладається як «смажитися», в основному використовується для позначення процесу випалу кавових зерен). На відміну від зерен кави, тверда біомаса обпалюється без доступу кисню при температурі 200-330 ºC.

Хімічний аналіз біомаси після такого випалювання показав, що вона набуває більшої теплоти згоряння, енергоємності і поліпшені в порівнянні з неторрефікованою біомасою параметри горіння. Процес випалювання може бути застосований до будь-яких видів біомаси.

Нідерланди: попереду всієї планети

Дуйвен — невелике село в провінції Гельдерланд, неподалік від кордону з Німеччиною. З дня свого заснування в період Римської імперії і до введення в дію тут невеликої пивоварні вже в наші часи воно не грало будь-якої  помітної ролі в економіці Нідерландів.

Все змінили останні кілька років. Дуйвен стало найбільшим центром світової пелетної галузі. RWE Innogy — 100% дочірнє підприємство одного з найбільших світових енергоконцернів RWE (в якому має частку і «Газпром») — спільно з голландською компанією Topell Energy (39% акцій якої належать RWE) інвестувала 15 млн. євро в будівництво найбільшого в світі на сьогодні виробництва для торрефікації пелет.

Торрефіковані пелети (ТП) за рахунок процесу торрефікації отримують характеристики, які відрізняють їх від звичайних пелет в кращу сторону. Досить сказати, що калорійність однієї тонни торрефікованих пелет вище, ніж однієї тонни неторрефікованих пелет.

Чому німецький концерн RWE реалізує такий проект за кордоном? Відповідь проста: відповідно до законодавства Нідерландів всі вугільні ТЕС зобов’язані спільно з вугіллям спалювати певну кількість біомаси, за що держава, починаючи з 2002 року і донині гарантовано виплачує цим ТЕС субсидії в розмірі 5-6 євроцентів  за кожну кіловат-годину електроенергії, виробленої при спільному спалюванні біомаси. У Німеччині ж таких умов для ТЕС поки немає (відповідно до німецького закону про відновлювану енергію, дотується тільки виробництво електроенергії на станціях потужністю до 20 МВт при 100% використанні біомаси). Тому й обсяги продажів індустріальних пелет в Нідерландах і Бельгії, де також діють схожі до голландської державні програми дотації при спільному спалюванні, значно вищі, ніж у ФРН. Виходячи з описаних вище переваг ТП, багато європейських виробників пелет і енергетичні компанії роблять зараз ставку саме на торрефіковані дерев’яні пелети та іншу торрефіковану тверду біомасу з метою отримання конкурентних переваг перед виробниками класичних пелет.

Завод в Дуйвені був зданий в експлуатацію навесні 2011 року. Продуктивність лінії торрефікації і гранулювання — 8 тон на годину, сировина — дерев’яні відходи. «Тепер головне завдання, — каже співробітник департаменту венчурних інвестицій компанії RWE Innogy Кріспін Лейк, — це виведення заводу на рівень максимально можливого річного обсягу випуску продукції — не менше 60 тис. тон». Кріспін Лейк наглядав за цим проектом зі стадії передпроектних робіт, тому про процес торрефікації знає буквально все. На його думку, основна проблема заводу в Дуйвені — це забезпечення безперервної поставки сировини в промисловому масштабі, чого сьогодні зовсім непросто досягти не тільки в Нідерландах, але і в деяких інших західноєвропейських країнах. Доводиться навіть сортувати і переробляти так звану стару деревину — будь-які вироби з деревини, які відслужили свій термін, в тому числі меблі, крім деталей покритих лакофарбовими матеріалами. Торрефіковані пелети надходять на вугільну електростанцію, що працює в місті Гертруйденберг, що розташоване поруч з селом Дуйвен.

Як працює так званий «торбед реактор» (Torbed Reactor) — запатентований головний модуль заводу торрефікації пелет в Дуйвені?

Сировина у вигляді подрібненої дерев’яної біомаси подається в реактор і нагрівається в ньому без доступу кисню до температури 220-330 °C. Нагрівання триває від кількох секунд до однієї години — залежно від встановленого режиму торрефікації. Під час цього процесу утворюється газ, який забезпечує високу температуру, необхідну для процесу торрефікації. Для того щоб запустити реактор, використовується зовнішнє джерело енергії. Як тільки реактор досягає необхідної операційної температури, процес стає замкнутим, без підведення енергії ззовні. Після завершення режиму торрефікації, тривалість  якого встановлюється залежно від якості вхідної сировини, на виході виходить гомогенний продукт з високою енергетичною щільністю, високою якістю розмелення, вологістю до 5%, в продукті міститься менша, ніж в неторрефікованій біомасі, кількість домішок. Крім того, торрефіковані пелети стають гідрофобними, тобто отримують властивість відштовхувати вологу і протистояти процесам гниття і бродіння, що дає можливість зберігати їх навіть під відкритим небом.

«У порівнянні з традиційними пелетами у торрефікованих безліч переваг, і головне — це, звичайно, підвищена енергетична щільність», — говорить фахівець відділу біоенергетики та охорони навколишнього середовища австрійського Інституту техніки та хімії у Відні Мартін Енгліш. При торрефікації властивості біомаси кардинально змінюються: руйнується структура целюлози, випаровується значна частина вологи, утворюються вільні молекули вуглецю, водню і кисню. За структурою торрефіковані гранули схожі на вугілля, оскільки в ході хімічних процесів в деревині та іншій рослинній біомасі при торрефікації весь вуглець перетворюється на біовугілля (ненасичені вуглеводні), окислюючись і реагуючи з молекулами кисню. Біовугілля має ті ж властивості, що й викопне вугілля, і може без проблем спалюватися разом з ним. Завдяки тому, що в результаті випалювання сильно знижується вологість торрефікованих пелет, вони стають крихкими і подрібнюються легше, ніж звичайні пелети. Тому при спільному спалюванні торрефікованих пелет з вугіллям немає необхідності модернізувати технологічну лінію подачі палива — не потрібно додатково встановлювати пелетні дробарки і окрему систему подачі гранул.

У більшості вугільних електростанцій застосовується факельний спосіб спалювання палива, і вугілля перед подачею в котел подрібнюється до пилоподібного стану, а індустріальні пелети при спільному спалюванні на дробарці подрібнюють до розмірів близько 2 мм. Торрефіковані пелети подрібнюють разом з вугіллям, і, за рахунок описаних вище властивостей, на їх подрібнення потрібно менше енергозатрат, ніж на подрібнення класичних пелет. Торрефіковані пелети можна заздалегідь змішувати з вугіллям на паливному складі ТЕС. Оскільки по параметру енергетичної щільності торрефіковані пелети перевершують прості пелети, скорочуються витрати на перевезення і складування, адже для зберігання торрефікованих гранул не потрібні спеціальні сухі приміщення, вони можуть зберігатися навіть під відкритим небом, разом з вугіллям. Прості дерев’яні гранули при такому зберіганні за рахунок біологічної активності деревини абсорбують вологу з повітря, втрачають калорійність, схильні до гниття, а при попаданні води розмокають і руйнуються. Торрефікація також дозволяє знизити вміст сульфатів в гранулах. Але, мабуть, основною мотивацією для застосування торрефікації в Європі є екологічна спрямованість використання торрефікованної біомаси (скорочення викидів парникових газів при спільному спалюванні з вугіллям) і обмеженість ресурсної бази для виробництва звичайних дерев’яних гранул. Попит на енергетичну деревину зростає з кожним роком, і навіть збільшується буквально в геометричній прогресії використання енергетичних плантацій рослин не вирішує проблему дефіциту сировини для виробництва біопалива. До якості сировини для виготовлення торрефікованих пелет не виставляються такі жорсткі вимоги, як до якості сировини для простих дерев’яних пелет, — для виробництва торрефікованих пелет можна використовувати щепу найнижчої якості або кору. Ресурсна база для виготовлення торрефікованих паливних гранул розширюється за рахунок того, що в технологічному процесі можна використовувати солому, сіно, залишки виробництва рослинних олій, переробки цукрових буряків, інші відходи АПК, тверді побутові відходи (ТПВ) і навіть всілякі пластики. Торрефікувати можна різні суміші твердої біомаси. Приміром, компанія FoxCoal в Нідерландах торрефікувала пластик разом з макулатурою і отримала високоякісні гранули, які за багатьма характеристиками перевершують вугілля. До речі, торрефіковану біомасу часто називають біовугіллям.

В Нідерландах створена Асоціація торрефікації (The Dutch Torrefaction Association — DTA), в яку входять: компанія 4Energy Invest з Бельгії, Нідерландський науково-дослідний центр енергетики (The Energy research Centre of the Netherlands, ECN) і голландські компанії FoxCoal, Topell Energy, TorrCoal Technology.

Технологією торрефікації біомаси займаються в Голландії також і інші відомі компанії, наприклад, BTG (Biomass Technology Group). Нідерланди міцно утримують перше місце в світі за кількістю компаній і державних інститутів, що працюють в цій сфері.

У 2006 році голландський фахівець з термодинаміки і піролізу біомаси Марк Ян Прінс в журналі, присвяченому аналітиці та практичному застосуванню піролізу (Journal of Analytical and Applied Pyrolysis), а також у роботі, опублікованій університетом в Ейндховені (Eindhoven University of Technology, Environmental Technology Group, Department of Chemical Engineering and Chemistry), навів результати термодинамічних досліджень процесів торрефікації та газифікації деревини, які він проводив спільно з групою дослідників. З цих результатів випливає, що характеристики торрефікованої деревини напряму залежать від виду використовуваної деревини, тривалості та температури процесу.

Перспективи торрефікації в Німеччині

У Німеччині, на відміну від інших західноєвропейських країн, застосування торрефікованої біомаси бачиться поки що тільки у віддаленій перспективі. Гранули застосовуються на німецькому ринку майже на 100% тільки в теплоенергетиці — в комунальних котельнях, для опалення житлового сектора, фермерських господарств, невеликих промислових підприємств (на відміну від Нідерландів, Бельгії, Великобританії, де гранули використовують в основному для вироблення електроенергії). У ФРН пелети спалюють в котлах потужністю до 300 кВт (в приватних домоволодіннях) і в невеликих котельнях потужністю до 3 МВт.

Заступник голови Німецької асоціації виробників пелет (DEPV) Ханс Мартін Бер заявив, що сьогодні торрефікація поки неактуальна для теплоенергетики Німеччини. Він вважає «кардинально неправильними спроби підвищити ефективність експлуатованих сьогодні європейських ТЕС, більшість з яких працюють на «доісторичному обладнанні», за рахунок спалювання нової генерації біопалива. Чому б не вирішувати цю задачу шляхом модернізації електростанцій для оптимального спалювання звичайної біомаси?»

Подібні висловлювання, швидше за все, пояснюються тим, що зараз у ФРН, як вже неодноразово відзначали багато європейських експертів, спостерігається перевиробництво дерев’яних паливних гранул. У 2001 році в Німеччині виробили 1,86 млн. тон пелет, а спожили тільки 1,4 млн. тон при реальній продуктивності всіх пелетних заводів 2,7 млн. тон на рік. У 2012 році, за прогнозами планувалося, що в країні мало бути вироблено більше 2 млн. тон дерев’яних пелет. Велика частина цієї продукції відповідає стандартам Din+ або новому європейському стандарту ENA1, A2. Індустріальні гранули виробляються в невеликих обсягах, так як на ТЕС, що працюють на твердому біопаливі, в Німеччині використовують в основному дерев’яні відходи (паливну щепу, відходи після санітарних рубок, рубок догляду, ландшафтних робіт, стару деревину тощо).

А експорт таких гранул з ФРН на електростанції в Нідерланди не витримує конкуренції виробників із США і Канади, де і собівартість виробництва нижча, і транспортні витрати при морських перевезеннях через Атлантику в Роттердам великотоннажними океанськими кораблями в перерахунку на тонну набагато менше вартості перевезень автомобільним або залізничним транспортом з Німеччини.

У Німеччині поки дійсно немає жодних економічних передумов для виробництва торрефікованих гранул. Місцевої деревної сировини для ТЕС поки достатньо. А ось по інших видах біомаси щорічно утворюються значні обсяги сировини. Приміром, тільки соломи, за даними Німецького центру дослідження біомаси (DBFZ), можна використовувати від 8 до 13 млн. тон на рік. А перша і поки єдина ТЕС у місті Емсланд, що використовує тюковану солому, введена в експлуатацію тільки в цьому році.

Проте деякі німецькі наукові центри та енергоконцерни намагаються йти в ногу з часом і проводять дослідження торрефікації біомаси, отримуючи на ці розробки гранти від ЄС. З січня 2012 року таку роботу в рамках 7-ї Наукової програми з біоенергетики Євросоюзу проводить DBFZ; дата закінчення досліджень та презентації результатів — 2015 рік. У проекті беруть участь більше 20 європейських компаній і наукових центрів. В їх число входять дочірні фірми основних європейських енергоконцернів, такі як RWE Innogy, E.on UK, Vattenfall AB, Австрійський науководослідний інститут хімії і техніки (OFI), Центр енергетичних досліджень Нідерландів (ECN). Директор відділу біоенергетичних систем DBFZ Жанет Вітт розповідає, що цей центр є координатором всього проекту, в ході експериментів і досліджень виконуватиметься торрефікація різних видів твердої біомаси, спільне спалювання отриманого торрефікованого біопалива з бурим і кам’яним вугіллям в різних співвідношеннях. На базі результатів досліджень будуть вироблені рекомендації для виробників твердого біопалива: яку біомасу і як краще торрефікувати. Тести будуть проводитися на реакторах різного типу: нерухомому, рухомому, обертальнобарабанному, реакторі з вировим шаром і ін. Потім торрефіковану біомасу будуть гранулювати і брикетувати, з тим щоб визначити, яке обладнання найбільш підходить для цих цілей. Торрефіковані гранули та брикети пройдуть випробування на предмет збереження властивостей при зберіганні під відкритим небом (перевірку на реакцію з ґрунтом і гідрофобність).

Концерн RWE Innogy ще в 2009 році встановив демонстраційне обладнання для торрефікації біомаси в Теплогазовому інституті (GasWaerme Institut) в місті Ессен в рамках іншого наукового проекту, в якому беруть участь: Руруніверсітет в Бохумі (RuhrUniversitaet Bochum), Вища технічна школа в Аахені (Technische Hochschule Aachen), компанія «ТіссенКрупп метал» (Thyssen Krupp Steel), виробник обладнання для гранулювання біомаси «Мюнх Едельшталь ГмбХ» (Muench Edelstahl GmbH) і компанія «Хітачі Пауер» (Hitachi Power Europa). З 2012 року цей проект включає не тільки науково-дослідні роботи з торрефікації біомаси, а й роботи з пошуку інших можливостей підвищення якості твердої біомаси для її більш ефективного спалювання, зокрема, разом з вугіллям.

В планах керівництва енергоконцерну Vattenfall — одного з провідних європейських виробників електроенергії (в основному в Німеччині і Швеції) на вугільних ТЕС — виробництво торрефікованих пелет в обсязі до 5 млн. тон на рік до 2020 року на заводах, які будуть побудовані в США і країнах Південної Америки. Директор концерну з планування та використання біомаси Ульріх Руш каже про ці плани досить обережно, враховуючи, що на сьогодні реалізовані лише невеликі пілотні проекти з торрефікації і на їх базі здійснити запуск великого виробництва не так просто. Потрібно ще провести всілякі тести і вивчити всі реально працюючі технології торрефікації. Для цього планується закупити торрефіковані гранули у 40 виробників, що працюють по всьому світу, і на берлінській ТЕС «Ройтер Вест», яка належить концерну, провести технічні випробування по спільному спалюванню торрефікованих гранул з вугіллям в різних пропорціях. Попередні тести спільного спалювання індустріальних пелет, або, як їх стали називати останнім часом, білих пелет (Whitе Pellets), на вугільних електростанціях концерну показали, що в суміші пелет і вугілля повинно бути не більше 20% білих пелет від загального обсягу палива, що спалюється на станції. У разі використання торрефікованих (чорних) гранул ця кількість може бути збільшена до 50-70%.

Багато з описаних вище дослідницьких робіт в ФРН проводяться також у зв’язку з тим, що в 2018 році держава припинить субсидування вугледобувної промисловості. 15 липня 2011 вступив в силу новий Закон про кам’яне вугілля (Steinkohlefinanzierungsgesetz), що регулює державне субсидування видобутку вугілля в Німеччині та держдопомогу шахтам, що закриваються і шахтарям, яких звільняють. Розміри допомоги будуть поступово зменшуватися, і до кінця 2018 року вона повністю припиниться. Можливість продовження дії субсидій виключена, оскільки згоду Єврокомісії на нові субсидії було отримано в 2011 році лише за умови, що в 2018 році ця робота буде завершена. Ймовірно, в цьому році і настане кінець ери видобутку кам’яного вугілля в Німеччині, якщо тільки до того часу ціни на енергоносії сильно не виростуть.

Що в інших європейських країнах?

У 2008 році в Швеції фірма BioEndev (Bio Energy Development North AB) почала реалізацію пілотного проекту з торрефікації біомаси. У 2009 році вона виготовила першу партію торрефікованого біопалива і отримала фінансування від Швецької енергетичної адміністрації на створення промислової торрефікаційної установки в місті Ерншельдсвік і продовження досліджень торрефікації в Університеті міста Умео. Наприкінці 2009 року було розпочато проектування торрефікаційної установки потужністю 22 МВт. «Це перша в світі торрефікаційна лінія такої великої потужності», — заявив професор університету в Умео Андерс Нордін. Подібні дослідження і експерименти проводить й інша шведська компанія — Torkapparater AB, яка з 1937 року розробляє технології сушіння деревини.

У Франції просуванням технології торрефікації займається компанія Thermya SA, яка запатентувала новий принцип реактора (Torspyd) з двома вертикально розташованими колонами, по яким в протилежних напрямках безперервно переміщається біомаса і газ.

Не можна не згадати тут ще одну французьку компанію — Biogreen з її технологією термічної переробки біомаси та відходів шляхом торрефікації, піролізу і газифікації з застосуванням запатентованого електричного гріючого гвинтового (шнекового) конвеєра і обладнання для термообробки насипного продукту.

При торрефікації твердої біомаси за цією технологією на виході утворюється шматкове біовугілля, характеристики якого схожі з характеристиками середньокалорійного кам’яного вугілля, а також рідке біопаливо (так зване Піролізне масло) та біогаз, які можуть бути використані в якості:

 Крім того, біомасло може використовуватися у виробництві пластирів.

Хоча технологія фірми Biogreen в першу чергу призначена для утилізації і переробки відходів: біомаси, ТПВ, пластиків та іншого, її можна використовувати і для торрефікації дерев’яних пелет або брикетів.

Британська фірма Rotawave Biocoal Ltd. розробила технологію, засновану на принципі роботи мікрохвильової печі і тому названу мікрохвильовою технологією для отримання біовугілля (Microwave technology for biocoal), що дозволяє отримувати з біомаси тверде торрефіковане біопаливо і органічні масла. Технологія заснована на використанні високочастотного електромагнітного впливу на сировину, що знаходиться в унікальному керамічному барабані, що дозволяє підтримувати в системі високотемпературний режим, мінімізувати експлуатаційні витрати і забезпечує невеликі габарити виробництва.

За статистикою Міжнародного енергетичного агентства, в країнах ЄС біомаса використовується більш ніж на 150 вугільних ТЕС як паливо для спільного спалювання. Велика частина цих ТЕС розташована в Нідерландах, Бельгії, Данії, Великобританії та Польщі. У Польщі заплановано будівництво ТЕС, призначених для спільного спалювання торрефікованої біомаси та вугілля. Сьогодні в якості біомаси в основному використовуються дерев’яні паливні гранули і в незначній кількості гранули з відходів АПК (соломи, лушпиння соняшника та ін.).

Комерційний директор компанії Topell Energy Робін Пост ван дер Бург заявив, що, за його даними, в світі зараз займаються торрефікацією більше 60 комерційних компаній і НДІ. Торрефіковані гранули поки використовуються на ТЕС нерегулярно, можна сказати, в порядку тестування. Жодній компанії поки не вдалося налагодити серійний випуск технологічного обладнання для торрефікації. А майже всі побудовані заводи і лінії для торрефікації біомаси працюють в основному в демонстраційному режимі або, в кращому випадку, виробляють продукцію в обсязі нижче реальної потужності.

Тим не менше, інтерес європейців до торрефікованих пелет зростає. Про це говорять і дані про інвестиційні затрати в проекти заводів з торрефікації пелет.