НЕТРАДИЦИОННЫЕ 
ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

 БИОЭНЕРГЕТИКА

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

Москва
ИНФРА-М
2018

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»

УДК 621.311.26(075.8)
ББК 31я73
 
К89

Кузьмин С.Н.
Нетрадиционные источники энергии: биоэнергетика : учеб. посо-
бие / С.Н. Кузьмин, В.И. Ляшков, Ю.С. Кузьмина. — М. : ИНФРА-М, 
2018. — 128 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — ww.dx.doi.org/ 
10.12737/17709.
ISBN 978-5-16-011314-2 (print)
ISBN 978-5-16-103490-3 (online)
Учебное пособие состоит из введения и пяти разделов, посвященных 
основным технологиям получения энергии из биомассы. В пособии рас-
смотрены вопросы, включенные Федеральным государственным обра-
зовательным 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 31.07.2017. 
Формат 60×90/16. Бумага офсетная. Гарнитура Newton. 
Печать цифровая. Усл. печ. л. 8,0.
ППТ50. Заказ № 00000
ТК 434900-924946-080216

Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127282, 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 тех-
нического университета;
В.М. Зайченко, д-р техн. наук, старш. науч. сотрудник, заведующий 
отделом распределенных энергетических систем Объединенного ин-
ститута 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 техниче-
ского университета;
В.И. Ляшков, канд. техн. наук, профессор кафедры «Энергоэффек-
тивные системы» Тамбовского государственного технического универ-
ситета;
Ю.С. Кузьмина, аспирантка

ISBN 978-5-16-011314-2 (print)
ISBN 978-5-16-103490-3 (online)

Введение

Энергетика является одной из ключевых отраслей экономики 
любой страны. Именно энергетика обеспечивает энерговооружен-
ность, а следовательно, и высокую производительность труда, со-
здавая предпосылки для экономической мощи страны и благосо-
стояния ее населения. Уровень производства энергии во многом 
определяется запасами энергоресурсов, которые подразделяются на 
традиционные невозобновляемые, истощающиеся по мере их потре-
бления, и возобновляемые, полностью восстанавливающиеся через 
некоторый период времени после их использования.
В последние годы в обществе все чаще заговаривают о необходи-
мости существенной модернизации в области промышленного про-
изводства, 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 обеспе-
чить выпуск конкурентоспособной на мировом рынке отечественной 
продукции.
К сожалению, поспешно осуществленное реформирование энер-
гетики не принесло обещанных результатов (на это неоднократно 
указывал действующий Президент страны), что вызывает неуверен-
ность 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, тормо-
зящих 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, об-
условленный практической выработкой ресурсов генерирующих 
установок, предельным износом электрических и теплофикаци-
онных сетей и неурегулированными экономическими отношениями 
между субъектами вновь созданной инфраструктуры, предназна-
ченной 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 ки-
ловатт-часа энергии. Кроме того, переброска энергии часто невоз-
можна, 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 буду-
щими 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 явля-
ются солнечная энергетика и биоэнергетика с учетом огромного ко-
личества биомасс, не вовлеченных в сельскохозяйственное исполь-
зование 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 стан-
дарте 3-го поколения (ФГОС-3) заложена рекомендация разрабаты-
вать 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 до-
стижения науки и практики, направления и тенденции развития 
нашей отрасли. Это позволяет уменьшить продолжительность, сто-
имость 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 бу-
дущей 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 использо-
вания;

• 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 отече-
ственного 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 эк-
сплуатации 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 воз-
обновляемый 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 допол-
нительной 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 сол-
нечной энергии в топливо и биомассу, биологическую и термохими-
ческую трансформацию последней в топливо и тепловую или элек-
трическую 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 атмос-
феру 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 ор-
ганических 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 энерге-
тической 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 малои-
спользуемым 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 дву-
окись углерода как за счет прямого контакта с воздухом, так и в ре-
зультате жизнедеятельности аэробных микроорганизмов. Затем из-за 
выпадения пыли и нанесения грунта процесс трансформации био-
массы 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 невозобновляе-
мыми источниками энергии (НВИЭ). Скорости их накопления (де-
сятки тысяч и миллионов лет) и современного потребления (сотни 
лет) несоизмеримы. Оставшийся для всеобщего потребления от-
носительно доступный ресурс нефти и газа составляет по разным 

оценкам от 40 до 100 лет. Ресурс каменного угля оценивается при-
мерно 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 наме-
ченному сроку доля ВИЭ достигнет 4,7%. Для сравнения: в странах 
Европейского союза к тому времени эта доля в среднем должна со-
ставлять 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 нару-
шению установившегося баланса веществ в экосфере Земли. Это 
нарушение происходит вследствие накопления углекислого газа, 
который растения не успевают полностью поглощать из-за неболь-
шого 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 на-
рушение экологического баланса возникает при сжигании не только 
НВИЭ, но и биомассы, поскольку при этом не происходит ее кон-
сервация вместе с углеродосодержащими веществами по указанной 
выше цепочке. Но выделившийся при сжигании биомассы угле-
кислый газ за определенный период будет поглощен растениями, 

и баланс восстановится. В результате в среднем в экосфере поддер-
живается некоторый постоянный уровень содержания углекислого 
газа. Именно поэтому в соответствии с Киотским протоколом био-
массу считают экологически нейтральным топливом с соответству-
ющими 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 энерге-
тического сырья долгое время относились с предубеждением, по-
скольку в экономическом плане биоэнергетические технологии за-
метно проигрывали традиционным. Только в начале XXI в. с ростом 
цен на нефтепродукты и ужесточением требований к охране окру-
жающей 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 полу-
чение 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 че-
ловеческих потребностей;

• меньшее нарушение природного баланса земной экосистемы;
• принципиальная возможность достижения относительно низкой 

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

жидкое и газообразное. Биомассы в том виде, в котором они встре-
чаются в природе, в основном малопригодны для использования 
в качестве топлива, поэтому, как правило, необходима их дополни-
тельная переработка. Основные виды такой переработки:
– механическая обработка;
– термохимическая конверсия;

– биохимическая переработка.

С помощью механической обработки получают твердое (пеллеты,

брикеты) топливо и жидкие растительные масла (рапсовое масло, 
масло рыжика и др.), дальнейшая переработка которых позволяет 
создавать биодизельное топливо. В обоих случаях основным этапом 
процесса механической обработки является прессование.

Термохимическая конверсия — это переработка исходного сырья 

при воздействии высоких температур и давлений. Виды получаемых 
топлив: жидкое (топочный мазут, легкое углеводородное топливо), 
газообразное и твердое (полукокс).

При биохимической переработке биомассы получают жидкое 

(биоэтанол, фурфурол и другие спирты) и газообразное (основной 
компонент которого является метан) топливо. Побочный про-
дукт при биопереработке лигниносодержащего сырья — лигнин, 
используемый как твердое топливо и как особый строительный 
материал [2].

В зависимости от способов окисления биомассы, применения 

получаемой энергии и механизмов выработки промежуточных про-
дуктов-энергоносителей (рис. 1.3) [1] к основным сферам биоэнер-
гетической отрасли относятся:
• получение тепловой и электрической энергии при прямом сжи-

гании биомассы, в том числе облагороженной (брикеты, пел-
леты);

• получение из биомассы газового высокоэнергетического про-

дукта:
– преимущественно метана за счет термического пиролиза или 

анаэробного брожения биомассы;

– синтезированных газов (смесь метана, оксида углерода 

и других горючих газов при неполном сжигании биомассы);

– водорода (из синтез-газа);
– биоэтанола из сахаро- и крахмалосодержащих растений путем

их микробиологического сбраживания и перегонки, а также из 
растительной клетчатки травянистых и древесных растений 
с помощью предварительной ферментации с осахариванием 
и последующим сбраживанием.

Промежуточные энергоносители используют для эффективного 

сжигания в энергоустановках либо синтеза других, еще более энер-
гоемких и технологичных топливных продуктов, преимущественно 
моторных топлив, таких как:
• бензин из синтезированных газов (различные сложные катали-

тические процессы);

• дизельное топливо (биодизель) из масленичных сельхозяйст-

венных культур (рапс, рыжик, подсолнечник, лен и др.);

• биоэтанол.