Одним из наиболее распространенных источников энергии является биомасса, которая используется в биоэнергетике и по оценкам Мирового энергетического совета в XXI веке будет одним из важнейших возобновляемых источников энергии.

Биоэнергетическая отрасль занимается вопросами преобразования в накопленной биомассе химического потенциала в тепло, электричество и механическую энергию [50].

Под биомассой подразумевают органические вещества, которые образуются в растениях в результате фотосинтеза и могут быть использованы для получения энергии, включая все виды растительности, растительные отходы сельского хозяйства (стебли, ботва, навоз), деревообрабатывающей и других видов промышленности.

К энергетической биомассе (рисунок 8) [51], используемой в промышленных масштабах, относятся:

• торф;
• древесина и её отходы;
• специальные энергетические растения для сжигания и выработки энергоносителей;
• отходы сельскохозяйственного и других производств;
• отходы от жизнедеятельности человека и животных, в том числе и твёрдые бытовые отходы (ТБО).

Рисунок 8 – Энергетическое биосырье

В зависимости от способов окисления биомассы и механизмов выработки промежуточных продуктов-энергоносителей, а также способов применения получаемой энергии, различают следующие основные сферы биоэнергетической отрасли:

- получение тепловой и электроэнергии при прямом сжигании биомассы, в том числе облагороженной (пеллеты, брикеты);

- получение из биомассы газового высокоэнергетического продукта;

- преимущественно метан (за счёт термического пиролиза или анаэробного брожения биомассы);

- синтезированные газы (смесь метана, оксида углерода и других горючих газов при неполном сжигании биомассы);

- водород (из синтез газа).

Рисунок 9 – Товарные продукты биоэнергетики

Промежуточные энергоносители используют для последующего более эффективного сжигания в энергоустановках либо для синтеза других, ещё более энергоёмких и технологичных топливных продуктов, преимущественно моторных топлив:

- бензин из синтезированных газов (различные каталитические процессы – GtL);

- дизельное топливо (биодизель) из масленичных сельхозкультур (рапс, подсолнечник, лён);

- биоэтанол из сахаро-крахмалосодержащих растений путём их микробиологического сбраживания и перегонки, а также из растительной клетчатки травянистых и древесных растений путём предварительной ферментации с осахариванием и последующим сбраживанием.

Основные направления научно-технологических разработок в биоэнергетике носят в большей степени региональный характер. Они связаны в основном с реализацией расширенного энергопроизводства в каждой конкретной местности, а также с повышением экономической эффективности процессов переработки. Среди них выделим следующие:

- оптимизация агротехнологий выращивания и первичной переработки энергетических растений;

- компактирование биомассы вблизи места её производства для удешевления хранения и транспортировки (совершенствование процессов и оборудования производства топливных пеллет и брикетов улучшенного качества, новые технологии переработки);

- совершенствование процессов окисления и повышение КПД оборудования;

- создание индустрии производства моторных биотоплив, их поставки конечным потребителям, совершенствование технологий и оборудования, использующего биотоплива [50].

Использование биомассы для получения энергии на основе современных технологий является экологически более безопасным по сравнению с энергетическим использованием традиционных топливных ресурсов (уголь, нефть и природный газ) [41].

По химическому составу и процессам образования традиционная «топливная триада» – уголь, нефть, газ – подобна биомассе. Однако процесс образования ископаемого органического топлива исчисляется миллионами лет, и поэтому её не  относят к возобновляемым источникам энергии.[38 – 48 с.].

Время образования биомассы растительного происхождения лежит в пределах от нескольких месяцев до десятков лет (в зависимости от вида). Благодаря этому свойству и повышенной распространенности ежегодно на Земле образуется около 170–200 млрд. тонн биомассы в пересчете на сухое органическое вещество, что эквивалентно 70–80 млрд. тонн нефти (4*10²¹ Дж). Это примерно в 10 раз больше мирового коммерческого потребления всей энергии (3,9*10²⁰ Дж) [52].

У биомассы как энергетического сырья кроме основного достоинства – возобновляемости – есть еще ряд преимуществ.

1) Экологическая чистота:

- в случае баланса воспроизводства биомассы и потребления её в виде топлива углерод только участвует в круговороте между наземной биотой и атмосферой. В умеренных и высоких широтах в масштабах нескольких десятилетий выделение СО₂ при сжигании древесины и его поглощение в процессе роста деревьев компенсируют друг друга;

- малое количество окислов серы и азоты, выделяющихся при сжигании биомассы. (Например, содержание серы при сжигании биомассы менее 0,2 %, а при сжигании каменного угля 2–3 %);

- зола сгоревшей биомассы может быть возвращена в почву, что обеспечивает замкнутость круговорота биогенных элементов;

- использование в энергетике вторичных биоресурсов позволяет утилизировать экологически грязные отходы.

2) Более высокая эффективность газификации по сравнению с углем: биомасса газифицируется при относительно низкой температуре; при этом теплота для поддержания процесса может быть передана через теплообменники от внешнего источника.

Газификация – превращение биомассы в газообразное горючее (CO+H₂O) в условиях ограниченного доступа кислорода.

3) Энергия, получаемая из биомассы, относительно дешева (лежит в пределах 5-20 тг/кВт·ч).

4) Имеются возможности накапливать промежуточный энергоноситель – биогаз [38 – 51-52 с.].

Основными недостатками биомассы как первичного ресурса в энергетике по сравнению с другими источниками энергии являются:

- низкие эффективность и скорость протекания фотосинтеза как механизма превращения солнечной энергии в химическую;

- территориальная рассредоточенность биомассы и низкая по сравнению с нефтью и углем энергетическая плотность и, как следствие, значительные транспортные издержки;

- большинство видов биомасс не пригодно для длительного хранения из-за быстрого разложения;

- необходимость дальнейшего совершенствования техники и технологии извлечения энергии из биоресурсов, отличающихся большим разнообразием [38 – 52 с.].

Несмотря на перечисленные недостатки при применении современных технологий доля биомассы в мировом энергобалансе может значительно вырасти.

Для оценки интенсивности развития биоэнергетики необходимо обратиться к статистическим данным IRENA (рисунок 10), согласно ей в 2019 году установленная мощность электростанций, работающих на биомассе, составила 123,806 ГВт, около 5% от общей мощности возобновляемой энергетики во всем мире. О быстрых темпах развития биоэнергетики свидетельствует тот факт, что с 2009 года мощность биоэнергетических станций возросла практически в два раза, причем большая доля мощности (70%) приходится на станции, использующие твердое топливо (пеллеты, брикеты, топливные гранулы, щепа, солома и т.д.). Затем идут биогаз и бытовые (коммунальные) отходы – 15,7% и 11,7% соответственно.

Что касается стран, то лидером по мощности использования биоэнергии является Китай – 16,537 ГВт, на втором месте Бразилия – 14,992 ГВт, на третьем США – 12,449 ГВт, на четвертом Индия – 10,227 ГВт, и пятерку замыкает Германия – 9,975 ГВт.

Рисунок 10 – Рост общей установленной мощности электростанций, работающих на биомассе в мире за период с 2010 по 2019 года.

Таким образом, в мире наблюдается положительная тенденция наращивания мощностей биоэнергетических станций. Биоэнергетика в контексте зеленой экономики является перспективной отраслью для инвестирования, позволяющая удовлетворить потребность в энергии без негативных экологических последствий.