Биомассы как нетрадиционные источники энергии

Биомассы как нетрадиционные источники энергии

 Понятие «биомасса»

 

Понятие «биомасса» относят  к веществам растительного или  животного происхождения, а также  отходам, получаемым в результате их переработки. В энергетических целях  энергию биомассы используют двояко: путем непосредственного сжигания или путем переработки в топливо (спирт или биогаз). Есть два основных направления получения топлива  из биомассы: с помощью термохимических  процессов или путем биотехнологической переработки. Опыт показывает, что наиболее перспективна биотехнологическая переработка  органического вещества. В середине 80-х годов в разных странах  действовали промышленные установки  по производству топлива из биомассы.

Биомасса, как производная  энергии Солнца в химической форме, является одним из наиболее популярных и универсальных ресурсов на Земле. Она позволяет получать не только пищу, но и энергию, строительные материалы, бумагу, ткани, медицинские препараты  и химические вещества. Биомасса используется для энергетических целей с момента  открытия человеком огня. Сегодня  топливо из биомассы может использоваться для различных целей - от обогрева жилищ до производства электроэнергии и топлив для автомобилей.

Химический состав биомассы

 

Химический состав биомассы может различаться в зависимости  от ее вида. Обычно растения состоят  из 25% лигнина и 75% углеводов или  сахаридов. Углеводородная фракция  состоит из множества молекул  сахаридов, соединенных между собой  в длинные полимерные цепи. К наиболее важным категориям углеводородов можно  отнести целлюлозу. Лигниновая фракция состоит из молекул несахаридного типа. Природа использует длинные полимерные молекулы целлюлозы для образования тканей, обеспечивающих прочность растений. Лигнин представляет собой "клей", который связывает молекулы целлюлозы между собой.

 

Процесс образования биомассы

 

Двуокись углерода из атмосферы  и вода из грунта участвуют в процессе фотосинтеза с получением углеводов (сахаридов), которые и образуют "строительные блоки" биомассы. Таким образом, солнечная  энергия, используемая при фотосинтезе, сохраняется в химической форме  в биомассовой структуре. Если мы сжигаем биомассу эффективным образом (извлекаем химическую энергию), то кислород из атмосферы и углерод, содержащийся в растениях, вступают в реакцию с образованием двуокиси углерода и воды. Процесс является циклическим, потому что двуокись углерода может вновь участвовать в производстве новой биомассы.

 

Использование биомассы в  качестве источника энергии в  мире

 

Биомасса считается одним  из ключевых возобновляемых энергетических ресурсов будущего. Сегодня она обеспечивает 14% потребления первичной энергии. Для трех четвертей населения  человечества, живущих в развивающихся  странах, биомасса является самым важным источником энергии. Увеличение населения  и потребления энергии на одного жителя, а также истощение ресурсов ископаемого топлива приведут к  быстрому увеличению спроса на биомассу в развивающихся странах. В среднем, в развивающихся странах биомасса обеспечивает 38% первичной энергии (а в некоторых странах 90%). Весьма вероятно, что биомасса останется  важным глобальным источником энергии  в развивающихся странах в  течение всего 21 века.

Потребление биомассы растет быстрыми темпами и в развитых странах. В некоторых развитых странах  биомасса используется весьма интенсивно. Например, Швеция и Австрия обеспечивают 15% потребности в первичных энергоносителях  за счет биомассы. Швеция планирует  увеличить потребление биомассы в будущем, сопроводив этот рост закрытием  атомных и тепловых электростанций, использующих ископаемые виды топлива.

 Общая масса живой  материи (включая влажность) - 2000 миллиардов тонн 

 Общая масса наземных  растений - 1800 миллиардов тонн 

 Общая масса леса -1600 миллиардов тонн 

 Количество наземной  биомассы на одного жителя - 400 тонн 

 Количество энергии,  накопленной наземной биомассой  - 25 000 ЭДж (1 ЭДж=10+18 Дж)

 Годовой прирост биомассы - 400 000 миллионов тонн 

 Скорость накопления  энергии наземной биомассой - 3000 ЭДж/год (95 TВт)

 Общее потребление  всех видов энергии - 400 ЭДж/год (12 TВт)

 Потребление энергии  биомассы - 55 ЭДж/год (1,7 TВт)

Экология

 

Использование энергии биомассы обладает многими уникальными качествами, которые обеспечивают его экологические  преимущества. Оно может способствовать смягчению проблемы изменения климата, уменьшить количество кислотных  дождей, эрозию почвы, загрязнение водоемов и нагрузку на полигоны ТБО, обеспечить среду для существования диких  видов животных и помочь поддерживать здоровые условия существования  лесов с помощью лучшего менеджмента

 

Биодизельное топливо

 

Биодизель - это экологически чистое топливо для дизельных двигателей, получаемое путем химической обработки растительного масла или животных жиров, которое может служить добавкой к дизельному топливу или полностью заменять его. Биодизель, как показали опыты, при попадании в воду не причиняет вреда растениям и животным. Кроме того, он подвергается практически полному биологическому распаду: в почве или в воде микроорганизмы за 28 дней перерабатывают 99 процентов биодизеля, что позволяет говорить о минимизации загрязнения рек и озер. Производство биодизеля позволяет ввести в оборот не используемые сельскохозяйственные земли, создать новые рабочие места в сельском хозяйстве, машиностроении, строительстве и т.д. Например, в России с 1995 по 2005 год посевные площади сократились на 25,06 миллиона гектаров.

 

Сырьём для производства биодизеля служат жирные, реже — эфирные масла различных растений или водорослей.

Европа — рапс;

США — соя;

Канада — канола (разновидность рапса);

Индонезия, Филиппины — пальмовое масло;

Филиппины — кокосовое масло;

Индия — ятрофа;

Африка — соя, ятрофа;

Бразилия — касторовое масло.

Также применяется отработанное растительное масло, животные жиры, рыбий жир и т. д.

                                                               Недостатки

1. В холодное время года необходимо подогревать топливо, идущее из топливного бака в топливный насос, или применять смеси 20 % биодизеля и 80 % солярки марки В20.

2. Долго не хранится (около 3 месяцев)

3. Производство  топлива из растений занимает сельскохозяйственные площади.

                                                             Биодизель в России

В России не существует единой государственной программы развития биодизельного топлива, но создаются региональные программы, например Алтайская краевая целевая программа «Рапс — биодизель». В Липецкой области создана Ассоциация Производителей Рапсового Масла.

Планируется строительство заводов по производству биодизеля в: Липецкой области, Татарстане, Алтайском крае, Ростовской области, Волгоградской области, Орловской области, Краснодарском крае, Омской области.

Древесные отходы

 

Древесина добывается на постоянной основе: в лесах в процессе вырубки. Оценить ежегодный прирост лесов  на Земле достаточно сложно. По одной  из приблизительных оценок он составляет 12,5x109 м3/год с содержанием энергии 182 ЭДж. Это соответствует 1,3 от общего потребления угля на планете. Среднегодовая добыча древесины в период 1985-1987г.г. составила 12,5x109 м3/год (эквивалент 40 ЭДж/год). Таким образом, часть прироста может быть дополнительно использована в энергетических целях в процессе ухода за лесами и, возможно, даже увеличения при этом их производительности.

В процессе прореживания лесных плантаций создается большое количество древесных отходов. Сегодня они зачастую остаются гнить на месте. Это происходит даже в странах, в которых ощущается недостаток топлива. Древесные отходы могут быть собраны, высушены и использованы в качестве топлива частными и местными промышленными потребителями, однако большой объем и влажность делают их транспортировку экономически нецелесообразной. В развивающихся странах, широко использующих древесный уголь в качестве топлива, производство угля в печах на месте образования отходов может уменьшить расходы на транспортировку. Механические рубительные машины для производства древесной щепы (30-40 мм) были созданы в Европе и Северной Америке в течение последних 15 лет. Такая щепа может быть легко высушена и использована в специализированных котлах. Использование порубочных остатков для отопления и/или производства электроэнергии представляет собой растущий бизнес во многих странах. Американские энергоснабжающие компании имеют более 9000 МВт мощностей, работающих с использованием биомассы (эквивалент 9 атомных блоков). Большинство установок построено за последние 10 лет. В Австрии общая мощность домашних котлов и котлов централизованного теплоснабжения (ЦТ), сжигающих древесные отходы, кору и щепу, достигает 1250 МВт. Мощность большинства котлов ЦТ находится в диапазоне 1-2 МВт. Имеется несколько установок большей мощности (15 МВт) и большое количество малых когенерационных установок.

Следующим источником древесных  отходов является обработка деловой  древесины. Сухие опилки и другие отходы, возникающие в процессе распиловки, представляют собой качественное топливо. По существующим оценкам, британская мебельная  промышленность поставляет 35000 тонн таких  отходов в год (третья часть от общего количества), обеспечивая 0,5 ПДж энергии для отопления и горячего водоснабжения, а также для получения пара. В Швеции, где биомасса уже сегодня обеспечивает около 15% первичной энергии, отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности дают 200 ПДж в год, в основном в качестве топлива для ТЭЦ.

Древесное топливо составляет 10% топлива, используемого в мире. В Азии и Латинской Америке его доля составляет 20%, в Африке - 50%. При этом древесина является главным источником энергии, особенно в бытовых целях, во многих бедных развивающихся странах. В 22 странах древесное топливо обеспечивает от 25 до 49% потребления энергии, в 17 странах - 50-74% и в 26 странах - 75-100%.

Увеличение использования древесного угля в Европе связано с промышленной революцией в Англии в 17 - 18 веках. В Швеции потребление древесного угля выросло в течение 19 столетия в связи с производством металла, в частности, высококачественной стали. Сегодня древесный уголь остается важным видом бытового и, в меньшей степени, промышленного топлива во многих развивающихся странах. Он преимущественно используется в городах, где простота хранения, высокая теплотворная способность (30 МДж/кг по сравнению с 15 МДж/кг для древесины), меньшее количество дымовых выбросов и устойчивость к насекомым делают его более привлекательным, чем древесное топливо. В крупных городах Танзании доля древесного угля составляет 90% общего энергопотребления.

Сельскохозяйственные отходы

 

Сельскохозяйственные отходы представляют собой огромный источник биомассы. Отходы растениеводства и  животноводства обеспечивают значительное количество энергии, уступающее только древесине, которая является главным  видом топлива из биомассы на Земле. Сельскохозяйственные отходы включают: отходы растительных культур, например, солому, некондиционную продукцию и  излишки производства, а также  отходы животноводства в виде навоза. В Индии в 1985 году в качестве топлива  было использовано 110 млн тонн навоза и растительных остатков, что близко к объему использования древесины - 133 млн тонн. В Китае количество сельскохозяйственных отходов в 2,2 раза превышает количество древесного топлива.

Каждый год в мире образуются миллионы тонн соломы. Более половины этого количества не используется. Во многих странах она сжигается на полях или запахивается в землю. В некоторых развитых странах экологическое законодательство запрещает сжигание соломы на полях. Это привлекло внимание к соломе как к потенциальному источнику энергии.

Энергетическое использование растительных остатков вызывает вопрос о том, какое количество может быть использовано без негативного воздействия на урожай. В соответствии с опытом развитых стран, около 35% растительных остатков может быть удалено без воздействия на будущий урожай.

Промышленные отходы, содержащие биомассу, также могут быть использованы для производства энергии. Например, из отходов производства спирта можно получить горючий газ. Другие полезные виды отходов включают отходы пищевой и текстильной промышленности.

Быстрорастущие растения

 

Биомасса может специально выращиваться на энергетических плантациях в виде деревьев или других видов  растений, например, травы (сорго, сахарный тростник). Все эти виды растений могут быть использованы в качестве топлива. Основным преимуществом при  этом является короткий период выращивания - обычно от трех до восьми лет. Для некоторых  видов трав урожай может собираться каждые 6-12 месяцев. В мире существует около 100 миллионов гектаров земли, используемой для плантаций древесных  культур.

Важными параметрами при выборе видов растений для выращивания на энергетических плантациях являются: наличие вида на местном рынке, простота разведения, устойчивость развития в неблагоприятных условиях и продуктивность, выраженная в производстве сухой биомассы на гектар в год (т/га/год). Продуктивность представляет собой параметр, определяющий способность растения использовать местные ресурсы. Это наиболее важный фактор при решении вопроса о производстве биомассы с целью оптимизировать ее производство на определенной территории в определенный период времени с наименьшими затратами. По этой причине высокопроизводительные виды биомассы предпочтительны для производства энергии.

Некоторые виды растений демонстрируют высокую продуктивность по сравнению с другими при выращивании в одинаковых условиях. Несмотря на то, что продуктивность различных древесных пород зависит от типа почвы и климата, некоторые породы деревьев явно выделяются на общем фоне. Например, некоторые сорта эвкалипта имеют продуктивность 65 т/га/год сухой биомассы.

Биогаз

 

Биогаз — газ, получаемый водородным или метановым брожением  биомассы. Метановое разложение биомассы происходит под воздействием трёх видов  бактерий. В цепочке питания последующие  бактерии питаются продуктами жизнедеятельности  предыдущих. Первый вид — бактерии гидролизные, второй — кислотообразующие, третий — метанообразующие. В производстве биогаза участвуют не только бактерии класса метаногенов, а все три вида. Одной из разновидностей биогаза является биоводород, где конечным продуктом жизнедеятельности бактерий является не метан, а водород.