Использование биомассы для энергетических целей

Основу биомассы нашей планеты составляют органические соединения углерода, которым свойственно выделение тепла в процессе соединения с кислородом при сгорании. Первоначальная энергия биомассы – кислород, образуется в процессе фотосинтеза под влиянием солнечных лучей. В результате ряда химических или биохимических процессов биомасса может трансформироваться в газообразный метан, твердый древесный уголь или жидкий метанол.

Использование биологического топлива в промышленных объемах способно обезопасить мир от экологического загрязнения, делая возможным непрерывное получение энергии. Так, при сгорании биологического топлива большая часть энергии рассеивается, однако конечные продукты сгорания могут быть снова преобразованы в топливо путем естественных экологических процессов.

Скорость формирования биомассы на планете равна 250 ∙ 10⁹ т/год, объемы же образуемых при этом органических соединений составляют 100 ∙ 10⁹ т. Перспективы развития биоэнергетики огромны, учитывая, что лишь 0,5 % доступной на планете биомассы потребляется человеком в пищу.

Огромное значение сегодня имеет использование биотоплива в качестве аккумулятора энергии. Фактически, биомасса способна обеспечить возможность производства всех видов топлива для промышленного и сельскохозяйственного применения, включая жидкое топливо для заправки транспорта. Однако, промышленная переработка биомассы будет успешной и даст плоды если придерживаться нескольких основополагающих принципов:

1. Принципа экономической эффективности. Некоторые виды биотоплива могут требовать для своего производства энергии больше, чем сами смогут в последующем дать, поэтому при организации процесса переработки биомассы важно брать во внимание фактор выгоды. К примеру, этиловый спирт из соломы и растительного волокна обойдется в разы дешевле того же продукта из крахмала растений. Любая переработка сырья должна быть экономически оправдана.

2. Принципа соответствия планируемых объемов производства биотоплива концентрации возобновляемого сырья. Если оценка концентрации сыръя не будет предварительно сделана - существует вероятность того, что производство биотоплива окажется слишком дорогостоящим процессом.

3. Принципа предотвращения экологической опасности. Производство биотоплива не должно быть причиной эрозии почв, уничтожения лесов, сельскохозяйственных запасов растений, идущих в пищу.

Достоинства биоэнергетики

1. Широкая сфера применение биотоплива. Возможность развития биоэнергетики благодаря наличию огромных запасов биомассы, пригодной для переработки.

2. Стимулирование развития экотехнологий, сельскохозяйственной промышленности.

3. Возможность эффективного использования отходов, побочных продуктов, стоков.

4. Способствует улучшению окружающей среды посредством утилизации отходов.

5. Эффективная система переработки предотвращает загрязнение воды и воздуха.

6. Имеет большой потенциал в агропромышленных странах.

Недостатки биоэнергетики

1. Производство энергии может конкурировать с пищевой промышленностью – увеличение выпуска объемов биотоплива может оказать негативное влияние на рынок пищевых продуктов.

2. Обеднение и эрозия почв, как результат интенсивного выращивания растений для энергетических целей.

Энергетические процессы переработки биомассы

Термохимические

1. Прямое сжигание.

2. Пиролиз – нагрев биомассы в условиях отсутствия воздуха, или благодаря сгоранию некоторой её доли при ограничении доступа воздуха или кислорода. Состав продуктов пиролиза напрямую зависит от используемого в процессе сырья, температурных условий, способа организации процесса. Пиролиз, протекающий с образованием горючего газа, называется газификацией.

3. Иные термохимические процессы.

Биохимические

4. Спиртовая ферментация. Этиловый спирт – идеальный вариант топлива, способный заменить бензин. Вырабатывается он в процессе ферментации микроорганизмами. Преимущественно в спиртовой ферментации в качестве сырья используется сахар.

5. Анаэробная переработка. Получение биогаза (смеси CO₂ и CH₄ из биоотходов основано на свойстве последних разлагаться в анаэробных (бескислородных) условиях. Этот процесс проходит в три этапа, благодаря разложению органических веществ кислотными и метановыми микроорганизмами.

6. Биофотолиз. Фотолиз – распад воды до водорода и кислорода под воздействием света. Некоторые биоорганизмы могут в определенных условиях производить водород путем биофотолиза.

Агрохимические

7. Экстракция топлив. Некоторые разновидности топлив могут быть получены из сока растений, который собирают делая надрезы на коре или стебле живых растений, либо выдавливая под прессом из только что срезанных побегов.

Развитие биоэнергетики невозможно без соответствующей оценки биотопливного потенциала сельскохозяйственных культур, учета теплоты их сгорания и урожайности. Так, одни виды сельскохозяйственных культур могут давать урожаи несколько раз за сезон, другие – лиш раз в несколько лет. Особое значение в биоэнергетике имеет возможность получение топлива благодаря продуктам жизнедеятельности растений, урожай которых можно использовать для производства биотоплива с минимальной переработкой. К ним можно отнести семена (подсолнечника), орехи (пальмовое масло), плоды (оливки), листья (эвкалипт), корни, стволы, сок растений (каучук).

Состав биомассы в значительной степени зависит от её происхождения, но, как правило, она содержит разного рода органические и неорганические соединения при довольно значительной составляющей части влаги. Уровень содержания внутриклеточной и межклеточной воды в большинстве видов растений составляет 50% их массы, а у водорослей и того более – 90 %. Даже после завершения воздушной сушки содержание влаги в растениях остается не меньшим 10-20 %. В процессе преобразования биомассы в углекислый газ и воду выделяется порядка 450 кДж энергии на моль углерода. Именно наличии значительного количества влаги часто стает причиной значительных потерь тепловой энергии (испарение воды требует 2,3 МДж/кг). Влага снижает эффективность и экономичность использования растительного материала в качестве топлива.

Уровень содержания минеральных веществ в биомассе зависит не только от места произрастания растений, но уровня загрязненности почвы этих территорий. Кремниевые и иные нерастворимые в воде неорганические соединения являются причиной уменьшение теплосодержания биомассы, растворимые же ионизированные соединения наоборот являються катализаторами в процессах газификации и горения.

Хотелось бы обратить внимание читателя на то, что выход энергии, получаемой в результате сжигания растительного продукта, может часто оказываться меньшим, затрачиваемого на его производство. Иногда даже получается, что проведение подобных технологических процессом в конечном итоге оказывается полностью бесполезным с экономической точки зрения. Однако стоит брать во внимание, что в большинстве случает подобный перерасход энергии связан с процессом машинной переработки растительного сырья, поэтому в значительной степени он может компенсироваться благодаря дополнительному подключению энергии, образуемой при утилизации производственных отходов (например, соломы, жмыхи сахарного тросика, коры деревьев).

Тепло сжигания биомассы используется не только для приготовления пищи, обогрева жилища, но производства электроэнергии. Наиболее выгодно использовать для производства электроэнергии высокотемпературное тепло. Эффективность получения электрической энергии из биомассы довольно низка по причине преобразования в неё только доли тепла, однако довольно часто благодаря подаче электроэнергии такого рода в сеть удается добиться оптимизации производства тепла для промышленных нужд.