Энергетические способы переработки биомассы

Биомасса как источник энергии

Пост опубликован: 7 января, 2021

Биомасса использовалась как источник энергии с самого начала человечества. Сбор дров, хвороста или соломы для отопления с целью «производства» тепловой энергии использовался столетия назад. Современное использование биомассы в энергетических целях, в основном ориентировано на получение материала из специально созданных плантаций видов с лучшими энергетическими параметрами и использование любых отходов лесной или сельскохозяйственной промышленности.

Биомасса является наименее капиталоемким источником зеленой энергии. Она формируется постоянно повсюду на Земле и является практически самосуществующим процессом. Леса, луга, океаны — это места, где постоянно «производится» биомасса. Чтобы использовать ее в энергетических целях, необходимо провести определенные мероприятия, направленные на интенсификацию производства: удобрение, орошение или защиту от вредителей.

Мировые ресурсы биомассы оцениваются в 44 * 1010 ЭДж, но используется только 1/6 этой величины. В настоящее время доля энергии, получаемой из биомассы, составляет 15% мирового потребления. Эта доля больше в развивающихся странах, где она составляет 38% от общего производства энергии.

В мире большая часть электроэнергии из биомассы вырабатывается в Скандинавии, Австрии и Англии, где ежегодно получают около 100 ТВтч энергии.Производство биомассы во многих странах становится важной отраслью сельского хозяйства — оно позволяет управлять отходами.

Что относится к биомассе

Согласно определению, биомасса — это твердые или жидкие вещества растительного или животного происхождения, которые поддаются биологическому разложению, полученные из продуктов, отходов и остатков сельскохозяйственного и лесного производства, от промышленности, перерабатывающей их продукты, а также доля других биоразлагаемых отходов.

Следующие формы биомассы используются в энергетических целях:

• сельскохозяйственные отходы — солома зерновых, кукурузная солома, сено, отходы масличных и бобовых культур;
• отходы лесной промышленности — древесина, отходы деревопереработки, кора, опилки, щепа и их переработанные формы (гранулы);
• урожайность энергетических плантаций — ива корзиночная, мальва Вирджиния, тополя, некоторые виды трав, топинамбур, мискантус, тростник и другие;
• органические отходы — отстой сточных вод, жидкий навоз, макулатура;
• биотопливо — растительные масла, биоэтанол, биодизель;
• биогаз — из жидкого навоза, осадков сточных вод, свалок.

Биомасса — условия эксплуатации

Основным параметром, определяющим эффективность производства энергии из биомассы, является доступность ее ресурсов. По данным, в ЕС потенциал биомассы, которая может быть использована в энергетических целях, с учетом только остатков лесного производства, составляет до 70 миллионов м3. Еще одним важным источником биомассы являются упомянутые энергетические плантации. Ежегодно с квадратного метра энергетических плантаций можно получить от 15 до 45 кВтч энергии. Эти растения можно выращивать на бедных и деградированных почвах.

Биомасса — технологии и применение

Биомассу можно использовать в энергетике тремя основными способами:

1. прямое сжигание в котлах (солома, дрова, гранулы, щепа)
2. совместное сжигание с традиционными энергоносителями (мазут, уголь, газ)
3. сжигание продуктов переработки биомассы — ферментации или этерификации (биогаз, биодизель, метанол, этанол)

Энергетические ресурсы биомассы можно разделить на две группы:

• твердофазные энергоносители, пригодные для сжигания, пиролиза и парокислородной газификации в смесь оксида и диоксида углерода, водорода и метана. Этот газ можно преобразовать в электричество и тепло по соответствующим технологиям.
• компоненты биомассы превращаются в жидкое топливо и биогаз, который представляет собой смесь 60% об. метан и 40% CO2.

Технологии переработки биомассы

1. Пиролиз — это наиболее распространенный метод получения энергии из биомассы (90% мирового производства энергии из биомассы приходится на использование этой технологии), который используется как для получения тепла, так и электроэнергии. Котельные установки для сжигания подходят для переработки различных видов биомассы, в основном древесины, щепы, опилок и соломы. Процесс, проводимый при температуре выше 600 С и без доступа воздуха, на выходе которого получается жидкое биотопливо. Лучшим сырьем для процесса пиролиза является древесина, но поскольку эта технология находится только в начале своего развития, можно предположить, что любой тип биомассы может быть преобразован в процессе пиролиза.
2. Газификация — это процесс термохимического преобразования, который отличается от сжигания тем, что продуктом процесса является не тепло, а газ, который после сгорания обеспечивает желаемую тепловую энергию. Газ также можно использовать в специальных турбинах для производства электроэнергии. Преимущество газификации — высокая эффективность процесса, достигающая 50%.
3. Когенерация — это процесс одновременной выработки тепла и электроэнергии. В системах когенерации достигаются меньшие выбросы загрязняющих веществ.
4. Биохимические процессы — некоторые формы биомассы, содержащие большое количество воды, используются в процессе ферментации, где продуктом разложения биомассы является спирт, используемый для производства биотоплива. Также используются процессы ферментации метана, продуктом которого является биогаз (смесь метана и углекислого газа). В энергетических целях в процессе ферментации используются навоз животных, отходы пищевой промышленности, бытовые отходы на свалках и отстой сточных вод.

Эффективность биомассы

Теплотворная способность биомассы в два раза ниже, чем у угля, предполагается, что 1Mg каменного угля равен 2Mg сухой биомассы в энергетическом выражении. Теплотворная способность соломы или древесины колеблется в пределах 10-14 МДж / кг, а каменного угля — 25 МДж / кг [9]. Прямое сжигание биомассы в паровых котлах достигает КПД около 70%. Дальнейшее преобразование в электричество в паровом цикле имеет КПД 20%.

Источник

Как устроено производство биотоплива, и какие проблемы оно решает

Что такое биотопливо

Биологическое топливо — это горючее растительного или животного происхождения. Предполагается, что оно заменит традиционные виды топлива из исчерпаемых ресурсов на те, которые производятся из возобновляемого сырья.

Например, к биотопливу можно отнести обычные дрова или рапсовое масло. Однако дизель и бензин вытеснили эти виды топлива, так как они дешевле, а массовая автомобилизация требовала больших объемов топлива.

Почему люди вновь вернулись к биотопливу? Первая причина — климатический кризис, который усугубляется выбросами парниковых газов от использования ископаемого топлива. На транспорт приходится практически четверть от всей эмиссии углекислого газа, связанной с производством энергии. С 1970 года объем выбросов парниковых газов в транспортном секторе вырос вдвое, из которых 80% приходится на дорожный транспорт.

Вторая причина — поиск возобновляемых источников энергии, так как запасы нефти и угля вскоре могут полностью закончится. Сюда же можно добавить и скачки цен на углеводороды.

Виды биотоплива

Твердое биотопливо

Самый типичный и древний вид твердого биотоплива — дрова. Однако сейчас в чистом виде и в крупных масштабах их уже почти не используют. Наиболее ходовым твердым видом биотоплива стали пеллеты, получаемые из древесных опилок или коры, соломы, оливковых косточек, ореховой скорлупы или шелухи семечек подсолнечника. Также пеллеты делают из навоза крупного рогатого скота.

Пеллеты заменяют уголь, дрова и солярку. При сгорании они не выделяют вредных веществ и практически не дымят (в отличие от угля и дизеля). Кроме того, они более энергоэффективны, чем обычные дрова. Плюс пеллетов также в минимальном содержании золы, что снижает потребность в обслуживании печей и котлов. Кроме того, они имеют самую низкую цену по сравнению с другими видами биотоплива.

Жидкое биотопливо

Биоэтанол — наиболее популярное и массовое жидкое биотопливо. Его получают путем ферментации крахмала или сахара. Бразилия и США входят в число лидеров по производству биоэтанола. В США биотопливо на основе этанола производят из кукурузы и обычно смешивают с бензином для получения гибридного топлива. В целом в США на биотопливо приходится 5% от всего энергопотребления. В Бразилии биотопливо на основе этанола делают из сахарного тростника, а в Англии даже производят из сахарной свеклы.

Биодизель — второе по популярности жидкое биотопливо. Биодизель делают в основном из масличных растений, таких как соя или масличная пальма, и в меньшей степени из других масляных продуктов, например, отходов кулинарного жира после жарки во фритюре. Биодизель используется в дизельных двигателях и обычно смешивается с нефтяным дизельным топливом в различных пропорциях.

Биобутанол — четырехуглеродный спирт, который также относится к биотопливу. Его делают из того же сырья, что и этанол. Преимущества биобутанола по сравнению с биоэтанолом заключаются в том, что биобутанол не смешивается с водой, имеет более высокое содержание энергии и более низкое давление паров, что означает более низкую летучесть в результате испарения.

Диметиловый эфир. Его можно получить из биомассы, но в промышленных масштабах исходным сырьем для него остается природный газ. Плюс такого топлива в том, что его энергоэффективность практически равна дизельному топливу, однако плотность энергии у диметилового эфира вдвое ниже, чем у дизельного топлива, поэтому для него требуется топливный бак в два раза больше. К тому же для транспортных средств нужна специально разработанная система для работы двигателя на диметиловом эфире.

Сейчас инженеры активно разрабатывают новое поколение жидкого биотоплива, полученного с помощью водорослей. Водоросли выращивают в больших бассейнах или на фермах, они превращают солнечный свет в энергию и хранят ее в виде масла. Масло извлекается механически (при прессовке биомассы) или с помощью химических растворителей, которые разрушают стенки клеток. Дальнейшая переработка и очистка дает биотопливо, подходящее для использования в качестве альтернативы традиционным видам топлива.

Газообразное биотопливо

Биогаз — это газ, состоящий в основном из метана и углекислого газа в различных пропорциях в зависимости от состава органического вещества, из которого он был получен. Основными источниками биогаза являются отходы животноводства и сельского хозяйства, сточные воды и органика из бытовых отходов. Биогаз образуется в результате процессов биологического разложения без доступа кислорода (анаэробное сбраживание).

Биоводород — аналог обычного водорода, который получают из биомассы. Термохимический способ представляет собой нагрев исходного сырья без доступа кислорода до высоких температур, например, древесных отходов, при котором выделяется водород и другие попутные газы. При биохимическом способе получения биоводорода в биомассу добавляют специальные микроорганизмы, которые ее разлагаются с выделением водорода.

Плюсы и минусы биотоплива

Преимущества:

1. Возобновляемость ресурса. Ископаемое топливо — это иссякаемый источник энергии, который со временем закончится. Поскольку биотопливо производится из растительных веществ, оно теоретически является возобновляемым.
2. Снижение негативного влияния на окружающую среду. При сжигании биотоплива количество углекислого газа снижается до 65%, что сокращает вклад отрасли в изменение климата. Кроме того, биоэтанол и биодизель содержат меньшие концентраций таких химических веществ как хлор и сера. Это означает, что биотопливо помогает снизить выбросы этих загрязнителей в атмосферу.
3. Экономическая безопасность. Биотопливо можно производить на месте, создавая рабочие места в том же регионе, где оно будет потребляться, тем самым сокращая транспортные расходы и выбросы. Кроме того, производство собственного биотоплива снижает зависимость страны от поставок нефти из других государств.
4. Долговечность двигателя. Поскольку биотопливо содержит меньше примесей в сравнении с традиционными видами топлива, то и двигатели будут загрязняться меньше и реже выходить из строя.

Недостатки:

1. Потеря лесов. Производство биотоплива требует огромных территорий под выращивание сырья. Это может привести к массовым вырубкам лесов, чтобы освободить площади.
2. Продовольственный кризис. Производство биотоплива может повлиять на экономику, связанную с ценами и доступностью продуктов питания, так как пахотные земли будут отводиться под культуры для биотоплива, а не для пищи.
3. Деградация почвы. Выращивание одних и тех же культур (монокультур) приведет к истощению почвы и росту числа вредителей. Для борьбы с ними будут использовать химические пестициды, как следствие — снижение плодородия почвы и потеря биоразнообразия.
4. Использование ресурсов. Количество энергии, производимой с помощью биотоплива, значительно меньше, чем от сжигания ископаемого топлива, а это означает, что для удовлетворения энергетических потребностей того же количества людей требуется гораздо больше земли, воды и удобрений.
5. Энергетические затраты. При оценке экономических выгод от биотоплива необходимо учитывать энергию, необходимую для его производства. Например, в процессе выращивания кукурузы для этанола используются ископаемые виды топлива при производстве удобрений, транспортировке кукурузы и перегонке этанола. В этом отношении этанол, полученный из кукурузы, дает относительно небольшой выигрыш в энергии.

Где используется биотопливо

Пока речь в основном идет о потреблении его в домашних условиях. Обычно твердые виды биотоплива используют в бедных странах, где нет других источников энергии, для приготовления пищи, стирки и уборки или для обогрева самого дома. 80% всего потребляемого сегодня биотоплива используется как раз для этих целей. 18% биотоплива задействовано в промышленности как источник энергии и смазочных материалов. Биотопливо часто упоминают в качестве альтернативы бензину для автомобилей, но сейчас только 2% используется в транспортной отрасли.

Перспективы биотоплива

На сегодняшний день из развитых стран США являются крупнейшим производителем биотоплива, на них приходится почти 40% мирового рынка. Всего в 2019 году мировое производство биотоплива превысило 1,8 тыс. баррелей, доля на рынке которого составила $136 млрд. Пока это стало рекордом. Из-за пандемии коронавируса мировой рынок биотоплива упал примерно на 8% впервые за 20 лет.

У биотоплива есть шанс занять только часть рынка, поскольку его потенциал ограничивают искусственно. Так, в ЕС действуют правила, запрещающие использовать более 7% продовольственных культур в качестве сырья для биотоплива. В краткосрочной перспективе биотопливо не требует замены существующей инфраструктуры и двигателей, но маловероятно, что весь энергетический комплекс сможет перейти исключительно на него.

Источник