Читать книгу Биоэнергетика. Мир и Россия. Биогаз: Теория и практика - Евгений Панцхава - Страница 7

Древесина является типичным источником биомассы.

Объем производства биомассы в мире составляет 146 млрд. тонн в год, состоящий в основном из диких растений. Энергию биомассы получают из шести различных источников биоэнергии: бытовых отходов, древесины, энергетических растений, отходов агропромышленных комплексов, свалочного газа, и алкогольного топлива.

Биомасса может быть преобразован в другие полезные формы энергии: газ метан или транспортные топлива – этанол, бутанол, биодизель и биоуглеводороды.

Широкие перспективы для рентабельного производства различных видов энергии и топлива открывает использование для этих целей пресных и морских водорослей.

Энергия созданная путем сжигания биомассы (дров), также известна как dendrothermal.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ БИОМАССЫ.

Химический состав биомассы может различаться в зависимости от ее вида. Обычно растения состоят из 25 % лигнина и 75 % углеводов. К наиболее важным категориям углеводов можно отнести целлюлозу. Лигниновая фракция состоит из молекул не углеводного (производные фенолов) типа.

Рис. 2–1. ТЭЦ в городе Мец, Франция.45MW котел использует биомассу отходов древесины в качестве источника энергии. [2-14].

ПРОЦЕСС ОБРАЗОВАНИЯ БИОМАССЫ [2–2].

Двуокись углерода из атмосферы и вода посредством фотосинтеза (квантов световой энергии) образуют "строительные блоки" биомассы. Таким образом, солнечная энергия, сохраняется в химической форме в безмассовой структуре. При окислении биомассы (сжигание) кислородом атмосферы вновь образуется двуокись углерода и вода. Процесс циклический, потому что двуокись углерода может вновь участвовать в производстве новой биомассы.

Рис. 2–2. Упрощенный углеродный цикл.[2–2]

В течение тысячелетий люди добывали энергию Солнца, сохраненную в вы-де энергии химических связей, сжигая биомассу в качестве топлива или употребляя ее в пищу и для технических изделий. Ископаемые виды топлива также являются продуктом длительной биологической и термохимической конверсии древнейшей биомассы. В течение миллионов лет на Земле остатки фауны и флоры превращаются в топливо.

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.[2–2].

Ежегодный прирост биомассы на земле составляет 220 млрд. тонн (по св.), что позволяет запасать в виде энергии химических связей до 4 х 10 ²¹ Дж энергии.

Мировое годовое коммерческое использование всей энергии составляет 3.9 х 10 ²⁰ Дж, что в 10 раз меньше запасаемой энергии.

Например, энергетическое содержание производимых в мире сельскохозяйственных отходов составляет 93 х 10¹⁸ Дж./год. Допуская, что только 25 % их реально использовать, отходы могут обеспечить около 7 % мировой энергии.

Городские твердые отходы – ТБО также могут быть важным источником энергии. Только в США их ежегодно образуется около 320 млн. тонн, или по 1 т/год на человека. В развивающихся и слаборазвитых странах эти величины соответственно меньше, но можно полагать, что ежегодно в мире в городах накапливается несколько млрд. тонн ТБО [2-16]. Если считать, что, в среднем, ТБО содержат 60–65 % органических веществ растительного и животного происхождения, то по аналогии с фотосинтетической биомассой ежегодное содержание энергии в ТБО может составлять 4–6 х 10¹⁸дж.

Рис. 2–3. Производство и потребление биомассы в мире в сравнении с общим потреблением энергии. [2–2].

Потребление биомассы растет быстрыми темпами и в развитых странах. В развитых странах биомасса используется весьма интенсивно: Швеция и Австрия обеспечивают 15 % потребности в первичных энергоносителях за счет биомассы.

В ряде развитых и развивающихся стран биомасса используется для получения энергии и топлива. В мире около I млрд. чел. используют древесину как топливо. 1/7 часть используемой энергии обеспечивается за счет биомассы. В таких развивающихся странах, как Эфиопия, Непал, Танзания энергетика на 95 % зависит от использования биомассы, в Нигерена 85, Сомали-, Судане – 85, Бангладеш, Кении -75, Таиланде – 65, Индии.– 55, Боливии – 45, Китае – 35, Бразилии -25, в среднем – на 45 % [2-15].

Приведенные выше цифры весьма оптимистичны, и даже наблюдавшееся в 1985 – 1986 гг. снижение цен на нефть на международном рынке, по мнению крупной фирмы "Аррlied роwer – technology", штат Калифорния, не может оказать влияния на изменение объемов использования биомассы в целях энергетики.

Рис. 2–4. Использование биомассы в качестве источника энергии в мире

Рис. 2–5. Распределение биомассы в мире (Зеленый цвет – биомасса) [2–2].

Интерес к использованию биомассы как источника энергии вызван следующими положительными обстоятельствами: I) биомасса постоянно возобновляется; 2) энергия, запасенная в биомассе, может храниться и использоваться в течение длительного времени; 3) она конвертируется в различные виды топлива; 4) к настоящему времени разработано и создано значительное число биоэнергетических технологий, пригодных к использованию; 5) имеются реальные перспективы в развитии этой отрасли; 6) широкое вовлечение в энергетику различных видов органических отходов; 7) в ряде регионов биотопливо является более экономически выгодным или основным видом энергии; 8) биоэнергетика является источником экологически чистой энергии, не образуются вредные газообразные оксиды серы, не меняется баланс углекислого газа в биосфере. [2-16].

Однако эта новая отрасль энергетики имеет и свои негативные стороны: I) для производства энергетической биомассы нужны земельные площади; 2) производство биомассы требует воды, удобрений и т. д.; 3) стоимость биоэнергии, колеблется в широких пределах и в ряде случаев намного превышает стоимость традиционных источников энергии; 4) биомассу экономически выгодно использовать только локально; 5} значительная часть биомассы содержит более 50 % воды, что удорожает технологии ее переработки в топливо и энергию; 6) продуктивность биомассы зависит от климата и агроусловий; 7) некоторые виды биомассы сезонны; 8) фотосинтез имеет малый КПД; 9) некоторые технологии конверсии биомассы в топливо пока неэффективны; 10) производство биомассы требует изменения сельскохозяйственной и лесоводческой практики; II) биомассу сложнее хранить, чем нефть или природный газ.[2-16].

Количество и виды топлива, получаемого из биомассы, зависят не только от общих объемов воспроизводимой биомассы, но и от качества биомассы: влажности, состава органических веществ, физических особенностей и т. д.

В ближайшие годы основным сырьем для производства энергии и топлива методами биоэнергетической технологии будут служить разнообразные органические отходы. В развитых странах в год на одного человека накапливается до 5 т органических отходов по сухому веществу.

С дальнейшей интенсификацией производства и урбанизацией происходит концентрация отходов. Это, с одной стороны, требует принятия неотложных мер для их утилизации с целью обезвреживания и охраны окружающей среды, с другой – применения прогрессивных, высокоэкономичных технологий их переработки с возможным вторичным использованием, в частности, для получения энергии, органоминеральных удобрений и др.

Как отмечалось выше, биомасса будет трансформироваться в топливо или энергию методами биологической и термохимической конверсии.

Целесообразность использования биомассы в качестве источника энергии определяется ее энергоемкостью и содержанием в ней питательных веществ и золы. В органическом веществе тканей большинства растений содержится 46–48 % углерода, а у водорослей с высоким содержанием жира и, следовательно, с повышенной энергоемкостью оно достигает 54 %.

Рис. 2–6. Целесообразность использования биомассы [2–2].

Вместе с тем наземные растения, как правило, содержат около 5 % золы, в то время как в водных растениях известковых почв количество золы составляет 25 %, 50 % для некоторых видов водорослей (Chard) и 90 % для коралловых полипов (Corallinaceae).

Хотя энергоемкость некоторых водорослей значительно выше энергоемкости наземных растений, однако вследствие относительно высокого содержания золы количество энергии в макрофитах на сухую массу приблизительно такое же, как у наземных растений. При исследовании 11 видов сосудистых водных растений было установлено, что их теплота сгорания составляет 16 353-19058 кДж/г сухой массы. Результаты изучения тканей пяти видов растений из заболоченных земель показали, что содержание золы колеблется от 5,9 % в тростнике обычном (Phragmites communis) до 15,6 % в хвоще речном (Equisetum fluviatibe) при среднем содержании 8,5 % на сухую массу. При этом концентрация азота находилась в пределах 1,2–2,1 % на сухую массу, а соотношение углерода и азота от 20:1 до 30:1.[2–2].

Водорослевые культуры могут быть эффективным источником энергетического сырья только при таком методе сбора урожая, который исключает использование больших площадей и расходование больших количеств воды и питательных веществ. В некоторых случаях питательные вещества могут быть получены из окислительных прудов, предназначенных для обработки культивируемых растений, а водоемами могут служить мелкие, аэрируемые пруды с большим расходом или с рециркуляционными системами. В таких специализированных системах скорость производства биомассы в небольших масштабах может достигать 60 г/м2 сухой массы в сутки.[2–2].

Заболоченные земли с полупогруженными макрофитами характеризуются высокой продуктивностью (до 600 г/м2 сухой массы в год) и относительно большим выходом биомассы. Однако такие земли, как правило, представляют собой относительно небольшие изолированные участки, не говоря уже о том, что, как и для всех растительных источников биомассы, скорость производства биомассы водорослей зависит от времени года. Исключение, по-видимому, составляют районы вдоль побережья Мексиканского залива, где рост водорослей происходит в течение всего года, хотя и очень медленный зимой. [2–2].

Рис. 2–7. Мировой спрос на первичную энергию по источникам,2005 г [2-17].