Биомасса – древнейшее топливо человечества

Наука о топливе — от древности до наших дней

Никто не знает, когда человек впервые стал использовать огонь, но ясно, что он использовал какой-то природный источник пламени. Это могло быть пламя, созданное лавой вулкана, загоревшееся от удара молнии дерево или трава. Огонь был сохранен, и люди стали поддерживать его, поскольку зажигать сами еще не умели.

Примерно 80 тысяч лет назад у огня появилась специализация — освещение. Сначала появились лучины, но настоящей энергетической революцией стало создание плошки с примитивным фитилем, в которой сгорал жир. Она не давала много тепла, зато давала свет. И главное — для нее требовалось другое топливо. Набор энергоносителей стал расширяться.

Период зарождения цивилизации в Месопотамии между реками Тигр и Евфрат характеризуется и расширением представлений о видах топлива. Произошло знакомство с нефтью и природным газом, хотя практическое применение нашел в первую очередь битум.

В эпоху античной Греции и уж тем более имперского Рима ученые уже знали многое о различных видах топлива и о трансформации энергии из одного состояния в другое. Для отопления стал применяться каменный уголь, который был впервые описан Теофрастом примерно в 315 году до нашей эры. Широкое применение каменного угля в то время началось и в Китае.

Эпоха Средневековья отбросила науку назад. Потребовалось дождаться Возрождения, чтобы пытливый ум снова стал собирать крупицы знаний. Сказывалась и информация, полученная извне. Например, Марко Поло, описывая свое путешествие в Китай в 1310 году, сообщал о выгодах использования каменного угля. К этому времени относится и закладка первых шахт в Англии и Германии. Горное дело стало получать особое, топливное, направление.

К концу XVII века начало чувствоваться сокращение запасов промышленной древесины. Это подстегнуло инженерные и научные изыскания в области теплоэнергетики. В первой половине XVIII века требовались уже строгие инженерные расчеты и понимание природы тепла. Сначала появился термометр Фаренгейта, в котором использовался либо спирт, либо ртуть, в 1730 году свой термометр предложил Реомюр, приняв за 1 градус расширение спирта на одну тысячную долю своего объема. В 1742 году свою шкалу разработал Цельсий, взяв за основу градуировки такие точки, как плавление льда и кипение воды. Изучение природы тепла получило свои надежные инструменты.

Величайшее открытие сделал в середине XVIII века Джозеф Блэк, который обнаружил, что одинаковая масса ртути нагревается на одном и том же пламени гораздо быстрее, чем вода. Он открыл удельную теплоемкость веществ, выяснив, что, хотя масса ртути в 13 с половиной раз больше, чем воды, ее удельная теплоемкость примерно в 27 раз меньше. Это открытие повлекло в будущем целое направление инженерной мысли, связанное с теорией теплообмена. Наши котлы и радиаторы автомашин, утеплительные материалы и многое другое — все это связано с учетом удельной теплоемкости.

XIX век стал настоящим «научным взрывом», ощущаемым и поныне. В 1824 году фундаментальный прорыв совершил француз Сади Карно, своим трудом «Размышления о движущей силе огня» заложив начало термодинамики. Карно взялся за разработку принципов этой науки, когда даже природа теплоты не была до конца понятна. Но его подход позволял проектировать машины и понимать параметры их работы еще до того, как они были построены. Все, что мы видим сегодня — двигатели внутреннего сгорания и турбины, ракетные двигатели и водогрейные котлы, — все это стало возможным после труда Карно.

Во второй половине XIX века началось время электричества. Чтобы его получить, стали строиться тепловые электростанции. Вопрос качества топлива стал крайне актуальным. Расчет машин, их эффективности сделался крайне сложным. Термодинамика, теория сопротивления материалов, металлургия — все это зиждется на мощнейшем математическом аппарате. Можно сказать, что век пара подтолкнул развитие точных наук.

Мы сегодня даже не думаем о том, какой огромный путь проделала наука, чтобы научиться получать продукты с заданными свойствами. Казалось бы, такая простая вещь, как природный газ, но он должен прийти в ваш дом уже стандартизированным веществом со строго определенными свойствами, термическая эффективность которого будет соответствовать стандартным газовым горелкам. Турбины самолетов работают на керосине, мы заливаем в баки наших машин высокооктановый бензин, электростанции используют газ, мазут или уголь, чтобы дать нам энергию для наших гаджетов. Мы делаем наши машины все более экономичными и эффективными, совершенствуя и наше топливо, все более дифференцируя его по свойствам.

Новое поле деятельности сегодня — разработка систем прямого преобразования скрытой энергии органического топлива в электрическую энергию. Это новый вызов науке, поле новых решений, неизбежных неудач и выдающихся успехов. Все еще только начинается, и у новых поколений теплофизиков впереди еще много работы.

Биотопливо

ВЛК — крупнейший в России завод по производству древесных пеллет мощностью до 1 млн тонн в год.

Биотопливо (англ. Biofuel) — топливо из растительного или животного сырья, из продуктов жизнедеятельности организмов или органических промышленных отходов.

Выделяют три вида биотоплива:

  • жидкое (биоэтанол, метанол, биодизель);
  • твёрдое биотопливо (дрова, брикеты, топливные гранулы, щепа, солома, лузга);
  • газообразное (синтез-газ, биогаз, водород).

Биотопливо может быть углеродно-нейтральным [1] , поскольку все растительные культуры в определенной степени изолируют углерод из воздуха. Некоторые из них являются углеродно-нейтральными или даже углеродно-отрицательными, особенно многолетние культуры.

Поколения биотоплива

Растительное сырьё разделяют на поколения.

Сырьём первого поколения являются сельскохозяйственные культуры с высоким содержанием жиров, крахмала, сахаров. Растительные жиры перерабатываются в биодизель, а крахмалы и сахара — в этанол. С учётом непрямых изменений в землепользовании такое сырьё часто наносит больший ущерб климату, чем тот, которого удаётся избежать за счёт отказа от сжигания ископаемого топлива. Кроме того, его изъятие с рынка прямо влияет на цену пищевых продуктов. Почти всё современное транспортное биотопливо производится из сырья первого поколения, использование сырья второго поколения находится на ранних стадиях коммерциализации либо в процессе исследований.

Непищевые остатки культивируемых растений, траву и древесину (пеллеты) называют вторым поколением сырья. Его получение гораздо менее затратно, чем у культур первого поколения. Такое сырьё содержит целлюлозу и лигнин. Его можно прямо сжигать (как это традиционно делали с дровами), газифицировать (получая горючие газы), осуществлять пиролиз. Основные недостатки второго поколения сырья — занимаемые земельные ресурсы и относительно невысокая отдача с единицы площади.

Третье поколение сырья — водоросли. Не требуют земельных ресурсов, могут иметь большую концентрацию биомассы и высокую скорость воспроизводства. Кроме выращивания водорослей в открытых прудах существуют технологии выращивания водорослей в малых биореакторах, расположенных вблизи электростанций. Сбросное тепло ТЭС способно покрыть до 77 % потребностей в тепле, необходимом для выращивания водорослей.

Виды биотоплива

Биотопливо разделяют на твёрдое, жидкое и газообразное.

Твёрдое биотопливо

Дрова — древнейшее топливо, используемое человечеством. В настоящее время в мире для производства дров или биомассы выращивают энергетические леса, состоящие из быстрорастущих пород (тополь, эвкалипт и др.) [2] .

Альтернативной им являются топливные гранулы и брикеты — прессованные изделия из древесных отходов (опилок, щепы, коры, тонкомерной и некондиционной древесины, порубочные остатки при лесозаготовках), соломы, отходов сельского хозяйства (лузги подсолнечника, ореховой скорлупы, навоза, куриного помета) и другой биомассы.

Энергоносители биологического происхождения (главным образом навоз и т. п.) брикетируются, сушатся и сжигаются в каминах жилых домов и топках тепловых электростанций, вырабатывая дешёвое электричество.

Жидкое биотопливо

Биоэтанол — обычный этанол, получаемый в процессе переработки растительного сырья для использования в качестве биотоплива. Биоэтанол относят к биотопливу первого поколения, и производят из биомассы, такой как кукуруза, сахарный тростник или пшеница.

Биоэтанол является формой возобновляемой энергии, которая может быть получена из сельскохозяйственного сырья. Существует множество споров о том, насколько эффективен биоэтанол в качестве замены бензина. Опасения по поводу его производства и использования связаны, в первую очередь, с повышением цен на продовольствие из-за потребности в большом количестве пахотных земель, необходимых для выращивания сельскохозяйственных культур, а также объемов загрязнения при производстве биоэтанола, особенно из кукурузы.

Промышленное культивирование и биотехнологическая конверсия морского фитопланктона в настоящее время не достигли стадии коммерциализации, но рассматриваются как одно из перспективных направлений в области получения Биометанола. Потенциальными преимуществами использования микроскопических водорослей являются следующие:

  • высокая продуктивность фитопланктона (до 100 т/га в год);
  • в производстве не используются ни плодородные почвы, ни пресная вода;
  • процесс не конкурирует с сельскохозяйственным производством;
  • энергоотдача процесса достигает 14 на стадии получения метана и 7 на стадии получения метанола.

Биобутанол (C4H10O) — бутиловый спирт, который производился в начале XX века с использованием бактерии Clostridia acetobutylicum, а с средины века — из нефтепродуктов. Сырьём для производства биобутанола могут быть сахарный тростник, свёкла, кукуруза, пшеница, маниока, а в будущем и целлюлоза.

Диметиловый эфир (C2H6O) может производиться как из угля, природного газа, так и из биомассы. Большое количество диметилового эфира производится из отходов целлюлозно-бумажного производства. Диметиловый эфир — экологически чистое топливо без содержания серы, содержание оксидов азота в выхлопных газах на 90 % меньше, чем у бензина.

Биодизель — топливо на основе жиров животного, растительного и микробного происхождения, а также продуктов их этерификации. Для получения биодизельного топлива используются растительные или животные жиры. Сырьём могут быть рапсовое, соевое, пальмовое, кокосовое масло, или любого другого масла-сырца, а также отходы пищевой промышленности.

Газообразное топливо

Биогаз — продукт сбраживания органических отходов (биомассы), представляющий смесь метана и углекислого газа. Разложение биомассы происходит под воздействием бактерий класса метаногенов.

Биоводород — водород, полученный из биомассы термохимическим, биохимическим или другим способом, например водорослями. Метан синтезируется после очистки от всевозможных примесей так называемого синтетического природного газа из углеродосодержащего твёрдого топлива, такого как уголь или древесина. Этот экзотермический процесс происходит при температуре от 300 до 450 °C и давлении 1−5 бар в присутствии катализатора. В мире уже имеется несколько введённых в эксплуатацию установок получения метана из древесных отходов.

Биомасса

Биома́сса (биоматерия) — совокупная масса растительных и животных организмов, присутствующих в биогеоценозе, определённого размера или уровня.

Биомасса Земли составляет 2423 миллиарда тонн [1] . Люди дают около 350 миллионов тонн биомассы в живом весе или около 100 миллионов тонн в пересчете на сухую биомассу — пренебрежимо малое количество в сравнении со всей биомассой планеты.

Содержание

Состав биомассы Земли

Организмы континентальной части

  • Зеленые растения — 2400 млрд тонн (99,2 %)
  • Животные и микроорганизмы — 20 млрд тонн (0,8 %)
  • Зеленые растения — 0,2 млрд тонн (6,3 %)
  • Животные и микроорганизмы — 3 млрд тонн (93,7 %)

Таким образом, большая часть биомассы Земли сосредоточена в лесах Земли. На суше преобладает масса растений, в океанах масса животных и микроорганизмов. Однако скорость прироста биомассы (оборот) намного больше в океанах.

Читайте также:  Дизельные генераторы для дома: как выбрать подходящий?

Оборот биомассы

Если рассмотреть прирост биомассы к уже имеющей массе, то получаются такие показатели:

  • Древесная растительность лесов — 1,8 %
  • Растительность лугов, степей, пашни — 67 %
  • Комплекс растений озёр и рек — 14 %
  • Морской фитопланктон — 15 %

Интенсивное деление микроскопических клеток фитопланктона, быстрый их рост и кратковременность существования способствуют быстрому обороту фитомассы океана, который в среднем происходит за 1—3 суток, тогда как полное обновление растительности суши осуществляется за 50 лет и более. Поэтому несмотря на небольшую величину фитомассы океана, образуемая ею годовая суммарная продукция сопоставима с продукцией растений суши. Небольшой вес растений океанов связан с тем, что они за несколько суток поедаются животными и микроорганизмами, но также за несколько суток восстанавливаются.

Ежегодно в биосфере в процессе фотосинтеза образуется около 150 млрд тонн сухого органического вещества. В континентальной части биосферы самыми продуктивными являются тропические и субтропические леса, в океанической — эстуарии (расширяющиеся в сторону моря устья рек) и рифы, а также зоны подъема глубинных вод — апвеллинга. Низкая продуктивность растений характерна для открытого океана, пустынь и тундры.

Применение биомассы в энергетике

Биомасса — шестой по запасам из доступных на настоящий момент источников энергии после горючих сланцев, урана, угля, нефти и природного газа. Приближённо полная биологическая масса земли оценивается в 2,4·10 12 тонн.

Биомасса — пятый по производительности возобновимый источник энергии после прямой солнечной, ветровой, гидро- и геотермальной энергии. Ежегодно на земле образуется около 170 млрд тонн первичной биологической массы и приблизительно тот же объём разрушается.

Биомасса — крупнейший по использованию в мировом хозяйстве возобновляемый ресурс (более 500 млн тонн у. т. в год)

Основная часть топливной биомассы (до 80 %), это прежде всего древесина, употребляется для обогрева жилищ и приготовления пищи в развивающихся странах.

Примеры

В 2002 году в электроэнергетике США было установлено 9733 МВт генерирующих мощностей, работающих на биомассе. Из них 5886 МВт работали на отходах лесного и сельского хозяйства, 3308 МВт работали на твёрдых муниципальных отходах, 539 МВт на других источниках.

В 2003 году 4 % всей энергии в США производилось из биомассы.

В 2004 году во всём мире производили электричество из биомассы электростанции общей мощностью 35 000 МВт.

В настоящее время европейские страны проводят эксперименты по выращиванию энергетических лесов для производства биомассы. На больших плантациях выращиваются быстрорастущие деревья: тополь, акация, эвкалипт и другие. Испытано около 20 видов растений. Плантации могут быть комбинированными, когда между рядами деревьев выращиваются другие сельскохозяйственные культуры, например, тополь сочетается с ячменём. Период ротации энергетического леса — 6—7 лет.

Методом пиролиза из биомассы получают жидкое биотопливо, метан, водород. Возможно использование различного сырья: отходы древесины, солома, кукурузная шелуха и т. д. Из пшеничной соломы получается до 58 % биотоплива, 18 % угля и 24 % газов.

Распространено применение топливных пеллет — твёрдого топлива из отходов деревообрабатывающих и сельскохозяйственных производств.

Жидкое биотопливо

Из масличных культур при помощи этерификации выделенного растительного масла производится различное дизельное топливо (Биодизель). Проводятся исследования по выращиванию высокопродуктивных плантаций масляных водорослей.

Путём ферментации сахаросодержащих и крахмалсодержащих продуктов (злаки, картофель, сахарная свёкла), и с предварительным гидролизом в случае использования целлюлозосодежащего растительного сырья (древесина, солома, растительные отходы) получают этанол (биоэтанол). Этанол применяется в качестве моторного топлива в чистом виде и в смеси с бензинами, используется для производства этил-трет-бутилового эфира — качественного топлива для бензиновых двигателей, являющегося частично биотопливом в отличие от метил-трет-бутилового эфира.

Газификация биомассы

Из 1 килограмма биомассы можно получить около 2,5 м 3 генераторного газа, основными горючими компонентами которого являются монооксид углерода (CO) и водород (H2). В зависимости от способа проведения процесса газификации и исходного сырья можно получить низкокалорийный (сильно забалластированный) или среднекалорийный генераторный газ.

Из навоза животных методом метанового брожения получают биогаз. Биогаз на 55—75 % состоит из метана и на 25—45 % из СО2. Из тонны навоза крупного рогатого скота (в сухой массе) получается 250—350 кубических метров биогаза. Мировой лидер по количеству действующих установок по производству биогаза — Китай.

Лэндфилл-газ — одна из разновидностей биогаза. Получается на свалках из муниципальных бытовых отходов. В США в 2002 году находилось в эксплуатации 350 заводов по производству лэндфилл-газа, в Европе — 750, всего в мире — 1152, общее количество производимой энергии — 3929 МВт, объём обрабатываемых отходов — 4548 млн тонн.

Ресурсы

Россия ежегодно накапливает до 300 млн тонн в сухом эквиваленте органических отходов: 250 млн тонн в сельскохозяйственном производстве, 50 млн тонн в виде бытового мусора.

США на свободных землях могут ежегодно выращивать 1,3 миллиарда тонн биомассы (Switchgrass — разновидности проса). Из этой биомассы можно получать биотоплива в объёме, эквивалентом 4,5 млн баррелей нефти в день.

Биомасса – древнейшее топливо человечества

Биото́пливо — топливо из биологического сырья, получаемое, как правило, в результате переработки биологических отходов. Существуют также проекты разной степени проработанности, направленные на получение биотоплива из целлюлозы и различного типа органических отходов, но эти технологии находятся в ранней стадии разработки или коммерциализации. Различается жидкое биотопливо (для двигателей внутреннего сгорания, например, этанол, метанол, биодизель), твёрдое биотопливо (дрова, брикеты, топливные гранулы, щепа, солома, лузга) и газообразное (биогаз, водород)

Твердое биотопливо

Дрова — древнейшее топливо, используемое человечеством. В настоящее время в мире для производства дров или биомассы выращивают энергетические леса, состоящие из быстрорастущих пород (тополь, эвкалипт и др.). В России на дрова и биомассу в основном идет балансовая древесина, не подходящая по качеству для производства пиломатериалов.

Топливные гранулы и брикеты — прессованные изделия из древесных отходов (опилок, щепы, коры, тонкомерной и некондиционной древесины, порубочные остатки при лесозаготовках), соломы, отходов сельского хозяйства (лузги подсолнечника, ореховой скорлупы, навоза, куриного помета) и другой биомассы. Древесные топливные гранулы называются пеллеты, они имеют форму цилиндрических или сферических гранул диаметром 8 — 23 мм и длиной 10 — 30 мм. В настоящее время в России производство топливных гранул и брикетов экономически выгодно только при больших объемах

Жидкое биотопливо

1. Биоэтанол

Мировое производство биоэтанола в 2005 составило 36,3 млрд литров, из которых 45 % пришлось на Бразилию и 44,7 % — на США. Этанол в Бразилии производится преимущественно из сахарного тростника, а в США из кукурузы.

В январе 2007 года, в своём ежегодном послании Конгрессу Дж. Буш предложил план «20 за 10». План предлагает сократить потребление бензина на 20 % за 10 лет, что позволит сократить потребление нефти на 10 %. 15 % бензина предполагается заменить биотопливом. 19 декабря 2007 года президент США Дж. Буш подписал закон о Энергетической независимости и безопасности (EISA of 2007). EISA of 2007 предусматривает производство 36 миллиардов галлонов этанола в год к 2022 году. При этом 16 млрд галлонов этанола будет производиться из целлюлозы — не пищевого сырья.

Этанол является менее «энергоплотным» источником энергии чем бензин; пробег машин, работающих на Е85 (смесь 85 % этанола и 15 % бензина; буква «Е» от английского Ethanol), на единицу объёма топлива составляет примерно 75 % от пробега стандартных машин. Обычные машины не могут работать на Е85, хотя двигатели внутреннего сгорания прекрасно работают на Е10 (некоторые источники утверждают, что можно использовать даже Е15). На «настоящем» этаноле могут работать только т. н. «Flex-Fuel» машины («гибкотопливные» машины). Эти автомобили также могут работать на обычном бензине (небольшая добавка этанола всё же требуется) или на произвольной смеси того и другого. Бразилия является лидером в производстве и использовании биоэтанола из сахарного тростника в качестве топлива. Автозаправки в Бразилии предлагают на выбор Е20 (или Е25) под видом обычного бензина, или «acool», азеотроп этанола (96 % С2Н5ОН и 4 % воды; выше концентрацию этанола невозможно получить путём обычной дистилляции). Пользуясь тем, что этанол дешевле бензина, недобросовестные заправщики разбавляют Е20 азеотропом, так что его концентрация может негласно доходить до 40 %. Переделать обычную машину в «flex-fuel» можно, но экономически нецелесообразно.

Критики применения этанола в качестве автомобильного топлива зачастую заявляют, что под плантации тростника часто вырубаются тропические леса Амазонки. Но сахарный тростник не растёт в бассейне Амазонки.

Более серьёзным является то, что при сгорании этанола в выхлопных газах двигателей появляются альдегиды (формальдегид и ацетальдегид), наносящие живым организмам не меньший ущерб, чем ароматические углеводороды [источник не указан 456 дней] .

2. Биометанол

Промышленное культивирование и биотехнологическая конверсия морского фитопланктона рассматривается как одно из наиболее перспективных направлений в области получения биотоплива.

В начале 80-х рядом европейских стран совместно разрабатывался проект, ориентированный на создание промышленных систем с использованием прибрежных пустынных районов. Осуществлению этого проекта помешало общемировое снижение цен на нефть.

Первичное производство биомассы осуществляется путём культивирования фитопланктона в искусственных водоемах, создаваемых на морском побережье.

Вторичные процессы представляют собой метановое брожение биомассы и последующее гидроксилирование метана с получением метанола.

Основными доводами в пользу использования микроскопических водорослей являются следующие:

  • высокая продуктивность фитопланктона (до 100 т/га в год);
  • в производстве не используются ни плодородные почвы, ни пресная вода;
  • процесс не конкурирует с сельскохозяйственным производством;
  • энергоотдача процесса достигает 14 на стадии получения метана и 7 на стадии получения метанола;

С точки зрения получения энергии данная биосистема имеет существенные экономические преимущества по сравнению с другими способами преобразования солнечной энергии.

3. Биобутанол

Бутанол- C4H10O — бутиловый спирт. Бесцветная жидкость с характерным запахом. Широко используется в промышленности. В США ежегодно производится 1,39 млрд литров бутанола приблизительно на $1,4 млрд.

Бутанол начал производиться в начале XX века с использованием бактерии Clostridia acetobutylicum. В 50-х годах из-за падения цен на нефть начал производиться из нефтепродуктов.

Бутанол не обладает коррозионными свойствами, может передаваться по существующей инфраструктуре. Может, но не обязательно должен, смешиваться с традиционными топливами. Энергия бутанола близка к энергии бензина. Бутанол может использоваться в топливных элементах, и как сырьё для производства водорода.

Сырьём для производства биобутанола могут быть сахарный тростник, свекла, кукуруза, пшеница, маниока, а в будущем и целлюлоза. Технология производства биобутанола разработана компанией DuPont Biofuels. Компании Associated British Foods (ABF), BP и DuPont строят в Великобритании завод по производству биобутанола мощностью 20 000 литров в год из различного сырья.

4. Диметиловый эфир

Может производиться как из угля, природного газа, так и из биомассы. Большое количество диметилового эфира производится из отходов целлюлозо-бумажного производства. Сжижается при небольшом давлении.

Читайте также:  Как правильно топить печь дровами Как правильно топить русскую печь

Диметиловый эфир — экологически чистое топливо без содержания серы, содержание оксидов азота в выхлопных газах на 90 % меньше, чем у бензина. Применение диметилового эфира не требует специальных фильтров, но необходима переделка систем питания (установка газобалонного оборудования, корректировка смесеобразования) и зажигания двигателя. Без переделки возможно применение на автомобилях с LPG-двигателями при 30 % содержании в топливе.

В июле 2006 года Национальная Комиссия Развития и Реформ (NDRC) (Китай) приняла стандарт использования диметилового эфира в качестве топлива. Китайское правительство будет поддерживать развитие диметилового эфира, как возможную альтернативу дизельному топливу. В ближайшие 5 лет Китай планирует производить 5-10 млн тонн диметилового эфира в год.

Департамент транспорта и связи Москвы подготовил проект постановления городского правительства «О расширении применения диметилового эфира и других альтернативных видов моторного топлива».

Автомобили с двигателями, работающими на диметиловом эфире разрабатывают KAMAZ, Volvo, Nissan и китайская компания SAIC Motor.

5. Биодизель

Биодизель — топливо на основе жиров животного, растительного и микробного происхождения, а также продуктов их этерификации.

Для получения биодизельного топлива используются растительные или животные жиры. Сырьём могут быть рапсовое, соевое, пальмовое, кокосовое масло, или любого другого масла-сырца, а также отходы пищевой промышленности. Разрабатываются технологии производства биодизеля из водорослей.

Газообразное топливо

1. Биогаз

Биогаз — продукт сбраживания органических отходов (биомассы), представляющий смесь метана и углекислого газа. Разложение биомассы происходит под воздействием бактерий класса метаногенов.

2. Биоводород

Биоводород — водород, полученный из биомассы термохимическим, биохимическим или другим способом, например водорослями.

3. Метан

Метан синтезируется после очистки от всевозможных примесей так называемого синтетического природного газа из углеродосодержащего твердого топлива, такого как уголь или древесина. Этот экзотермический процесс происходит при температуре от 300 до 450 °C и давлении 1−5 бар в присутствии катализатора. В мире уже имеется несколько введенных в эксплуатацию установок получения метана из древесных отходов.

Материал из Википедии – Свободной энциклопедии.

Что такое биомасса?

Биомасса – термин, используемый для описания всего органического вещества, полученного путем фотосинтеза, существующего на поверхности Земли. Он включают в себя всю водную и наземную растительность и деревья, и все отходы живых организмов, такие как твердые бытовые отходы, вещества биологического происхождения (сточные воды), отходы лесного хозяйства, животноводства (навоз), сельскохозяйственные отходы и отдельные виды промышленных отходов. Мировые энергетические рынки полагаются в большой степени на ископаемые виды топлива. Биомасса – единственный энергетический ресурс естественного происхождения, содержащий углерод в количестве, достаточном, чтобы применяться в качестве их замены.

В отличие от ископаемого топлива, биомасса – возобновляемый источник энергии. Требуется относительно короткий период времени, чтобы восстановить энергетический ресурс. Биомасса также – единственный возобновляемый источник энергии, выделяющий углекислый газ при переработке. Однако это компенсируется тем, что биомасса была выращена с помощью поглощения углекислого газа из атмосферы в процессе фотосинтеза. Если ресурс биомассы используется устойчиво, то со временем в цикле переработки биомассы не происходит увеличение выброса углерода.

Способы переработки биомассы

Биомасса может быть конвертирована в тепловую энергию, жидкое, твердое или газообразное топливо и другие химические продукты с помощью различных процессов переработки. Сегодня значительная часть электроэнергии из биомассы вырабатывается путем прямого сжигания. При развитии технологий повышение эффективности будет достигаться за счет сжигания смеси биомассы и угля в котлах и внедрения высокоэффективной газификации, систем комбинированного цикла, систем топливных элементов, а также модульных систем.

Известные биоэнергетические технологии: непосредственное сжигание, совместное сжигание, газификация, пиролиз, анаэробное брожение и ферментация.

1. Прямое сжигание

Это, пожалуй, самый простой способ получения энергии из биомассы. Промышленные объекты способны сжечь много видов топлива на основе биомассы, в том числе дрова, сельскохозяйственные отходы, древесную целлюлозу, твердые бытовые отходы. При сжигании в котлах производится пар, который вращает турбину. Последняя приводит во вращение ротор генератора, вырабатывающего электроэнергию. Из-за потенциального накопления золы, которая засоряет котел, снижая его эффективность и увеличивая затраты, только определенные типы материалов биомассы используются для прямого сжигания.

2. Газификация

Газификация – процесс, воздействия на твердое топливо высокой температуры при ограниченном доступе кислорода для получения газообразного топлива. Таким способом получается смесь газов, таких как окись углерода, углекислый газ, азот, водород и метан. После газ используется для привода газовой турбины. Газификация имеет ряд преимуществ над сжиганием твердого топлива. Важный плюс технологии – один из получаемых газов – метан. Он может быть обработан так же, как природный газ, и использоваться для тех же целей.

Преимущество заключается в том, что при газификации производится топливо без примесей. Следовательно, его сжигание вызывает меньше проблем загрязнения. При определенных условиях можно производить синтез-газ – смесь угарного газа и водорода, который может являться сырьем для производства углеводород (например, метана и метанола) для замены ископаемых видов топлива. Сам водород также потенциальное экологически чистое топливо, которое предположительно может заменить нефть и нефтепродукты в обозримом будущем.

3. Пиролиз

В своей простейшей форме пиролиз представляет собой нагревание биомассы с отводом летучих веществ, в результате чего образуется древесный уголь. Этот процесс преобразует исходный материал в более энергоемкий, так как древесный уголь весит в два раза меньше исходной биомассы, но содержит такое же количество энергии, что делает топливо более транспортабельным. Уголь также горит при значительно более высокой температуре, чем исходная биомасса. Это делает его более полезным для производственных процессов. Более сложные методы пиролиза разработаны недавно для сбора летучих веществ, которые в противном случае теряются в системе. Собранные летучие вещества производят газ, который богат водородом и окисью углерода. Эти соединения синтезируются в метан, метанол и другие углеводороды.

Быстрый пиролиз используется для производства бионефти – горючего топлива. Тепло используется для химического преобразования биомассы в синтетическую нефть, которую легче хранить и транспортировать, чем твердые материалы биомассы. Затем ее сжигают для производства электричества. Пиролиз может также преобразовывать биомассу в феноловое масло – химическое вещество, используемое для изготовления древесных клеев, литьевых пластмасс и изоляционной пены.

4. Анаэробное брожение

Анаэробное брожение биомассы осуществляется за счет анаэробных бактерий. Эти микроорганизмы обычно живут на дне болот или в других местах, где нет воздуха, потребляя мертвое органическое вещество с образованием метана и водорода. Мы можем использовать эти бактерии для работы на нас. Подавая органические вещества, такие как навоз животных или сточные воды, в резервуары, называемые варочными, и добавляя туда бактерий, мы можем собирать выделившейся газ, чтобы использовать его в качестве источника энергии. Этот процесс – очень эффективное средство извлечения полезной электроэнергии из биомассы. Как правило, до двух третей энергии топлива из навоза животных можно восстановить.

Другой способ связан со сбором метана из мусорных свалок. Большая часть бытовых отходов биомассы, таких как пищевые отходы или обрезки травы, собираются на местных свалках. В течение нескольких десятилетий анаэробные бактерии в нижних слоях таких свалок разлагают органическое вещество, выделяя метан. Газ может быть извлечен и использован путем установки верхнего упора из непроницаемого слоя глины и установки перфорированных труб, которые будут собирать газ и выводить его на поверхность.

5. Ферментация

На протяжении многих веков люди использовали дрожжи и другие микроорганизмы для ферментации сахара различных растений в этиловый спирт. Производство топлива из биомассы путем ферментации – это лишь продолжение этого процесса. При этом есть возможность использования более широкого спектра растительного материала от сахарного тростника до древесного волокна. Например, отходы от помола пшеницы на мельницах в Новом Южном Уэльсе применяются для производства этанола путем ферментации. Этанол затем смешивается с дизельным топливом для производства топлива, используемого для заправки грузовых автомобилей и автобусов в Австралии.

Технический прогресс неизбежно улучшит этот метод. Например, ученые в Австралии и США заменили дрожжи генетически сконструированными бактериями в процессе ферментации. Эффективность процесса значительно повысилась. Теперь можно перерабатывать отходы бумаги и другие формы древесного волокна в этанол.

Производство биотоплива

Биомасса превращается в топливо, такое как этанол, метанол, биодизель и добавки для риформинга бензинов. Биотопливо используются в чистом виде или в смеси с бензином.

Этанол – наиболее широко используемое биотопливо. Производится путем ферментации биомассы в процессе, подобном пивоварению.

Сегодня большая часть этанола производится из кукурузы. Он смешивается с бензином для увеличения эффективности транспортного средства и уменьшения загрязнения воздуха.

Метанол из биомассы производится путем газификации. Биомасса превращается в синтез-газ, который перерабатывается в метанол. Большая часть метанола производится из природного газа и используется в качестве растворителя, антифриза или для синтеза других химических веществ. Около 38 процентов используется для транспортировки в виде смеси или в риформинге бензинов.

Биодизельное топливо состоит из масел и жиров, которые содержатся в микроводорослях и других растениях. Им заменяют дизельное топливо или разбавляют его.

Как альтернативные источники энергии помогают получать тепло и электричество

Ухудшение экологии и истощение природных ресурсов заставляет задумываться о том, как получать электричество и тепло из возобновляемых источников.

В этой статье рассказываем, как работает альтернативная энергия и почему многие страны делают выбор в её пользу.

Что такое альтернативная энергия?

Энергия бывает возобновляемой (альтернативной) и невозобновляемой (традиционной).

Альтернативные источники энергии – это обычные природные явления, неисчерпаемые ресурсы, которые вырабатываются естественным образом. Такая энергия ещё называется регенеративной или «зелёной».

Невозобновляемые источники – это нефть, природный газ и уголь. Им ищут замену, потому что они могут закончиться. Ещё их использование связано с выбросом углекислого газа, парниковым эффектом и глобальным потеплением.

Человечество получает энергию, в основном за счёт сжигания ископаемого топлива и работы атомных электростанций. Альтернативная энергетика – это методы, которые отдают энергию более экологичным способом и приносят меньше вреда. Она нужна не только для промышленных целей, но и в простых домах для отопления, горячей воды, освещения, работы электроники.

Ресурсы возобновляемой энергии

  • Солнечный свет
  • Водные потоки
  • Ветер
  • Приливы
  • Биотопливо (топливо из растительного или животного сырья)
  • Геотермальная теплота (недра Земли)

Альтернативные виды энергии

1. Солнечная энергия

Один из самых мощных видов альтернативных источников энергии. Чаще всего её преобразуют в электричество солнечными батареями. Всей планете на целый год хватит энергии, которую солнце посылает на Землю за день. Впрочем, от общего объёма годовая выработка электроэнергии на солнечных электростанциях не превышает 2%.

Основные недостатки – зависимость от погоды и времени суток. Для северных стран извлекать солнечную энергию невыгодно. Конструкции дорогие, за ними нужно «ухаживать» и вовремя утилизировать сами фотоэлементы, в которых содержатся ядовитые вещества (свинец, галлий, мышьяк). Для высокой выработки необходимы огромные площади.

Читайте также:  Какой расход пеллет идет на отопление дома: формулы расчета

Солнечное электричество распространено там, где оно дешевле обычного: отдалённые обитаемые острова и фермерские участки, космические и морские станции. В тёплых странах с высокими тарифами на электроэнергию, оно может покрывать нужны обычного дома. Например, в Израиле 80% воды нагревается солнечной энергией.

Батареи также устанавливают на беспилотные автомобили, самолёты, дирижабли, поезда Hyperloop .

2. Ветроэнергетика

Запасов энергии ветра в 100 раз больше запасов энергии всех рек на планете. Ветровые станции помогают преобразовывать ветер в электрическую, тепловую и механическую энергию. Главное оборудование – ветрогенераторы (для образования электричества) и ветровые мельницы (для механической энергии).

Этот вид возобновляемой энергии хорошо развит – особенно в Дании, Португалии, Испании, Ирландии и Германии. К началу 2016 года мощность всех ветрогенераторов обогнала суммарную установленную мощность атомной энергетики.

Недостаток в том, что её нельзя контролировать (сила ветра непостоянна). Ещё ветроустановки могут вызывать радиопомехи и влиять на климат, потому что забирают часть кинетической энергии ветра – правда, учёные пока не знают хорошо это или плохо.

3. Гидроэнергия

Чтобы преобразовать движение воды в электричество нужны гидроэлектростанции (ГЭС) с плотинами и водохранилищами. Их ставят на реках с сильным потоком, которые не пересыхают. Плотины строят для того, чтобы добиться определённого напора воды – он заставляет двигаться лопасти гидротурбины, а она приводит в действие электрогенераторы.

Строить ГЭС дороже и сложнее относительно обычных электростанций, но цена электричества (на российских ГЭС) в два раза ниже. Турбины могут работать в разных режимах мощности и контролировать выработку электричества.

4. Волновая энергетика

Есть много способов генерации электричества из волн, но эффективно работают только три. Они различаются по типу установок на воде. Это камеры, нижняя часть которых погружена в воду, поплавки или установки с искусственным атоллом.

Такие волновые электростанции передают кинетическую энергию морских или океанических волн по кабелю на сушу, где она на специальных станциях преобразуется в электричество.

Этот вид используется мало – 1% от всего производства электроэнергии в мире. Системы тоже дорогие и для них нужен удобный выход к воде, который есть не у каждой страны.

5. Энергия приливов и отливов

Эту энергию берут от естественного подъёма и спада уровня воды. Электростанции ставят только вдоль берега, а перепад воды должен быть не меньше 5 метров. Для генерации электричества строят приливные станции, дамбы и турбины.

Приливы и отливы хорошо изучены, поэтому этот источник более предсказуем относительно других. Но освоение технологий было медленным и их доля в глобальном производстве мала. Кроме того, приливные циклы не всегда соответствуют норме потребления электричества.

6. Энергия температурного градиента (гидротермальная энергия)

Морская вода имеет неодинаковую температуру на поверхности и в глубине океана. Используя эту разницу, получают электроэнергию.

Первая установка, которая даёт электричество за счёт температуры океана была сделана ещё в 1930 году. Сейчас есть океанические электростанции закрытого, открытого и комбинированного типа в США и Японии.

7. Энергия жидкостной диффузии

Это новый вид альтернативного источника энергии. Осмотическая электростанция, установленная в устье реки, контролирует смешение солёной и пресной воды и извлекает энергию из энтропии жидкостей.

Выравнивание концентрации солей даёт избыточное давление, которое запускает вращение гидротурбины. Пока есть только одна такая энергетическая установка в Норвегии.

8. Геотермальная энергия

Геотермальные станции берут внутреннюю энергию Земли – горячую воду и пар. Их ставят в вулканических районах, где вода у поверхности или добраться до неё можно пробурив скважину (от 3 до 10 км.).

Извлекаемая вода отапливает здания напрямую или через теплообменный блок. Ещё её перерабатывают в электричество, когда горячий пар вращает турбину, соединённую с электрогенератором.

Недостатки: цена, угроза температуре Земли, выбросы углекислого газа и сероводорода.

Больше всего геотермальных станций в США, Филиппинах, Индонезии, Мексике и Исландии.

9. Биотопливо

Биоэнергетика получает электричество и тепло из топлива первого, второго и третьего поколений.

  • Первое поколение – твёрдое, жидкое и газообразное биотопливо (газ от переработки отходов). Например, дрова, биодизель и метан.
  • Второе поколение – топливо, полученное из биомассы (остатков растительного или животного материала, или специально выращенных культур).
  • Третье поколение – биотопливо из водорослей.

Биотопливо первого поколения легко получить. Сельские жители ставят биогазовые установки, где биомасса бродит под нужной температурой.

Самый традиционный способ и древнейшее топливо – дрова. Сейчас для их производства сажают энергетические леса из быстрорастущих деревьев, тополя или эвкалипта.

Плюсы и минусы альтернативной энергии

Главная перспектива альтернативных источников – существования человечества даже в условиях жёсткого дефицита нефти, газа и угля.

Преимущества:

  • Доступность – не нужно обладать нефтяными или газовыми месторождениями. Правда, это относится не ко всем видам. Страны без выхода к морю не смогут получать волновую энергию, а геотермальную можно преобразовывать только в вулканических районах.
  • Экологичность – при образовании тепла и электричества нет вредных выбросов в окружающую среду.
  • Экономия – полученная энергия имеет низкую себестоимость.

Недостатки и проблемы:

  • Траты на этапе строительства и обслуживание – оборудование и расходные материалы дорогие. Из-за этого повышается итоговая цена электроэнергии, поэтому она не всегда оправдана экономически. Сейчас главная задача разработчиков снизить себестоимость установок.
  • Зависимость от внешних факторов: невозможно контролировать силу ветра, уровень приливов, результат переработки солнечной энергии зависит от географии страны.
  • Низкий КПД и маленькая мощность установок (кроме ГЭС). Вырабатываемая мощность не всегда соответствует уровню потребления.
  • Влияние на климат. Например, спрос на биотопливо привёл к сокращению посевных площадей для продовольственных культур, а плотины для ГЭС изменили характер рыбных хозяйств.

Возобновляемая энергия в мире

Главный потребитель возобновляемых источников энергии – Евросоюз. В некоторых странах альтернативная энергетика вырабатывает почти 40% от всей электроэнергии. Там уже прижились разные меры поддержки: скидочные тарифы на подключение и возврат денег за покупку оборудования. Не отстают страны Востока и США.

Германия

40% электроэнергии в Германии дают возобновляемые источники. Она лидер по числу ветровых установок, которые генерируют 20,4 % электричества. Оставшаяся доля приходится на гидроэнергетику, биоэнергетику и солнечную энергетику. Немецкое правительство поставило план: вырабатывать 80% энергии за счёт альтернативных источников к 2050 году, но закрывать атомные электростанции пока не хочет.

Исландия

У Исландии очень много горячей воды, потому что она расположилась в зоне вулканической активности. Страна обеспечивает 85% домов отоплением из геотермальных источников и покрывает ими 65% потребностей населения в электроэнергии. Мощность источников настолько велика, что они хотят наладить экспорт энергии в Великобританию.

Швеция

После нефтяного кризиса 1973 года страна стала искать другие источники энергии. Началось всё с ГЭС и АЭС. Из-за атомных станций шведов часто критиковали Greenpeace, но с конца 80-х доля энергии от АЭС не растёт.

Начиная с 90-х Швеция строит оффшорные ветропарки в море. На выбросы предприятиями углерода в атмосферу введён дополнительный налог, а для производителей ветровой, солнечной и биоэнергии есть льготы.

Ещё Швеция активно использует энергию от переработки мусора и даже планирует его закупать у соседних стран, чтобы отказаться от нефти. Некоторые города получают тепло от мусоросжигательных заводов.

Китай

В Китае самая мощная ГЭС в мире – «Три ущелья». По состоянию на 2018 год – это крупнейшее по массе сооружение. Её сплошная бетонная плотина весит 65,5 млн тонн. За 2014 станция произвела рекордные для мира 98,8 млрд кВт⋅ч.

Крупнейшие ветровые ресурсы тоже здесь (три четверти из них поставлены в море). К 2020 году страна планирует выработать при их помощи 210 ГВт.

Ещё тут 2 700 геотермальных источников и делают 63% устройств для преобразования солнечной энергии. Китай занимает третье место в производстве биотоплива на основе этанола.

Альтернативная энергия в России

Разное географическое положение регионов и специфика климатических поясов в России не позволяют развивать эту отрасль равномерно. Нет инвестиций и есть пробелы в законе.

Виды возобновляемой энергии в России

Солнечная энергия

Используется и в промышленных масштабах, и у местного населения как резервный или основной источник тепла и электричества. Мощность всех солнечных установок – 400 МВт, из них самые крупные в Самарской, Астраханской, Оренбургской областях и Крыму. Самая мощная СЭС – «Владиславовка» (Крым). Ещё разрабатываются проекты для Сибири и Дальнего Востока.

Ветровая энергетика

Ветровая возобновляемая энергия в России представлена чуть хуже, чем солнечная, хотя и здесь есть промышленные установки. Общая мощность ветровых генераторов в нашей стране – 183,9 МВт (0,08 % от всей энергосистемы). Больше всего установок – в Крыму, а мощнейшая находится в Адыгее – «Адыгейская ВЭС».

Гидроэнергетика

Это самый популярный вариант альтернативного источника энергии в России. Около 200 речных ГЭС вырабатывают до 20% от всей энергии в стране. В заливе Кислая губа в Мурманской области с 1968 года есть приливная электростанция – «Кислогубская ПЭС». Самая крупная ГЭС стоит на реке Енисей – «Саяно-Шушенская».

Геотермальная энергетика

За счёт обилия вулканов этот вид энергетики распространён на Камчатке. Там 40% потребляемой энергии генерируется на геотермальных источниках. По данным учёных, потенциал Камчатки оценивается в 5000 МВт, а вырабатывается только 80 МВт энергии в год. Ещё геотермальные станции есть на Курилах, Ставропольском и Краснодарском крае.

Биотопливо

Наша страна входит в тройку экспортёров пеллет на европейском рынке. В России есть заводы, создающие из остатков древесины пеллеты и брикеты, которыми топят котлы и печки.

Сельскохозяйственные отходы преобразуют в жидкое топливо и биогаз для дизельных двигателей. А вот свалочный газ не используется вообще, его просто выбрасывают в атмосферу, нанося ущерб окружающей среде.

Компании, которые занимаются возобновляемыми источниками энергии

Рост инвестиций в возобновляемую энергетику и поддержка правительства помогает многим компаниям успешно вести бизнес.

First Solar Inc.

Эта американская компания была образована в 1990 году и стала известной благодаря производству солнечных батарей. Сейчас это крупнейшая фирма, которая продаёт солнечные модули, поставляет оборудование и отвечает за технический сервис.

Vestas Wind Systems A/S

Старейший производитель ветрогенераторов из Дании. Компания основана в 1898 году и на сегодняшний день ей удалось установить более 60 тысяч ветровых турбин в 63 странах. Vestas продаёт отдельные генераторы, комплексные станции и обслуживает устройства.

Atlantica Yield PLC

Эта компания с офисом в Лондоне владеет классическими линиями электропередач, солнечными и ветровыми станциями в Северной Америке, Испании, Алжире, Южной Америке и Южной Африке.

ABB Ltd. Asea Brown Boveri

Шведско-швейцарская компания, известная автомобильными двигателями, генераторами и робототехникой. С 1999 года бренд занимается преобразованием солнечной и ветровой энергии. В 2013 году компания стала мировым лидером в области оборудования фотоэлектрической энергии.

Добавить комментарий