Использование энергии биомассы

Материал растений и животных, включая их отходы и остатки, называется биомассой с которой получается энергия биомассы.

Биомасса — самый старый источник энергии со времен овладения людьми огня.  Это органический материал на основе углерода, который реагирует с кислородом при горении и с естественным превращением веществ с выделением тепла, образуя так называемую  энергию биомассы.

БИОМАССА — источник солнечной энергии, запасаемой растениями в результате процесса фотосинтеза, в ходе которого углекислый газ улавливается и превращается в целлюлозу, полуцеллюлозу и лигнин.

Биомасса представляет собой органический-неископаемый материал биологического происхождения, который может быть использован в качестве топлива для выработки энергии.

Такая энергия в виде тепла, особенно при температуре >400°C, может быть использована для производства работ и электроэнергии. Кроме того исходный материал может быть преобразован химическими и биологическими процессами для получения биотоплива, т. е. биомассы, переработанной в более удобную форму, в частности жидкого топлива для транспорта.

Рассмотрим насколько энергия биомассы экологична и важна.

Биоэнергия в веществах

Начальная энергия кислородной системы биомассы улавливается из солнечного излучения при фотосинтезе. При сжигании энергия биотоплива рассеивается, но остатки материала доступны для переработки в естественных экологических или сельскохозяйственных процессах.

Таким образом, использование промышленного биотоплива, если оно тщательно увязано с естественными экологическими циклами, может быть экологически чистым и устойчивым. Такие  системы называются агропромышленными, из которых наиболее развитыми являются отрасли сахарного тростника и лесопродукции.

Сейчас появляется все больше примеров коммерческих продуктов для производства энергии и материалов из сельскохозяйственных культур как средства диверсификации и интеграции сельского хозяйства. Примером может служить этанол топливо которое изготавливается  из сельскохозяйственного сырья.

Масса сухого вещества биологического материала, циркулирующего в биосфере, составляет около 25 × 10¹⁰ т/год, включая около 10 × 10¹⁰ т/год углерода.

Связанная энергия, улавливаемая при фотосинтезе, составляет 2 × 10²¹ Дж/год ( 0,7 ×10¹⁴ Вт). Из этого около 0,5% по весу составляет биомасса в качестве сельскохозяйственных культур для человека в качестве еды. Производство биомассы варьируется в зависимости от местных условий и примерно в два раза больше на единицу площади поверхности на суше, чем на море.

Биомасса является основным источником около 10% (50 ЭДж/год —  эксаджоуль = 10¹⁸ Дж) потребления энергии человечеством, что аналогично глобальному использованию ископаемого газа.

Считается, что основная традиционная энергия биомассы  заложена в дровах для приготовления пищи и отопления жилищ, преимущественно в развивающихся странах, но и в том числе значительные количества в сельских районах развитых стран.

Энергия биомассы в процентном соотношении составляет:

• ~10% в качестве топлива для производства электроэнергии;
•  ~10% для бытового получения тепла в том числе теплоэлектроцентрали – ТЭЦ;
•  ~10% для компонента биотоплива  как моторного топлива, уровень которого стремительно растет как в абсолютном, так и процентном соотношении.

Некоторые страны отличаются большим использованием биоэнергии, в том числе  — Бразилия (31%), Швеция (23%) и Австрия (18%).

Биомасса считается возобновляемым источником энергии при правильном использовании.

Однако, эта энергия вызывает беспокойство для местной экологии и глобального контроля климата.  Потребление дров, и особенно коммерческая вырубка лесов с сжиганием, значительно опережают рост деревьев во все возрастающих районах мира.

Углерод в биомассе получается путем фотосинтеза из CO₂ в атмосфере. Когда биомасса сжигается, переваривается или разлагается естественным путем, выделяемый CO₂ из самой биомассы рециркулируется в эту атмосферу.

В стабильных экосистемах биомасса растет со скоростью, с которой она разлагается. Следовательно, энергия, получаемая из биомассы, сама по себе «углеродно нейтральна». Однако топливо, используемое сегодня в сельскохозяйственной и лесной технике, и при производстве удобрений преобладают ископаемые виды топлива, которые сами по себе не являются «углеродно-нейтральными». Поэтому биоэнергия, полученная без или в незначительных количествах ископаемого топлива, контрастирует с энергией из ископаемого топлива, из которого в атмосферу Земли добавляется дополнительный CO₂.

Таким образом, использование возобновляемых источников биоэнергии вместо ископаемого топлива является важным компонентом среднесрочной и долгосрочной политики по сокращению выбросов парниковых газов.

Накопление энергии солнечной энергии в виде биомассы и биотоплива имеет фундаментальное значение. Все многочисленные процессы направлены на производство удобного и доступного топлива для полного спектра конечных применений, включая жидкое топливо для транспорта.

Тепловая энергия, доступная при сжигании биотоплива  составляет около 8 МДж/кг (несушеная ‘зеленая’ древесина) и 15 МДж/кг (сухая древесина), примерно до 40 МДж/кг (жиры и масла) и, для сравнения, 56 МДж/кг для метана.

Бытовое и промышленное биотопливо

Каждая деятельность, связанная с биомассой, производит широкий спектр продуктов и услуг. Например, там, где сахар производится из тростника, многие коммерческие продукты могут быть получены из оставшегося волокна. Если волокно сгорает, то любое избыточное технологическое тепло может быть использовано для выработки электроэнергии. Промывки и золу можно возвращать в почву в качестве удобрения.

Производство электричества из тепловой энергии биомассы, этанола из крахмальных культур, метана из суспензии животных является достаточно затратным.

Производство биотоплива, вероятно, будет наиболее экономичным, если в процессе производства используются уже концентрированные материалы, вероятно, в качестве побочного продукта.  Эти материалы должны быть доступны по низкой цене или в качестве дополнительного дохода в процессе обработки и удаления отходов. Таким образом, должен быть запас биомассы, уже проходящий вблизи предполагаемого места производства, точно так же, как гидроэнергетика зависит от естественного потока воды, уже сосредоточенного в водосборе.

Примерами могут служить отходы из вольеров для животных, обрезки с лесопилок, коммунальные сточные воды,  солома из зерновых.

Примеры биотоплива включают газообразный метан, жидкий этанол, метиловые эфиры, масла и твердый древесный уголь. Термин «биоэнергетика» иногда используется для обозначения биомассы и биотоплива вместе.

Чрезвычайно важно определить и количественно оценить эти потоки энергии биомассы  в местной экономике, прежде чем указывать вероятные объемы производства. Если только концентрированная биомасса еще не существует в ранее созданных системах, то стоимость роста биомассы и/или  сбор часто бывает слишком большим и слишком сложным для получения экономической выгоды.

Негативные последствия производства топлива из биомассы

Негативные и неоправданные последствия экстенсивного производства топлива из биомассы в больших масштабах включают вырубку лесов, эрозию почв и уничтожение жизненно важных продовольственных культур топливными культурами.

Биотопливо-это органические материалы, поэтому всегда есть альтернатива использования этих материалов в качестве химического сырья или конструкционных материалов.

Например, пальмовое масло является важным компонентом мыла; многие пластмассовые и фармацевтические товары изготавливаются из натуральных продуктов; и большая часть строительных плит изготавливается из растительных волокон, изготовленных в виде композитных материалов.

Плохо контролируемая энергия биомассы, безусловно, может привести к нежелательному загрязнению, особенно в результате сжигания при относительно низкой температуре, влажного топлива и отсутствия подачи кислорода для сжигания. Современные процессы производства биомассы требуют значительной осторожности и опыта.

Использование устойчивой биоэнергетики и других возобновляемых источников энергии вместо ископаемого топлива снижает выбросы ископаемого углекислого газа и, таким образом, уменьшает воздействие изменения климата. Признание этого является ключевым аспектом политики в области изменения климата.

Нужны социальные, экономические и экологические мероприятия, касающиеся того, чтобы биоэнергетика вносила позитивный, а не негативный вклад в устойчивое развитие.