МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УО «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ 

УНИВЕРСИТЕТ» 

Кафедра  
 
 
 
 

РЕФЕРАТ

на тему: Биоэнергетика, ее перспективы в Беларуси 
 
 

Студент

ФМк, 1 курс

Проверила                                                                     

                                                                                                     М.В. Михадюк 
 
 
 

МИНСК 2010

Оглавление

Введение 3

1. Общая характеристика методов переработки биомассы 4

1.1. Термохимический метод переработки биомассы 4

1.2. Биохимический метод переработки биомассы 6

1.3. Агрохимический метод переработки биомассы 7

2. Экологическая характеристика использования биоэнергетических установок 8

3. Развитие биоэнергетики в Республике Беларусь 9

Заключение 13

Список  использованной литературы 14 

Введение

В настоящее  время во многих странах мира наблюдается  повышение интереса к возобновляемым источникам энергии. Это связано  с непрерывно уменьшающимися запасами ископаемых энергоносителей, ухудшением экологии, связанным с газовыми выбросами, приводящими к парниковому эффекту, а также желанием многих стран освободить энергетические источники от политической ситуации.

Возобновляемый  энергетический ресурс - постоянно  действующие или периодически возникающие потоки энергии в результате естественных природных процессов.

Первоначально в качестве возобновляемого источника  энергии человек использовал мускульную силу, как свою, так и животных. В настоящее время используются солнечное излучение, энергия планетарного движения в виде приливов и отливов, энергия химических реакций и радиоактивного распада в недрах Земли, проявляющаяся в виде геотермальных источников. К возобновляемым источникам также относится преобразованная энергия Солнца в виде гидроэнергии, энергии ветра и биомассы.

Согласно прогнозам Мировой энергетической комиссии о перспективах использования возобновляемых источников энергии главенствующая роль принадлежит биомассе.  К перспективным возобновляемым источникам энергии следует отнести также гидроэнергию, энергию ветра и Солнца.

Таблица 1. Оценка возможной доли  возобновляемых источников энергии в мире

В этом реферате пойдет речь о технологиях переработки биомассы, экологических аспектах и перспективах развития биоэнергетики в Республике Беларусь.

1. Общая характеристика методов переработки биомассы

Сложный комплекс веществ, из которых состоят растения и животные, принято называть биомассой.

Основа биомассы - органические соединения углерода, которые  в процессе взаимодействия с кислородом при сгорании или в результате естественного метаболизма выделяют теплоту.

Первоначальная  энергия биомассы возникает в процессе фотосинтеза под действием солнечного излучения. В обобщенном виде эту реакцию можно представить следующим образом:

Среди основных энерготехнологических методов переработки биомассы можно выделить (рис. 1):

• термохимический метод;

• биохимический метод;

• агрохимический метод.

1. Термохимический метод переработки  биомассы

Пиролиз - процесс  нагревания биомассы либо в отсутствие воздуха, либо за счет сгорания некоторой ее части при ограниченном доступе воздуха или кислорода. КПД процесса пиролиза достигает 80-90 %.

В качестве исходного энергетического продукта в процессе пиролиза могут использоваться:

• органическое топливо (уголь, сланцы, торф и т. д.);

• древесные отходы;

• сельскохозяйственные отходы (солома, ботва растений и т. п.);

• биобрикеты и т. д.

Состав получаемых при этом вторичных энергетических продуктов чрезвычайно разнообразен. Изменение состава продуктов пиролиза зависит от температурных условий, типа вводимого в процесс сырья, способов ведения процесса. Разновидности топлива, получаемого в результате пиролиза, имеют несколько меньшую по сравнению с исходной биомассой суммарную энергию сгорания, но отличаются большей универсальностью применения:

• лучшей управляемостью процесса горения и соответственно повышением его энергоэффективности;
• большей технологичностью, более широким диапазоном возможных потребителей и соответственно более высокими экономическими и качественными показателями.

Рисунок 1. Классификация основных типов энергетических процессов, связанных с переработкой биомассы

Газификация - способ ведения процесса пиролиза, при котором основным энергетическим продуктом является горючий газ.

Газогенератор - устройство, в котором реализуется процесс газификации

В состав образующегося  в газогенераторе генераторного газа входят следующие горючие компоненты: окись углерода, водород, газообразные углеводороды, метан.

Процесс газификации  включает такие последовательные фазы, как сушка, пиролиз (коксование) и собственно газификация топлива.

В зоне сушки  происходит выпаривание начальной  влаги из поступающего в газогенератор топлива за счет остаточной теплоты уходящего генераторного газа.

В зоне пиролиза при температуре до 800 °С от топлива отделяются легкие газообразные фракции, самой важной из которых является метан (СН₄). Закоксовавшееся в зоне пиролиза топливо сначала реагирует с кислородом, находящимся в свежем воздухе, образуя двуокись углерода и водяной пар:

С + O₂ => СO₂ (горение);

2Н₂ + O₂ => 2Н₂O.

В зоне газификации при температуре  свыше 900 °С СЮ₂ и Н₂0 продолжают реагировать с углеродом, образуя окись углерода и водород, которые являются активно горящими газами:

CO₂ + С => 2СО;

Н₂O + С => Н₂ + СО.

Следует указать, что верхняя граница  температуры прохождения реакции  газогенерации ограничена значениями 1100-1200 °С (температура плавления золы).

2. Биохимический метод переработки биомассы

Анаэробное разложение - процесс получения энергии из биомассы микроорганизмами (анаэробными бактериями) в отсутствие или при недостатке кислорода и света. Полезный энергетический продукт этого процесса - биогаз.

Биогаз - смесь углекислого газа (СO₂) и метана (СН₄). Энергетическая эффективность процесса сжигания биогаза может достигать 60-90 % эффективности сжигания сухого исходного материала.

Основное уравнение, описывающее процесс анаэробного разложения биомассы (на примере целлюлозы) имеет следующий вид:

С₆Н₁₀О₅ + Н₂O => 3CO₂ + 3CH₄.

Биогазогенератор — устройство, в котором реализуется процесс преимущественного получения СН4 посредством анаэробного разложения исходной биомассы. Конструкции биогазогенераторов отличаются чрезвычайным разнообразием как по организации собственно технологического процесса анаэробной переработки биомассы, так и по составу исходного продукта (рис. 3.4).

Спиртовая ферментация - процесс получения этилового спирта в качестве энергетического продукта. Этиловый спирт (этанол) С5Н5ОН - летучее жидкое топливо, которое можно использовать вместо бензина.

В естественных условиях этанол образуется из сахаров соответствующими микроорганизмами в кислой среде (рН от 4 до 5).

Основная  реакция превращения сахарозы в  этанол имеет следующий вид:

Дрожжи

C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O 4С₂Н₅OН + 4СO₂.

Жидкие топлива, и в частности этанол, отличаются чрезвычайной технологической эффективностью из-за удобства использования и хорошего управления процессом горения в двигателях внутреннего сгорания.

В качестве заменителя бензина этанол можно использовать в виде:

• 95 % -го этанола в модернизированных двигателях;
• смеси 100 %-го (обезвоженного) этанола с бензином в соотношении один к десяти в традиционных двигателях.

В настоящее  время стоимость топливного этанола  сравнима со стоимостью бензина, причем наблюдается тенденция ее снижения. Вместе с тем этанол характеризуется более высоким октановым числом.

Фотолиз - процесс разложения воды на водород и кислород под действием света. Если водород сгорает или взрывается в качестве топлива при смешении с воздухом, то происходит рекомбинация О2 и Н2.

Некоторые биологические  организмы продуцируют или могут  при определенных условиях продуцировать водород путем биофотолиза.

Подобный результат  можно получить химическим путем без участия живых организмов в лабораторных условиях. Промышленного внедрения эти технологии еще не получили.

3. Агрохимический  метод переработки  биомассы

Экстракция топлив - процесс получения жидких или твердых топлив прямо от растений или животных.

Продукцию растений можно разделить на следующие  категории:

• семена - подсолнечник с массовым содержанием масла до 50 %;
• орехи - пальмовое масло, копра кокосов с массовым содержанием масла до 50 % ;
• плоды - оливки;
• листья - эвкалипт с массовым содержанием масла до 25%;
• сок растений - сок каучука;
• продукты переработки отходов растений — масла и растворители до 16 % сухой массы (например, скипидар, канифоль, маслянистые смолы и т. д.).

Возможна организация ферм по производству агрохимических топлив на основе перечисленных выше растений. Вместе с тем получаемые таким образом продукты по своим химическим свойствам могут быть гораздо ценнее, чем просто топливо.

В связи с  этим более предпочтительным представляется способ получения агрохимических топлив, который основан на культивировании специализированных микроводорослей. Исследования возможности использования микроводорослей в процессе экстракции топлив показали, что содержание в них углеводородов - основного горючего компонента — может быть довольно значительным. Так, в сухих клетках зеленой расы микроводоросли «ботриококкус браунии» содержится от 1 до 36 % углеводородов, а в сухих клетках коричневой расы - до 86 %. Предполагается, что залежи нефти обязаны своим происхождением предкам именно этих микроводорослей. Углеводороды, вырабатываемые «ботриококкус браунии», в основном локализованы на наружной поверхности клетки и могут быть удалены механическими методами. Оставшуюся биомассу можно подвергнуть гидрокрекингу, в результате которого получают 65 % газолина, 15 % авиационного топлива, 3 % остаточных масел.

2. Экологическая характеристика использования биоэнергетических установок

Биоэнергетические станции по сравнению с традиционными электростанциями и другими невозобновляемыми источниками энергии являются наиболее экологически безопасными. Они способствуют избавлению окружающей среды от загрязнения всевозможными отходами. Так, например, анаэробная ферментация – эффективное средство не только реализации отходов животноводства, но и обеспечения экологической чистоты, так как твердые органические вещества теряют запах и становятся менее привлекательными для грызунов и насекомых (в процессе перегнивания разрушаются болезнетворные микроорганизмы). Кроме того, образуются дополнительный корм для скота (протеин) и удобрения.

Городские стоки  и твердые отходы, отходы при рубках леса и деревообрабатывающей промышленности, представляя собой возможные источники сильного загрязнения природной среды, являются в то же время сырьем для получения энергии, удобрений, ценных химических веществ. Поэтому широкое развитие биоэнергетики эффективно в экологическом отношении.

Однако неблагоприятные  воздействия на объекты природной среды при энергетическом использовании биомассы имеют место. Прямое сжигание древесины дает большое количество твердых частиц, органических компонентов, окиси углерода и других газов. По концентрации некоторых загрязнителей они превосходят продукты сгорания нефти и ее производных. Другим экологическим последствием сжигания древесины являются значительные тепловые потери.

По сравнению  с древесиной биогаз – более чистое топливо, непроизводящее вредных газов и частиц. Вместе с тем необходимы меры предосторожности при производстве и потреблении биогаза, так как метан взрывоопасен. Поэтому при его хранении, транспортировке и использовании следует осуществлять регулярный контроль для обнаружения и ликвидации утечек. При ферментационных процессах по переработке биомассы в этанол образуется большое количество побочных продуктов (промывочные воды и остатки перегонки), являющихся серьезным источником загрязнения среды, поскольку их вес в несколько раз (до 10) превышает вес этилового спирта.

Неблагоприятные воздействия биоэнергетики на экологию:

− выбросы твердых  частиц, канцерогенных и токсичных  веществ, окиси

углерода, биогаза, биоспирта;

− выброс тепла, изменение теплового баланса;

− обеднение  почвенной органики, истощение и  эрозия почв;

− взрывоопасность;

− большое количество отходов в виде побочных продуктов (промывоч-

ные воды, остатки перегонки).

3. Развитие  биоэнергетики в Республике Беларусь

Одним из альтернативных источников топлива на основе возобновляемых биологических источников является дизельное биотопливо из растительных масел, в том числе из масла рапса. За последние двадцать лет в мире площади посевов рапса расширились более чем в четыре раза, а в Европе – в десять раз. В странах Европейского союза общая площадь посевов рапса составляет около 7 млн. гектаров при средней урожайности культуры более 30 центнеров с одного гектара. Планируется, что к 2015 году площадь посевов достигнет 12 млн. гектаров. Другим перспективным топливом являются смесевые бензины, которые в качестве добавки содержат оксигенаты – кислородсодержащие соединения (этанол, метанол и метилтретил-бутиловый эфир). В ряде ведущих стран мира работы в этом направлении ведутся в течение последних 25 лет. Установлено, что оксигенаты повышают октановое число топлива и улучшают характеристики горения, что позволяет сократить вредные выбросы. Мировое потребление оксигенатов составляет 25 млн. тонн в год, что сопоставимо с производством автомобильного бензина в Российской Федерации.

Биоэтанол производится в основном из сельскохозяйственной продукции, содержащей углеводы. Топливный этанол не содержит воду, но содержит метанол и сивушные масла, что делает его непригодным для питья. Наиболее широко этанол используется в Бразилии, где более 90 процентов автомобилей с бензиновыми двигателями работают на топливе, содержащем этанол.

Республика Беларусь располагает около 5 млн. гектаров пахотных земель, в том числе 25 процентов  из них пригодны для выращивания  рапса. Эффективное использование этого ресурса может обеспечить в перспективе производство 600–800 тыс. тонн дизельного биотоплива в год, то есть в значительной мере обеспечить внутренних потребителей биотопливом. За счет создания и внедрения в производство высокопродуктивных и зимостойких отечественных сортов рапса появилась возможность возделывания этой культуры также и в северо-восточных регионах республики – Витебской и Могилевской областях и расширения посевных площадей почти в два раза. За последние 10 лет валовый сбор маслосемян рапса в республике увеличился почти в 5 раз и в 2008 году составил 585,3 тыс. тонн. В 2010 году планируется довести валовый сбор маслосемян рапса до 1 млн. тонн.

Одним из перспективных  направлений развития топливной  биоэнергетики является создание производств биобутанола – бутилового спирта, получаемого из растительного сырья и гидролизатов древесины с использованием штаммов-продуцентов типа C. acetobutylicum. В отличие от этанола бутанол является более качественной добавкой к бензину. Использование современных технологий непрерывного культивирования и иммобилизованных клеток позволяет получать бутанол с высоким выходом, достигающим предела биологических возможностей используемых культур микроорганизмов, что обеспечивает экономическую эффективность процесса. Поэтому в последние годы производители биоэтанола в Европе переходят на производство биобутанола. Республика Беларусь располагает сырьевой, материально-технической базой и кадровым потенциалом, необходимым для создания производства топливного биобутанола. В связи с этим представляется перспективной разработка отечественной технологии получения биобутанола.

В последнее  время в ряде стран получило широкое  развитие производство твердых видов  топлива из растительной биомассы. Так, в Финляндии и Швеции на долю топлива из биомассы приходится до 20 процентов в общем энергетическом балансе этих стран. Существенный прогресс достигнут в Австрии, Дании, Германии и других странах. В Республике Беларусь из отходов переработки древесины производят топливные гранулы (пеллеты) открытые акционерные общества «Пинскдрев» и «Экогран» (г. Бобруйск). Вместе с тем ресурсы растительного сырья в республике позволяют радикально увеличить мощности по выпуску топлива из этого сырья. Помимо древесины для этого можно использовать солому зерновых культур и рапс. Расчеты показывают, что суммарный топливный ресурс биомассы неиспользуемой соломы зерновых культур в республике равен примерно 1,74 млн. тонн условного топлива, что составляет 6,2 процента от общего энергопотребления в стране в 2006 году.

Еще одним важным источником энергии является биогаз. В большинстве развитых стран переработка органических отходов в биогазовых установках используется в основном для производства тепловой энергии и электричества и составляет в среднем около 3–4 процента всей потребляемой энергии, достигая в отдельных странах до 15–20 процентов. В Германии насчитывается около 2000 больших установок анаэробного сбраживания. В Австрии более 120 биогазовых установок с объемами реакторов более 2000 куб. метров каждая, около 25 установок находятся в стадии планирования и постройки.

Располагая значительным сырьевым потенциалом для производства биогаза, прежде всего отходами крупных  животноводческих комплексов и птицефабрик, Республика Беларусь пока существенно  отстает от других стран в освоении биогазовых технологий. По оценкам  Национальной академии наук Беларуси, энергетический потенциал биомассы отходов животноводческих комплексов и птицефабрик республики составляет около 450 тыс. тонн условного топлива  в год. В настоящее время введены в эксплуатацию две установки на республиканском унитарном предприятии «Племптицезавод «Белорусский» (г.п. Заславль Минского района) и республиканском унитарном сельскохозяйственном предприятии «СГЦ «Западный» (Брестский район) с производительностью по выработке биогаза соответственно 1,2 и 1,7 млн. куб. метров в год. Фирмой «BIOGAS NORD» (Германия) произведены установка в г. Заславле и два биореактора объемом по 1500 куб. метров. В качестве сырья используется куриный помет (38,4 тонн/сутки) и жидкий навоз крупного рогатого скота (6,6 тонн/сутки). Завершена, но не введена в эксплуатацию установка в открытом акционерном обществе «Гомельская птицефабрика».

Начиная с 2008 года Национальная академия наук Беларуси осуществляет проект по созданию отечественных биогазовых установок. Реализация предлагаемой технологии позволит получать из органосодержащих стоков ферм крупнорогатого скота биогаз повышенной калорийности (24–26 МДж/куб. метров при содержании метана 70–75 процентов), который может быть использован для выработки электрической и тепловой энергии в когенерационном блоке, и высококачественные обеззараженные органоминеральные удобрения. Проектом предусматривается создание и введение в эксплуатацию в IV квартале 2010 г. биогазовой установки общей энергетической мощностью 125 кВт по переработке 25 куб. метров навозных стоков в сутки с последующим ее внедрением на фермах крупнорогатого скота на 200–500 голов, свинофермах на 2–4 тыс. голов и птицефабриках до 50 тыс. птицы. Потребность республики в установках такого типа составляет не менее 650 единиц.

В Беларуси создана  программа мероприятий по развитию биоэнергетики [1, Приложение 6]. Их цель – разработка микробиологических и химических технологий получения различных видов биотоплива и создание их производства в Республике Беларусь.  Финансироваться они будут за счет средств республиканского бюджета, выделяемых на научную, научно-техническую и инновационную деятельность в установленном порядке, а также иных источников.

Задачи программы:

• создание системы производств дизельного биотоплива из рапсового масла;
• совершенствование технологии получения и организация производства биоэтанола;
• разработка технологии получения и организация производства топливного биобутанола;
• разработка технологии получения и организация производства топливных гранул из соломы злаковых культур и рапса;
• создание производства печных и котельных топлив, содержащих биодобавки;
• разработка технологии и оборудования для выработки биогаза.

В результате выполнения программы ожидается:

• создание и внедрение в производство 5 новых технологий, 1 нового прибора, 2 технологических процессов;
• разработка технико-экономического обоснования производства топливного биоэтанола и биобутанола, топливных гранул из растительного сырья, отечественных установок для производства биогаза;
• выполнение поисковых проектов в целях исследования физико-химических, термодинамических и технических характеристик топлива из биомассы энергоинтенсивных культур, разработка технико-экономического обоснования целесообразности интродуцирования из мировой флоры и выращивания в республике биоэнергетических культур для получения различных видов топлива;
• создание и сертификация испытательного центра по контролю качества твердого и жидкого биотоплива, предлагаемого к использованию в Республике Беларусь для двигателей внутреннего сгорания;
• организация производства метиловых эфиров жирных кислот в открытых акционерных обществах «Гродно Азот» и «Могилевхимволокно», рапсового масла на унитарном конструкторско-производственном предприятии «Завод по переработке масличных культур».

Ввод в эксплуатацию 10 биогазовых установок мощностью 125 кВт позволит экономить в год  не менее 9 млн. кВт•ч электроэнергии.