Биомасса - источник энергии

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ  БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФФЕСИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  «ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ФАКУЛЬТЕТ АГРОБИЗНЕСА И  ЭКОЛОГИИ.

КАФЕДРА РАСТЕНИЕВОДСТВА.

 

 

 

 

 

 

Реферат по БЭР

на тему:

«Биомасса-источник энергии».

 

 

 

 

 

                                                                      Выполнила: студентка группы БЭФ-225                           экономического факультета Котова Ю.А.

 

 

                                                                            Проверил: Мельник А.Ф.

 

 

 

Орел 2013г.

Содержание.

Ведение

1. Понятие «биомасса»
2. Химический состав биомассы
3. Преимущества биомассы
4. Образование биомассы.
5. Использование биомассы в качестве источника энергии в мире.
6. Экологические преимущества биомассы.
7. Метод прямой конверсии биомассы в топливо.
8. Биодизельное топливо.
9. Недостатки биодизеля.
10. Биодизель в России.
11. Древесные отходы.
12. Отходы сельского хозяйства.
13. Быстрорастущие растения.
14. Выращивание и переработка водорослей.
15. Цианобактерии и биотопливо.
16. Биогаз.
17. Пеллеты.

Заключение. 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Биомасса  представляет собой древнейший источник энергии, однако её использование до недавнего времени сводилось  к прямому сжиганию либо в открытых очагах, либо в печах и топках, но также с весьма низким КПД. В  последнее время внимание к эффективному энергетическому использованию  биомассы существенно повысилось, причем в пользу этого появились и  новые аргументы:

• использование растительной биомассы при условии её непрерывного восстановления (например, новые лесные посадки после вырубки леса) не приводит к увеличению концентрации СО2 в атмосфере;
• в промышленно развитых странах в последние годы появились излишки обрабатываемой земли, которую целесообразно использовать под энергетические плантации;
• энергетическое использование отходов (сельскохозяйственных, промышленных и бытовых) решает также экологические проблемы;
• вновь созданные технологии позволяют использовать биомассу значительно более эффективно.

Потенциал биомассы, пригодный для энергетического  использования в большинстве  стран достаточно велик, и его  эффективному использованию уделяется  значительное внимание.

В США  в 1990 г. благодаря использованию  биомассы было произведено 31 млрд. кВт*ч  электроэнергии, кроме того, за счет твердых бытовых отходов (ТБО) еще 10 млрд. кВт*ч. На 2010 г. планируется выработать соответственно 59 и 54 млрд. кВт*ч. Оценка технического потенциала различных  видов биомассы, выполненная в  Германии, дает: остатки лесной и  деревоперерабатывающей промышленности - 142 млн. ГДж/год; солома - 104 млн. ГДж/год; биогаз - 81 млн. ГДж/год.

Особенно  остра проблема эффективного использования  биомассы для развивающихся стран, прежде всего для тех, у которых  биомасса является единственным доступным  источником энергии. Здесь в основном речь идет о рациональном использовании  древесины и различных сельскохозяйственных и бытовых отходов. Известно, что  сегодня население некоторых  стран, прежде всего Африки, вырубает леса на дрова для приготовления  пищи, и что этот процесс обезлесевания представляет собой угрозу как местному, так и глобальному климату. Используемые сегодня дровяные очаги для приготовления пищи имеют КПД 14-15%. Применяя более совершенные устройства, этот КПД легко повысить до 35- 50%, т.е. сократить потребность в исходном топливе более чем в 3 раза. Хорошо известна программа Бразилии, посвященная получению из отходов сахарного тростника метанола, применяемого как моторное топливо для автотранспорта. Однако этот пример интересен только для стран с соответствующим климатом.

Большое распространение в некоторых  странах (Китай, Индия и др.) получили малые установки, утилизирующие  отходы для одной семьи. В этих установках, число которых исчисляет  миллионами, в результате анаэробного  сбраживания производится биогаз, используемый для бытовых нужд. Эти установки весьма просты, но не очень совершенны. Для больших ферм со значительным количеством отходов создаются более эффективные биогазовые установки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Понятие «биомасса»

Понятие «биомасса» относят к веществам  растительного или животного  происхождения, а также отходам, получаемым в результате их переработки. В энергетических целях энергию  биомассы используют двояко: путем  непосредственного сжигания или  путем переработки в топливо (спирт  или биогаз). Есть два основных направления  получения топлива из биомассы: с  помощью термохимических процессов  или путем биотехнологической переработки. Опыт показывает, что наиболее перспективна биотехнологическая переработка органического  вещества. В середине 80-х годов  в разных странах действовали  промышленные установки по производству топлива из биомассы.

Биомасса, как производная энергии Солнца в химической форме, является одним  из наиболее популярных и универсальных  ресурсов на Земле. Она позволяет  получать не только пищу, но и энергию, строительные материалы, бумагу, ткани, медицинские препараты и химические вещества. Биомасса используется для  энергетических целей с момента  открытия человеком огня. Сегодня  топливо из биомассы может использоваться для различных целей - от обогрева жилищ до производства электроэнергии и топлив для автомобилей.

 

Химический состав биомассы.

 Химический  состав биомассы может различаться  в зависимости от ее вида. Обычно растения состоят из 25% лигнина и 75% углеводов или сахаридов. Углеводородная фракция состоит из множества  молекул сахаридов, соединенных  между собой в длинные полимерные цепи. К наиболее важным категориям углеводородов можно отнести  целлюлозу. Лигниновая фракция состоит из молекул несахаридного типа. Природа использует длинные полимерные молекулы целлюлозы для образования тканей, обеспечивающих прочность растений. Лигнин представляет собой "клей", который связывает молекулы целлюлозы между собой.

 

 

Преимущества биомассы.

1. Биомасса – возобновляемый источник энергии. Это значит, что она не может быть исчерпана как ископаемые виды топлива. Биомасса, в основном, происходит от растений, которые необходимы для поддержания жизни на Земле. Другими словами, до тех пор, пока растения будут на этой планете, биомасса будет доступна в качестве возобновляемого источника энергии.

2. Биомасса предотвращает изменение климата, путем сокращения выбросов парниковых газов. Хотя использование биомассы связано с определенным уровнем выбросов, но этот уровень значительно меньше, чем у доминирующих источников, популярных в настоящее время.

 

3. Чистая окружающая среда. Биомасса способствует очищению окружающей среды. Население планеты постоянно увеличивается, и с увеличением населения также существует проблема увеличения отходов, которые должны быть утилизированы. Многий мусор попадает в реки, океаны и наносит вред на соседние экосистемы, а также оказывает отрицательное воздействие на здоровье человека. Вместо того, весь этот мусор можно использовать для производства энергии, что поможет очистке окружающей среды от различных загрязнений.

4. Биомасса – широкодоступный источник энергии. Есть множество потенциальных источников биомассы, а это одно из главных преимуществ использования энергии перед ископаемым топливом. Многие эксперты уверенны, что энергия биомассы, как в экономическом, так и в экологическом плане, будет всегда в верхней части списка, как один из лучших энергетических источников.

 

 

 

 

 

 

Образование биомассы.

Двуокись  углерода из атмосферы и вода из грунта участвуют в процессе фотосинтеза  с получением углеводов (сахаридов), которые и образуют "строительные блоки" биомассы. Таким образом, солнечная  энергия, используемая при фотосинтезе, сохраняется в химической форме  в биомассовой структуре. Если мы сжигаем биомассу эффективным образом (извлекаем химическую энергию), то кислород из атмосферы и углерод, содержащийся в растениях, вступают в реакцию с образованием двуокиси углерода и воды. Процесс является циклическим, потому что в дополнение к своему эстетическому значению земной флоры биомасса представляет собой полезный и значимый ресурс для человека. В течение тысячелетий люди добывали энергию Солнца, сохраненную в виде энергии химических связей, сжигая биомассу в качестве топлива или употребляя ее в пищу, используя энергию сахаров и крахмала. В течение нескольких последних веков человечество научилось добывать ископаемую биомассу, в частности, в виде угля. Ископаемые виды топлива представляют собой результат очень медленной химической трансформации полисахаридов в химические соединения, сходные с лигниновой фракцией. В результате химический состав угля обеспечивает более концентрированный источник энергии. Все виды ископаемого топлива, которые потребляет человечество - уголь, нефть, природный газ - представляют собой древнюю биомассу. В течение миллионов лет на Земле остатки растений превращаются в топливо. Несмотря на то, что ископаемое топливо состоит из тех же компонентов - водорода и углерода - как и "свежая" биомасса, оно не может рассматриваться в качестве возобновляемого источника, потому что его образование требует весьма длительного времени.

Другое  важное различие между биомассой  и ископаемыми видами топлива  определяется их воздействием на окружающую среду. В процессе разложения растения химические вещества попадают в атмосферу. Напротив, ископаемое топливо "заперто" глубоко под землей и не воздействует на атмосферу до тех пор, пока не будет сожжено.

Древесина, по-видимому, является наиболее известным  примером биомассы. В процессе сжигания высвобождается энергия, которую дерево усвоило, поглотив солнечные лучи. Однако, древесина - только один пример биомассы. Кроме древесины могут использоваться и другие виды биомассы - сельскохозяйственные отходы (например, жом сахарного  тростника, стебли кукурузы, рисовая  солома и шелуха, скорлупа орехов), древесные  отходы (например, опилки, порубочные остатки, щепа), бумажные отходы, отходы зеленых  насаждений в городском мусоре, энергетические растения (быстрорастущие деревья, например, тополь или ива, и такие травы, как switchgrass or elephant grass ), а также метан, собранный на полигонах твердых бытовых отходов (ТБО), станциях очистки муниципальных сточных вод. Для этой цели может использоваться и навоз животноводческих и птицеферм.

 

Использование биомассы в качестве источника энергии в мире.

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.

Потребление биомассы растет быстрыми темпами и  в развитых странах. В некоторых  развитых странах биомасса используется весьма интенсивно. Например, Швеция и  Австрия обеспечивают 15% потребности  в первичных энергоносителях  за счет биомассы. Швеция планирует  увеличить потребление биомассы в будущем, сопроводив этот рост закрытием  атомных и тепловых электростанций, использующих ископаемые виды топлива.

В США, где 4% энергии получают из биомассы (почти столько же, как от атомных  электростанций), сегодня работают установки, сжигающие биомассу для  получения электроэнергии общей  установленной мощностью 9000 МВт. Биомасса может с легкостью обеспечить более 20% энергетических потребностей страны. Другими словами, имеющиеся  земельные ресурсы и инфраструктура сельского хозяйства позволяют  заменить все работающие атомные  станции без изменения цен на продоольственные товары. Более того, использование биомассы для производства этанола могло бы уменьшить импорт нефти на 50%.

 

 

 

 

Общая масса  живой материи (включая влажность) - 2000 миллиардов тонн

Общая масса  наземных растений - 1800 миллиардов тонн

Общая масса  леса -1600 миллиардов тонн

Количество  наземной биомассы на одного жителя - 400 тонн

Количество  энергии, накопленной наземной биомассой - 25 000 ЭДж (1     ЭДж=10+18 Дж)

Годовой прирост биомассы - 400 000 миллионов  тонн

Скорость  накопления энергии наземной биомассой - 3000 ЭДж/год (95 TВт)

Общее потребление  всех видов энергии - 400 ЭДж/год (12 TВт)

Потребление энергии биомассы - 55 ЭДж/год (1,7 TВт)

Экологические преимущества биомассы.

Использование энергии биомассы обладает многими  уникальными качествами, которые  обеспечивают его экологические  преимущества. Оно может способствовать смягчению проблемы изменения климата, уменьшить количество кислотных  дождей, эрозию почвы, загрязнение водоемов и нагрузку на полигоны ТБО, обеспечить среду для существования диких  видов животных и помочь поддерживать здоровые условия существования  лесов с помощью лучшего менеджмента.

 

Метод прямой конверсии биомассы в топливо.

Джоржем Хубером и двумя его студентами из университета штата Массачусетс был разработан метод прямой конверсии биомассы в топливо. Они опубликовали в журнале ChemSusChem статью с описанием метода селективного каталитического пиролиза целлюлозы, результатом которого является образование ароматических соединений (нафталин, толуол, этилбензол и др.), среди побочных продуктов - твердый углеродный материал, СО, СО2 и вода.

Реакцию проводили при 600 C на цеолитном катализаторе ZSM5. Процесс завершался всего за две минуты. Исходным реагентом служил очищенный порошок целлюлозы.

Представления о механизме процесса включают несколько  элементарных реакций - разложение целлюлозы  с образованием органических соединений, содержащих кислород, затем реакции  этих соединений внутри пор катализатора, где происходит дегидрирование, декарбонилирование, олигомеризация и другие химические превращения.

Эксперты  высоко оценили новую работу, хотя сами авторы признают, что это лишь первый шаг к эффективному преобразованию биомассы в моторное топливо. Первым делом предстоит изучить возможность  использования сырой биомассы, а  не порошка целлюлозы. Далее, основными  продуктами пиролиза являются ароматические  соединения, а их, согласно требованиям  правительственной организации  США - Агентства по охране окружающей среды - не должно быть больше 25% в общей  массе бензина. Значит, придется ограничиться добавкой полученной ароматики к алканам, либо проводить дополнительную реакцию гидрирования.

Тем не менее, несмотря на все эти ограничения, процесс д-ра Хубера привлечет большое внимание коллег и даст толчок к дальнейшим исследованиям в области экологически чистой энергетики, не приводящей к росту содержания углекислого газа в атмосфере.

Биодизельное топливо.

Биодизель (биодизельное топливо) - это экологически чистый вид топлива, альтернативный по отношению к минеральным видам, получаемый из растительных масел, и используемый для замены (экономии) обычного дизельного топлива. Сырьем для производства биодизеля могут быть различные растительные масла: рапсовое с химической точки зрения биодизель представляет собой метиловый эфир. При его производстве, в процессе этерификации, масла и жиры вступают в реакцию с метиловым спиртом и гидроксидом натрия, служащим катализатором, в результате чего образуются жирные кислоты, а также побочные продукты: глицерин и другие.

Биодизель может использоваться в обычных двигателях внутреннего сгорания, как самостоятельно, так и в смеси с обычным дизтопливом, без внесения изменений в конструкцию двигателя.

Обладая примерно одинаковым с минеральным  дизельным топливом энергетическим потенциалом, биодизель имеет ряд существенных преимуществ:

• он не токсичен, практически не содержит серы и канцерогенного бензола;
• разлагается в естественных условиях (примерно так же, как сахар);
• обеспечивает значительное снижение вредных выбросов в атмосферу при сжигании, как в двигателях внутреннего сгорания, так и в технологических агрегатах;
• увеличивает цетановое число топлива и его смазывающую способность, что существенно увеличивает ресурс двигателя;
• имеет высокую температуру воспламенения (более 100 °С), что делает его использование относительно безопасным;
• его источником являются возобновляемые ресурсы;

Биодизель получил широкое распространение во многих странах мира. Среди них, Германия, Австрия, Чехия, Франция, Италия, Швеция, США, а также другие страны. Специалисты по моторной технике считают биодизель лучшим топливом для моторов с самовоспламенением.

Сырьём  для производства биодизеля служат жирные, реже — эфирные масла различных растений или водорослей.

Европа  — рапс;

США —  соя;

Канада  — канола (разновидность рапса);

Индонезия, Филиппины — пальмовое масло;

Филиппины — кокосовое масло;

Индия —  ятрофа, (Jatropha);

Африка  — соя, ятрофа;

Бразилия  — касторовое масло.

Также применяется  отработанное растительное масло, животные жиры, рыбий жир и т. д.

 

Недостатки биодизеля.

• В холодное время года необходимо подогревать топливо, идущее из топливного бака в топливный насос, или применять смеси 20 % биодизеля и 80 % солярки марки В20.
• Долго не хранится (около 3 месяцев)
• Производство топлива из растений занимает сельскохозяйственные площади.

Биодизель в России.

В России не существует единой государственной  программы развития биодизельного топлива, но создаются региональные программы, например Алтайская краевая целевая программа «Рапс — биодизель». В Липецкой области создана Ассоциация Производителей Рапсового Масла.

Планируется строительство заводов по производству биодизеля в: Липецкой области, Татарстане, Алтайском крае, Ростовской области, Волгоградской области, Орловской области, Краснодарском крае, Омской области.

Древесные отходы.

Древесина добывается на постоянной основе: в  лесах в процессе вырубки. Оценить  ежегодный прирост лесов на Земле  достаточно сложно. По одной из приблизительных  оценок он составляет 12,5x109 м3/год с  содержанием энергии 182 ЭДж. Это соответствует 1,3 от общего потребления угля на планете. Среднегодовая добыча древесины в период 1985-1987г.г. составила 12,5x109 м3/год (эквивалент 40 ЭДж/год). Таким образом, часть прироста может быть дополнительно использована в энергетических целях в процессе ухода за лесами и, в озможно, даже увеличения при этом их производительности.

В процессе прореживания лесных плантаций создается  большое количество древесных отходов. Сегодня они зачастую остаются гнить  на месте. Это происходит даже в странах, в которых ощущается недостаток топлива. Древесные отходы могут  быть собраны, высушены и использованы в качестве топлива частными и  местными промышленными потребителями, однако большой объем и влажность  делают их транспортировку экономически нецелесообразной. В развивающихся странах, широко использующих древесный уголь в качестве топлива, производство угля в печах на месте образования отходов может уменьшить расходы на транспортировку. Механические рубительные машины для производства древесной щепы (30-40 мм) были созданы в Европе и Северной Америке в течение последних 15 лет. Такая щепа может быть легко высушена и использована в специализированных котлах. Использование порубочных остатков для отопления и/или производства электроэнергии представляет собой растущий бизнес во многих странах. Американские энергоснабжающие компании имеют более 9000 МВт мощностей, работающих с использованием биомассы (эквивалент 9 атомных блоков). Большинство установок построено за последние 10 лет. В Австрии общая мощность домашних котлов и котлов централизованного теплоснабжения (ЦТ), сжигающих древесные отходы, кору и щепу, достигает 1250 МВт. Мощность большинства котлов ЦТ находится в диапазоне 1-2 МВт. Имеется несколько установок большей мощности (15 МВт) и большое количество малых когенерационных установок.

Следующим источником древесных отходов является обработка деловой древесины. Сухие  опилки и другие отходы, возникающие  в процессе распиловки, представляют собой качественное топливо. По существующим оценкам, британская мебельная промышленность поставляет 35000 тонн таких отходов  в год (третья часть от общего количества), обеспечивая 0,5 ПДж энергии для отопления и горячего водоснабжения, а также для получения пара. В Швеции, где биомасса уже сегодня обеспечивает около 15% первичной энергии, отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности дают 200 ПДж в год, в основном в качестве топлива для ТЭЦ.

Древесное топливо составляет 10% топлива, используемого  в мире. В Азии и Латинской Америке  его доля составляет 20%, в Африке - 50%. При этом древесина является главным источником энергии, особенно в бытовых целях, во многих бедных развивающихся странах. В 22 странах  древесное топливо обеспечивает от 25 до 49% потребления энергии, в 17 странах - 50-74% и в 26 странах - 75-100%.

Увеличение  использования древесного угля в  Европе связано с промышленной революцией в Англии в 17 - 18 веках. В Швеции потребление  древесного угля выросло в течение 19 столетия в связи с производством  металла, в частности, высококачественной стали. Сегодня древесный уголь  остается важным видом бытового и, в  меньшей степени, промышленного  топлива во многих развивающихся  странах. Он преимущественно используется в городах, где простота хранения, высокая теплотворная способность (30 МДж/кг по сравнению с 15 МДж/кг для  древесины), меньшее количество дымовых выбросов и устойчивость к насекомым делают его более привлекательным, чем древесное топливо. В крупных городах Танзании доля древесного угля составляет 90% общего энергопотребления.

Отходы сельского хозяйства.

Сельскохозяйственные отходы представляют собой огромный источник биомассы. Отходы растениеводства и животноводства обеспечивают значительное количество энергии, уступающее только древесине, которая является главным видом  топлива из биомассы на Земле. Сельскохозяйственные отходы включают: отходы растительных культур, например, солому, некондиционную продукцию и излишки производства, а также отходы животноводства в  виде навоза. В Индии в 1985 году в  качестве топлива было использовано 110 млн тонн навоза и растительных остатков, что близко к объему использования  древесины - 133 млн тонн. В Китае  количество сельскохозяйственных отходов  в 2,2 раза превышает количество древесного топлива.

Каждый  год в мире образуются миллионы тонн соломы. Более половины этого количества не используется. Во многих странах  она сжигается на полях или  запахивается в землю. В некоторых  развитых странах экологическое  законодательство запрещает сжигание соломы на полях. Это привлекло внимание к соломе как к потенциальному источнику энергии.

Энергетическое  использование растительных остатков вызывает вопрос о том, какое количество может быть использовано без негативного  воздействия на урожай. В соответствии с опытом развитых стран, около 35% растительных остатков может быть удалено без  воздействия на будущий урожай.

Промышленные  отходы, содержащие биомассу, также  могут быть использованы для производства энергии. Например, из отходов производства спирта можно получить горючий газ. Другие полезные виды отходов включают отходы пищевой и текстильной промышленности.

 

Быстрорастущие растения.

Биомасса  может специально выращиваться на энергетических плантациях в виде деревьев или других видов растений, например, травы (сорго, сахарный тростник). Все эти виды растений могут быть использованы в  качестве топлива. Основным преимуществом  при этом является короткий период выращивания - обычно от трех до восьми лет. Для некоторых видов трав урожай может собираться каждые 6-12 месяцев. В мире существует около 100 миллионов гектаров земли, используемой для плантаций древесных культур.

Важными параметрами при выборе видов  растений для выращивания на энергетических плантациях являются: наличие вида на местном рынке, простота разведения, устойчивость развития в неблагоприятных  условиях и продуктивность, выраженная в производстве сухой биомассы на гектар в год (т/га/год). Продуктивность представляет собой параметр, определяющий способность растения использовать местные ресурсы. Это наиболее важный фактор при решении вопроса о  производстве биомассы с целью оптимизировать ее производство на определенной территории в определенный период времени с  наименьшими затратами. По этой причине  высокопроизводительные виды биомассы предпочтительны для производства энергии.

Некоторые виды растений демонстрируют  высокую продуктивность по сравнению  с другими при выращивании  в одинаковых условиях. Несмотря на то, что продуктивность различных  древесных пород зависит от типа почвы и климата, некоторые породы деревьев явно выделяются на общем  фоне. Например, некоторые сорта  эвкалипта имеют продуктивность 65 т/га/год сухой биомассы.

 

Выращивание и переработка водорослей.

        Специальное выращивание биомассы в виде микроскопических водорослей с последующим ее перебраживанием в спирт или метан позволяет создать искусственный аналог процесса образования органических топлив, превосходящий по скорости естественные процессы в миллионы раз. Соотношение между величиной первичной биологической продукции и веществом, захороненным и сохранившимся в морских осадках, составляет 1000:1.

Создание  специальных условий может многократно  ускорить образование топлива. КПД  фотосинтеза благодаря оптимизации  питания биогенными элементами, температуре  и перемешиванию может быть увеличен от 1,1 до 10 процентов. В процесс переработки  биомассы в газ и нефть может  быть включено все вещество, а не 0,001 его часть, как происходит в  природе, то есть естественный процесс  образования углеводородов может  быть значительно интенсифицирован. С этой точки зрения, большой интерес  вызывает одноклеточная водоросль  ботриококкус, содержание углеводородов в которой достигает 80 процентов от сухого веса.