Биомасса

редактировать
Биологический материал, используемый в качестве возобновляемого источника энергии Древесные гранулы

Биомасса - это растительный или животный материал, используемый для получения энергии производство (электричество или тепло) или в различных промышленных процессах в качестве сырья для ряда продуктов. Это могут быть специально выращенные энергетические культуры (например, мискантус, просо ), древесина или лесные остатки, отходы пищевых культур (пшеничная солома, жмых ), садоводство ( дворовые отходы), пищевая промышленность (кукурузные початки), животноводство (навоз, богатый азотом и фосфором) или отходы жизнедеятельности предприятий по очистке сточных вод.

Сжигание биомассы растительного происхождения выделяет CO 2, но он по-прежнему классифицируется как возобновляемый источник энергии в правовых рамках ЕС и ООН, поскольку фотосинтез возвращает CO 2 обратно в новые культуры. В некоторых случаях эта рециркуляция CO 2 из растений в атмосферу и обратно в растения может быть даже отрицательной по CO 2, поскольку относительно большая часть CO 2 перемещается в почву во время каждого цикла.

Совместное сжигание биомассы на угольных электростанциях увеличилось, поскольку это позволяет выделять меньше CO 2 без затрат, связанных со строительством новой инфраструктуры. Однако совместное сжигание сопряжено с проблемами, часто наиболее выгодным является обновление биомассы. Переход на топливо более высокого качества можно осуществить различными методами, которые в целом классифицируются как термические, химические или биохимические (см. Ниже).

Содержание

  • 1 Сырье биомассы
  • 2 Конверсия биомассы
    • 2.1 Термические конверсии
    • 2.2 Химическая конверсия
    • 2.3 Биохимическая конверсия
    • 2.4 Электрохимические превращения
  • 3 Воздействие на окружающую среду
    • 3.1 Углеродная нейтральность
    • 3.2 Производство энергии по сравнению с другими возобновляемыми источниками
  • 4 См. Также
  • 5 Примечания
  • 6 Ссылки
  • 7 Источники
  • 8 Внешние ссылки

Сырье для биомассы

Завод по производству биомассы в Шотландия. Древесные отходы вне электростанции, работающей на биомассе. Багасса - это отходы, оставшиеся после измельчения сахарного тростника для получения сока. Мискантус x giganteus энергетическая культура, Германия.

Исторически люди использовали энергию, полученную из биомассы, с тех пор, как люди начали сжигать древесное топливо. Даже в 2019 году биомасса является единственным источником топлива для внутреннего потребления во многих развивающихся странах. Вся биомасса - это вещество, произведенное биологическим путем, на основе углерода, водорода и кислорода. Предполагаемое производство биомассы в мире составляет около 100 миллиардов метрических тонн углерода в год, примерно половина в океане и половина на суше.

Древесина и древесные отходы, например ель, береза ​​, эвкалипт, ива, масличная пальма на сегодняшний день остается крупнейшим источником энергии биомассы. Он используется непосредственно в качестве топлива или перерабатывается в пеллетное топливо или другие виды топлива. Биомасса также включает растительный или животный материал, который можно преобразовать в топливо, волокна или промышленные химические вещества. Существует множество видов растений, в том числе кукуруза, просо, мискантус, конопля, сорго, <169.>сахарный тростник и бамбук. Основными отходами энергии являются древесные отходы, сельскохозяйственные отходы, твердые бытовые отходы, производственные отходы и свалочный газ. Осадок сточных вод - еще один источник биомассы. В настоящее время ведутся исследования с участием водорослей или биомассы, полученной из водорослей. Другое сырье для биомассы - это ферменты или бактерии из различных источников, выращенные в клеточных культурах или гидропонике.

В зависимости от источника биомассы биотопливо в широком смысле классифицируются на две основные категории:

биотопливо первого поколения получают из пищевых источников, таких как сахарный тростник и кукурузный крахмал. Сахара, присутствующие в этой биомассе, ферментируются для производства биоэтанола, спиртового топлива, которое служит добавкой к бензину, или в топливном элементе для производства электроэнергии.

Биотопливо второго поколения. использовать непищевые источники биомассы, такие как многолетние энергетические культуры (культуры с низким уровнем затрат) и сельскохозяйственные / муниципальные отходы. Существует огромный потенциал для биотоплива второго поколения, но ресурсы в настоящее время используются недостаточно.

Преобразование биомассы

Тепловое преобразование

Тюки соломы

Процессы термического преобразования используют тепло в качестве доминирующего механизма превратить биомассу в более качественное и практичное топливо. Основными альтернативами являются торрефикация, пиролиз и газификация, они разделены в основном по степени протекания соответствующих химических реакций (в основном контролируемых наличие кислорода и температура конверсии).

Существуют и другие менее распространенные, более экспериментальные или запатентованные термические процессы, которые могут дать преимущества, такие как гидротермальная модернизация. Некоторые из них были разработаны для использования на биомассе с высоким содержанием влаги, включая водные суспензии, и позволяют преобразовывать их в более удобные формы.

Химическая конверсия

Для преобразования биомассы в другие формы, например, для производства топлива, которое более практично хранить, транспортировать и использовать, или использовать некоторые из них, может использоваться ряд химических процессов. свойство самого процесса. Многие из этих процессов в значительной степени основаны на аналогичных процессах на основе угля, таких как синтез Фишера-Тропша. Биомасса может быть преобразована в различные химические продукты.

Биохимическое преобразование

Поскольку биомасса является природным материалом, в природе разработано множество высокоэффективных биохимических процессов для разрушения молекул, из которых состоит биомасса, и можно использовать многие из этих процессов биохимического превращения. В большинстве случаев для осуществления процесса преобразования используются микроорганизмы: анаэробное расщепление, ферментация и компостирование.

Гликозидгидролазы - ферменты, участвующие в деградации основной фракции биомассы, такой как полисахариды, присутствующие в крахмале и лигноцеллюлозе. Термостабильные варианты становятся все более популярными в качестве катализаторов в процессах биопереработки, поскольку непокорная биомасса часто требует термической обработки для более эффективного разложения.

Электрохимические преобразования

Биомасса может быть напрямую преобразована в электрическую энергию с помощью электрохимических (электрокаталитических)) окисление материала. Это может быть выполнено непосредственно в углеродном топливном элементе, прямом топливном элементе на жидком топливе, таком как этанольный топливный элемент прямого действия, метанольный топливный элемент прямого действия, прямой топливный элемент с муравьиной кислотой, топливный элемент с L-аскорбиновой кислотой (топливный элемент с витамином C) и микробный топливный элемент. Топливо также может потребляться косвенно через систему топливного элемента, содержащую риформер, который преобразует биомассу в смесь CO и H 2 перед тем, как она будет израсходована в топливном элементе.

Воздействие на окружающую среду

Надземная биомасса в лесу на га

Углеродная нейтральность

При сжигании поглощенный растениями CO 2 возвращается обратно в Атмосфера. После периода роста, продолжающегося от нескольких месяцев до десятилетий, этот сгоревший CO 2 повторно абсорбируется новыми растениями. В зависимости от размера вновь выращенной биомассы ранее сожженный CO 2 частично или полностью абсорбируется. Если используются неустойчивые методы ведения лесного хозяйства, ранее сжигаемый CO 2 реабсорбируется только частично.

В дополнение к поглощению CO 2 и хранению его в виде углерода в его надземная ткань, все культуры биомассы также изолируют углерод под землей, в корнях и почве. Как правило, многолетние культуры улавливают больше углерода, чем однолетние, потому что рост корней может продолжаться в течение многих лет. Кроме того, многолетние культуры избегают ежегодных процедур обработки почвы (вспашка, копка), связанных с выращиванием однолетних культур. Обработка почвы вызывает аэрацию, которая ускоряет скорость разложения углерода в почве, за счет стимуляции популяций почвенных микробов .

Органический углерод почвы, по наблюдениям, быть больше под культурами просо проса, чем под культурными пахотными землями, особенно на глубине ниже 30 см (12 дюймов). McCalmont et al. сравнил ряд отдельных европейских отчетов о секвестрации углерода Miscanthus x giganteus и обнаружил, что скорость накопления колеблется от 0,42 до 3,8 тонны на гектар в год при средней скорости накопления 1,84 тонны (0,74 тонны на акр в год).), или 25% от общего собираемого углерода в год. Большое мета-исследование 138 отдельных исследований, проведенное Харрисом и др., Показало, что многолетние травы второго поколения (мискантус и просо), посаженные на пахотных землях, в среднем накапливают в почве в пять раз больше углерода, чем поросль с коротким ротацией или лесное хозяйство с коротким ротацией. насаждения (тополь и ива). По сравнению с ископаемым топливом, экономия парниковых газов (ПГ) велика - даже без учета парникового эффекта связывания углерода, мискантусовое топливо имеет стоимость парниковых газов 0,4–1,6 грамма эквивалента CO на мегаджоуль по сравнению с 33 граммами для угля22. для сжиженного природного газа, 16 для газа Северного моря и 4 для древесной щепы, импортируемой в Великобританию из США.

Это общий объем поглощения и общий объем выбросов, которые вместе определяют, будет ли жизненный цикл ПГ Стоимость биотопливного проекта бывает положительной, нейтральной или отрицательной. Если выбросы при сельском хозяйстве, переработке, транспортировке и сжигании выше, чем абсорбированные как над, так и под землей во время роста сельскохозяйственных культур, стоимость жизненного цикла ПГ будет положительной. Аналогичным образом, если общее поглощение выше, чем общие выбросы, стоимость жизненного цикла будет отрицательной.

Многие проекты по производству биомассы первого поколения имеют положительную стоимость жизненного цикла ПГ, особенно если выбросы, вызванные прямым или косвенным изменением землепользования, включены в расчет стоимости ПГ. Некоторые из них имеют даже более высокие общие выбросы ПГ, чем некоторые альтернативы на основе ископаемого топлива. Транспортное топливо в этом отношении может быть хуже твердого топлива.

Отрицательные углеродные (мискантус) и углеродно-положительные (тополь) способы производства.

Поскольку выбросы, возникающие в результате сжигания, могут быть поглощены ростом растений в следующем сезоне, углеродно-отрицательная жизнь Цикл возможен, если накопление углерода под землей более чем компенсирует выбросы, не связанные со сжиганием (в основном, выбросы от сельского хозяйства, переработки и транспорта). Например, Whitaker et al. утверждают, что культура мискантуса с урожайностью 10 тонн с гектара в год улавливает столько углерода, что эта культура более чем компенсирует как сельскохозяйственные выбросы, так и транспортные выбросы. На диаграмме справа показаны два пути образования мискантуса с отрицательным CO и два пути образования тополя с отрицательным CO, представленные в граммах эквивалента CO на мегаджоуль. Полоски расположены последовательно и перемещаются вверх и вниз по мере увеличения и уменьшения содержания CO в атмосфере. Серые / синие столбцы представляют выбросы, связанные с сельским хозяйством, переработкой и транспортом, зеленые столбцы представляют изменение углерода в почве, а желтые ромбы представляют общие конечные выбросы.

Зависимость между урожайностью над землей (диагональные линии), органическим углеродом почвы (X ось), и потенциал почвы для успешного / неудачного связывания углерода (ось Y). По сути, чем выше урожай, тем больше земли можно использовать в качестве инструмента снижения выбросов парниковых газов (включая относительно богатые углеродом земли).

Успешное связывание зависит от участков посадки, поскольку лучшими для связывания являются почвы с низким содержанием углерода.. Разнообразие результатов, отображаемых на графике, подчеркивает этот факт. В Великобритании ожидается успешная секвестрация пахотных земель на большей части территории Англии и Уэльса, с неудачной секвестрацией в некоторых частях Шотландии из-за уже богатых углеродом почв (существующих лесных массивов) плюс более низкой урожайности. Почвы, уже богатые углеродом, включают торфяники и спелые леса. Milner et al. далее утверждают, что наиболее успешное связывание углерода в Великобритании происходит ниже улучшенных пастбищ. Однако Harris et al. отмечает, что, поскольку содержание углерода в пастбищах значительно различается, степень успешности землепользования меняется от пастбищ к многолетним. На нижнем графике отображается расчетная урожайность, необходимая для достижения отрицательности CO для различных уровней существующей насыщенности почвы углеродом. Чем выше выход, тем более вероятна отрицательность CO 2.

Лесные проекты по использованию биомассы могут иметь долгую ротацию, и за это неоднократно подвергались критике. Проекты, связанные с использованием биомассы, также подвергались критике за неэффективное сокращение выбросов парниковых газов со стороны ряда экологических организаций, включая Гринпис. В то время как в обычном лесном хозяйстве период ротации обычно составляет несколько десятилетий, в лесном хозяйстве с коротким ротацией (SRF) время ротации составляет 8–20 лет, а в лесном хозяйстве с коротким ротацией (SRC) - 2-4 года. Многолетние травы, такие как мискантус или нейпир, имеют время оборота 4–12 месяцев.

Сжигание биомассы основано на углероде и поэтому вызывает загрязнение воздуха в виде диоксида углерода, оксида углерода, летучих органических соединений., твердые частицы и другие загрязнители. В 2009 году шведское исследование гигантской коричневой дымки, которая периодически покрывает большие площади в Южной Азии, показало, что две трети ее образовались в основном в результате приготовления пищи в жилых помещениях и сжигания сельскохозяйственных культур, а одна треть - в результате сжигания ископаемого топлива. Использование древесной биомассы в качестве промышленного топлива приводит к образованию меньшего количества твердых частиц и других загрязнителей, чем при горении, наблюдаемом при лесных пожарах или пожарах на открытых площадках.

Производство электроэнергии по сравнению с другими возобновляемыми источниками энергии

Для расчета требования к землепользованию для различных видов производства энергии, важно знать соответствующие удельные мощности мощности для конкретных территорий. По оценке Смила, средние удельные удельные мощности мощности для производства биотоплива, ветра, гидро- и солнечной энергии составляют 0,30 Вт / м, 1 Вт / м, 3 Вт / м и 5 Вт / м, соответственно (мощность в виде тепла для биотопливо и электричество для ветра, воды и солнца). Среднее потребление энергии человеком на свободных ото льда землях составляет 0,125 Вт / м (вместе тепло и электричество), хотя в городских и промышленных районах оно возрастает до 20 Вт / м. Причина низкой удельной удельной мощности удельной мощности для биотоплива заключается в сочетании низкой урожайности и лишь частичного использования установки при производстве жидкого топлива (например, этанол обычно получают из сахарного тростника или кукурузного крахмала, а биодизель часто бывает изготовлен из рапсового и соевого масла).

Smil оценивает следующие плотности биотоплива:

этанол

Реактивное топливо

Биодизель

  • Рапс 0,12 Вт / м (в среднем по ЕС)
  • Рапс (с поправкой на энергозатраты, Нидерланды) 0,08 Вт / м
  • Сахарная свекла (с поправкой на потребляемая энергия, Испания) 0,02 Вт / м

Сжигание твердой биомассы более энергоэффективно, чем сжигание жидкости, поскольку используется вся установка. Например, кукурузные плантации, производящие твердую биомассу для сжигания, производят более чем в два раза больше энергии на квадратный метр по сравнению с кукурузными плантациями, производящими этанол, когда урожайность такая же: 10 т / га генерируют 0,60 Вт / м и 0,26 Вт / м

Сухая биомасса печей в целом, включая древесину, мискантус и траву, имеет теплотворную способность примерно 18 ГДж / т. При расчете выработки электроэнергии на квадратный метр каждая т / га урожая сухой биомассы увеличивает выработку электроэнергии плантацией на 0,06 Вт / м. Следовательно, Смил оценивает следующее:

В Бразилии средняя урожайность эвкалипта составляет 21 т / га ( 1,26 Вт / м), но в Африке, Индии и Юго-Восточной Азии урожайность эвкалипта составляет менее 10 т / га (0,6 Вт / м).

По оценкам ФАО (Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций), Урожайность лесных плантаций во всем мире составляет от 1 до 25 м с гектара в год, что эквивалентно 0,02–0,7 Вт / м (0,4–12,2 т / га):

  • Сосна (Россия) 0,02–0,1 Вт / м (0,4 –2 т / га или 1–5 м)
  • Эвкалипт (Аргентина, Бразилия, Чили и Уругвай) 0,5–0,7 Вт / м (7,8–12,2 т / га или 25 м)
  • Тополь (Франция, Италия) 0,2–0,5 Вт / м (2,7–8,4 т / га или 25 м)

Оценка Smil что естественные смешанные леса умеренного пояса дают в среднем 1,5–2 тонны сухого вещества с гектара (2–2,5 м, что эквивалентно 0,1 Вт / м), в диапазоне от 0,9 м3 в Греции до 6 м во Франции).

Как упоминалось выше, по оценке Смила, средний мировой показатель по выработке ветровой, гидро- и солнечной энергии составляет 1 Вт / м, 3 Вт / м и 5 Вт / м соответственно. Чтобы соответствовать этой плотности мощности, урожайность плантаций должна достигать 17 т / га, 50 т / га и 83 т / га для ветра, воды и солнца соответственно. Это кажется достижимым для упомянутых выше тропических плантаций (урожайность 20–25 т / га) и для слоновых трав, например мискантус (10–40 т / га) и нейпир (15–80 т / га), но маловероятно для лесных и многих других культур, выращивающих биомассу. Чтобы соответствовать среднемировому уровню биотоплива (0,3 Вт / м), плантации должны производить 5 тонн сухой массы на гектар в год.

Урожайность необходимо отрегулировать, чтобы компенсировать количество влаги в биомассе (испарение влаги для достижения точки воспламенения обычно является пустой тратой энергии). Влажность соломы или тюков биомассы варьируется в зависимости от влажности окружающего воздуха и возможных мер по предварительной сушке, в то время как пеллеты имеют стандартизованное (определенное ISO) содержание влаги ниже 10% (древесные пеллеты) и ниже 15% (другие пеллеты). Аналогичным образом, потери при передаче по линиям электропередачи в мире составляют примерно 8% для ветра, гидро- и солнечной энергии, и их следует учитывать. Если биомасса должна использоваться для производства электроэнергии, а не для производства тепла, обратите внимание, что урожайность должна быть примерно утроена, чтобы конкурировать с ветром, гидро- и солнечной энергией, поскольку нынешняя эффективность преобразования тепла в электричество составляет всего 30-40%. При простом сравнении удельной удельной мощности по площади без учета стоимости, такая низкая эффективность преобразования тепла в электричество эффективно выталкивает по крайней мере солнечные парки из досягаемости даже самых урожайных плантаций биомассы с точки зрения удельной мощности.

См. Также

  • значок Энергетический портал
  • значок Портал возобновляемых источников энергии
  • значок Экологический портал

Примечания

Ссылки

Источники

Внешние ссылки

Найдите биомасса в Викисловарь, th Электронный бесплатный словарь.
Викискладе есть медиафайлы, связанные с Биомасса.
Последняя правка сделана 2021-05-12 06:51:09
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте