Биоэнергетика –энергетика, основанная на использовании биомассы как источник возобновляемой энергии.

Лекция №12. Биоэнергетика. Биотопливо

Содержание лекции: биомасса, биотопливо и его характеристика, классификация энергетических процессов по переработке биомассы, производство и использование биомассы, методы получения спирта и его использование, технология получения биогаза и конструкций биогазовых установок

Цель лекции: изучение способов получения различных видов биотоплива и их использования

Биоэнергетика –энергетика, основанная на использовании биомассы как источник возобновляемой энергии.

То, из чего состоят растения и животные, принято называть биомассой. Основа биомассы – органические соединения углерода, которые в процессе соединения с кислородом при сгорании или в результате естественного метаболизма выделяют тепло. Посредством химических или биохимических процессов биомасса может быть трансформирована в такие виды топлива, как газообразный метан, жидкий метанол, твердый древесный уголь. Первоначальная энергия системы биомасса – кислородвозникает в процессе фотосинтеза под действием солнечного из-лучения, являющегося естественным вариантом преобразования солнечной энергии. При сгорании энергия биотоплива рассеивается, но продукты сгорания могут вновь преобразовываться в биотопливо путем естественных экологических или сельскохозяйственных процессов. Та-ким образом, использование промышленного биотоплива, будучи хорошо увязанным с природными экологическими циклами, может не да-вать загрязнений и обеспечивать непрерывный процесс получения энер-гии. Подобные системы называются агропромышленными. Для них наибольшие успехи достигнуты в отраслях, перерабатывающих сахар-ный тростник и древесину.

Из общего количества биомассы только 0,5 %употребляется человечеством в виде пищи.

Промышленное использование энергии биомассы может быть весьма значительным. За счет отходов производства сахара в поставляющих его странах покрывается до 40 % потребностей в топливе. Применение биотоплива в виде дров, навоза и ботвы растений имеет первостепенное значение в домашнем хозяйстве примерно 50 % населения планеты, обеспечивая выработку в целом около 300 ГВт. Но если предположить, что биомасса возобновляется, то необходимо обеспечить ее производство, по крайней мере, на одном уровне с потреблением.

Некоторое особенности биомассы, которых необходимо учитывать при их использовании:

1. Каждый вид производства биомассы способен дать широкий спектр разнообразных продуктов;

2. При некоторых технологиях отдельные виды топлива, получаемого из биомассы, могут потребовать для своего производства больше энергии, чем смогут дать.

3. Производство биотоплива экономически оправдано только в том случае, если используются ритмично пополняемые запасы дешевого сырья. В качестве примеров подходящих запасов можно привести навоз скотных дворов, обрезки и опилки лесопилок, городские стоки, солому злаковых культур и т. п. Если предварительная концентрация сырья отсутствует, то его сбор может оказаться технически слишком сложным и дорогостоящим.

4. Основные опасности экстенсивного использования топлива из биомассы – уничтожение лесов, эрозия почв, замена урожаев, идущих в пищу, «урожаями» топлива.

6. Биотоплива – это производные органических соединений, и все-гда существует альтернатива использования последних в качестве хи-мического сырья или конструкционных материалов. Например, пальмо-вое масло – один из компонентов мыла; из натурального сырья можно производить пластмассы и фармакологические препараты; композитные материалы на основе растительных волокон можно использовать в строительстве и т. д.

В качестве топлива биомасса характеризуется содержанием влаги и углерода. Материал считается «сухим», если находится в длительном равновесии со средой, обычно при этом он содержит от 10 до 15 % влаги. Присутствие влаги в топливе из биомассы часто ведет к значительным потерям выхода тепловой энергии в связи с тем, что испарение воды требует 2,3 МДж/кг.

Углеродные топлива могут классифицироваться по уровню восстановления энергии. Так, сахар (R=1) имеет теплоту сгорания около 450 кДж на 12 г углерода, содержащегося в нем. Полностью преобразуемый материал, например метан СН4 (R = 2), имеет теплоту сгорания около 900 кДж на 12 г углерода (или на 16 г самого метана).

Важна и плотность биомассы. Обычно сухие биологические мате-риалы имеют плотность в 3…4 раза ниже, чем уголь. Доставка и пере-работка таких материалов из-за этого оказывается трудоемкой и дорогостоящей, особенно если утилизация ведется вдали от источников произ-водства биомассы.

Классификация основных типов энергетических процессов, связанных с переработкой биомассы.

Термохимические процессы

1. Прямое сжигание для непосредственного получения тепла. Предпочтительно введение сухого гомогенного топлива.

2. Пиролиз. Биомассу нагревают либо в отсутствие воздуха, либо за счет сгорания некоторой ее части при ограниченном доступе воздуха или кислорода. Состав получающихся при этом продуктов чрезвычайно разнообразен. Здесь и газы, и пары, и жидкости, и масла, и древесный уголь. Если основным продуктом пиролиза является горючий газ, то процесс называют газификацией.

3. Прочие термохимические процессы. В промышленных масштабах они обычно ведутся при строгом контроле химического состава продуктов реакций. Особое значение имеют такие технологии, при которых целлюлоза и крахмалы превращаются в сахара для последующей ферментации.

Биомеханические процессы

4. Спиртовая ферментация. Этиловый спирт – летучее жидкое то-пливо, которое можно использовать вместо бензина. Он вырабатывается микроорганизмами в процессе ферментации. Обычно для ферментации в качестве сырья используют сахара.

5. Анаэробная переработка (сбраживание). В отсутствие кислорода некоторые микроорганизмы способны получать энергию, непосредственно перера-батывая углеродсодержащие составляющие при средних уровнях вос-становления производя при этом СО2 и СН4 (метан). Получаемая смесь СО2, СН4 и попутных газов называется биогазом.

6. Биофотолиз. Фотолиз – это разложение воды на водород и ки-слород под действием света. Некоторые биологические организмы продуцируют или могут при определенных условиях продуцировать водород путем биофотолиза.

Агрохимические процессы

7. Экстракция топлив. В некоторых случаях жидкие или твердые разновидности топлива могут быть получены прямо от живых или только что срезанных растений. Сок живых растений собирают, надрезая кожуру стеблей или стволов, из свежесрезанных растений его выдавли-вают под прессом. Хорошо известный подобный процесс – получение каучука. Родственное каучуконосам растение Герея (также из рода Эу-форбия) производит углеводороды с более низкой, чем у каучуконосов, молекулярной массой, которые могут использоваться в качестве заме-нителей бензина.