Дата публикации: 06.05.2022
Жунусова Айза Қадыржанқызы
преподаватель
Алматинский университет энергетики и связи имени Гумарбека Даукеева
Тогжанова Жанар Кенжебековна
старший преподаватель
Алматинский университет энергетики и связи имени Гумарбека Даукеева
Усипбекова Динара Избасаровна
преподаватель-Казахский национальный медицинский университет имени С.Д.Асфендиярова
Бакытова Майгуль Бакытовна
преподаватель, Казахский национальный аграрный исследовательский университет
Аннотация - В данной статье рассматривается биомасса как возобновляемый источник энергии. В документе определены ресурсы, а также способы преобразования энергии биомассы в электроэнергию, технологии, связанные с извлечением энергии из биомассы, а также преимущества и недостатки использования биомассы в качестве источника энергии. В документе также рассматриваются несколько проектов в области биомассы в Соединенных Штатах и некоторых других частях мира и обсуждается будущее биомассы.
Введение. Биомасса - это термин, используемый для описания всего органического вещества, образующегося в результате фотосинтеза и существующего на поверхности земли. Они включают всю водную и наземную растительность и деревья, а также всю биомассу отходов, такую как твердые бытовые отходы (ТБО), муниципальные биотвердые вещества (сточные воды) и отходы животноводства (навоз), лесные и сельскохозяйственные отходы, а также некоторые виды промышленных отходов. Мировые энергетические рынки в значительной степени зависят от ископаемого топлива. Биомасса является единственным другим природным энергосодержащим углеродным ресурсом, количество которого достаточно велико, чтобы его можно было использовать в качестве замены ископаемого топлива [1].
В процессе фотосинтеза хлорофилл в растениях улавливает солнечную энергию, превращая углекислый газ из воздуха и воду из земли в углеводы, то есть сложные соединения, состоящие из углерода, водорода и кислорода. Когда эти углеводы сжигаются, они превращаются обратно в углекислый газ и воду и высвобождают содержащуюся в них солнечную энергию. Таким образом, биомасса функционирует как своего рода естественная батарея для хранения солнечной энергии.
Использование энергии из биомассы сыграло ключевую роль в эволюции человечества. До относительно недавнего времени это была единственная форма энергии, которая с пользой использовалась людьми, и до сих пор является основным источником энергии для более чем половины населения мира для бытовых энергетических нужд [2]. Одной из простейших форм биомассы является основной открытый огонь, используемый для обеспечения тепла для приготовления пищи, подогрева воды или обогрева воздуха в нашем доме. Существуют более сложные технологии для извлечения этой энергии и эффективного преобразования ее в полезное тепло или энергию. В середине 1800-х годов биомасса, в основном древесная биомасса, обеспечивала более 90% потребностей США в энергии и топливе, после чего потребление энергии из биомассы начало снижаться, поскольку ископаемое топливо стало предпочтительным источником энергии. Ожидается, что такая возможность использования ископаемого топлива и негативное воздействие использования ископаемого топлива на окружающую среду станут движущими силами, стимулирующими превращение биомассы в один из доминирующих энергетических ресурсов.
В отличие от ископаемого топлива, биомасса является возобновляемой в том смысле, что для замены того, что используется в качестве энергетического ресурса, требуется лишь короткий промежуток времени. Биомасса также является единственным возобновляемым источником энергии, который выделяет углекислый газ при использовании. Однако выброс компенсируется тем фактом, что выращенная биомасса использует углекислый газ из атмосферы для накопления энергии во время фотосинтеза. Если ресурс биомассы используется устойчиво, чистые выбросы углерода в течение периода времени цикла производства биомассы отсутствуют. На рисунке 1 показан энергетический цикл биомассы и способ использования биомассы для производства энергии в экологически чистой схеме [2].
Рисунок 1: Энергетический цикл Биомассы
Биомасса может быть преобразована в тепловую энергию, жидкое, твердое или газообразное топливо и другие химические продукты с помощью различных процессов преобразования. Биоэнергетические технологии являются проверенными вариантами производства электроэнергии в Соединенных Штатах с установленной мощностью 10 ГВт [5]. Все сегодняшние мощности основаны на зрелой технологии прямого сжигания. Будущие улучшения эффективности будут включать совместное сжигание биомассы в существующих угольных котлах и внедрение высокоэффективной газификации, систем комбинированного цикла, систем топливных элементов и модульных систем [5].
Как правило, известные биоэнергетические технологии включают прямое сжигание, совместное сжигание, газификацию, пиролиз, анаэробное сбраживание и ферментацию.
1. Прямое сжигание
Это, пожалуй, самый простой метод извлечения энергии из биомассы. Промышленные установки для сжигания биомассы могут сжигать многие виды топлива из биомассы, включая древесину, сельскохозяйственные отходы, древесный раствор для варки целлюлозы, твердые бытовые отходы (ТБО) и топливо, полученное из отходов. Биомасса сжигается для получения пара, пар вращает турбину, а турбина приводит в действие генератор, производящий электроэнергию. Из-за потенциального образования золы (которая загрязняет котлы, снижает эффективность и увеличивает затраты) для прямого сжигания используются только определенные виды материалов из биомассы.
2. Газификация
Газификация - это процесс, при котором твердое топливо подвергается воздействию высоких температур и ограниченного количества кислорода с получением газообразного топлива. Газ, получаемый в результате процесса, как показано на рисунке 2, представляет собой смесь таких газов, как монооксид углерода, диоксид углерода, азот, водород и метан. Затем газ используется для приведения в действие высокоэффективной газовой турбины с комбинированным циклом. Газификация имеет ряд преимуществ перед сжиганием твердого топлива. Одним из них является удобство – один из образующихся газов, метан, может обрабатываться аналогично природному газу и использоваться для тех же целей.
3. Пиролиз
В своей простейшей форме пиролиз представляет собой нагревание биомассы для удаления летучих веществ и оставления древесного угля. Этот процесс удвоил плотность энергии исходного материала, поскольку древесный уголь, который составляет половину веса исходной биомассы, содержит такое же количество энергии, что делает топливо более транспортабельным. Древесный уголь также горит при гораздо более высокой температуре, чем исходная биомасса, что делает его более полезным для производственных процессов. В последнее время разработаны более сложные методы пиролиза для сбора летучих веществ, которые в противном случае теряются в системе. Собранные летучие вещества образуют газ, богатый водородом (потенциальным топливом) и монооксидом углерода. Эти соединения синтезируются в метан, метанол и другие углеводороды.
4. Пищеварение
Переваривание биомассы происходит за счет использования анаэробных бактерий. Эти микроорганизмы обычно живут на дне болот или в других местах, где нет воздуха, потребляя мертвые органические вещества для производства метана и водорода. Мы заставляем эти бактерии работать на нас. Подавая органические вещества, такие как навоз животных или человеческие сточные воды, в резервуары, называемые варочными котлами, и добавляя бактерии, мы собираем выделяющийся газ для использования в качестве источника энергии. Этот процесс является очень эффективным средством извлечения полезной энергии из такой биомассы. Как правило, до двух третей топливной энергии навоза животных может быть восстановлено. Другим связанным с этим методом является сбор газообразного метана со свалок. Большая часть бытовых отходов из биомассы, таких как кухонные отходы, стрижка газонов и обрезка, попадает на местную свалку. В течение нескольких десятилетий анаэробные бактерии на дне таких наконечников могли неуклонно разлагать органическое вещество и выделять метан. Газ можно извлечь и использовать, закрыв место захоронения непроницаемым слоем глины, а затем вставив перфорированные трубы, которые будут собирать газ и выводить его на поверхность [7].
5. Ферментация
На протяжении веков люди использовали дрожжи и другие микроорганизмы для ферментации сахара различных растений в этанол. Производство топлива из биомассы путем ферментации является лишь продолжением этого процесса, хотя можно использовать более широкий спектр растительного сырья от сахарного тростника до древесного волокна. Например, отходы пшеничной мельницы в Новом Южном Уэльсе используются для производства этанола путем ферментации. Затем этанол смешивают с дизельным топливом для получения дизельного топлива, продукта, используемого грузовиками и автобусами в Австралии [7].
Технический прогресс неизбежно улучшит этот метод. Например, ученые из Австралии и США заменили дрожжи в процессе ферментации генетически модифицированной бактерией. Этот процесс значительно повысил эффективность ферментации макулатуры и других видов древесного волокна в этанол.
Биотопливо: Биомасса преобразуется в транспортное топливо, такое как этанол, метанол, биодизельное топливо и добавки для переформулированного бензина. Биотопливо используется в чистом виде или в смеси с бензином.
Этанол: Этанол, наиболее широко используемое биотопливо, производится путем ферментации биомассы в процессе, аналогичном пивоварению. В настоящее время большая часть из 1,5 миллиардов галлонов этанола, используемого в США каждый год, производится из кукурузы и смешивается с бензином для улучшения характеристик транспортных средств и снижения загрязнения воздуха.
Метанол: Метанол, полученный из биомассы, получают путем газификации. Биомасса преобразуется в синтез-газ (синтез-газ), который перерабатывается в метанол. Большая часть из 1,2 миллиарда галлонов метанола, ежегодно производимого в США, производится из природного газа и используется в качестве растворителя, антифриза или для синтеза других химических веществ. Около 38 процентов используется для транспортировки в виде смеси или в переформулированном бензине.
Биодизельное топливо: Биодизельное топливо, получаемое из масел и жиров, содержащихся в микроводорослях и других растениях, заменяется дизельным топливом или смешивается с ним.
Некоторые из преимуществ использования биомассы в качестве источника энергии проиллюстрированы ниже.
1. Энергия биомассы - это обильный, безопасный, экологически чистый и возобновляемый источник энергии. Биомасса не добавляет углекислого газа в атмосферу, поскольку при выращивании она поглощает столько же углерода, сколько выделяет при потреблении в качестве топлива.
2. Одним из основных преимуществ биомассы является то, что ее можно использовать для выработки электроэнергии с помощью того же оборудования или на тех же электростанциях, которые сейчас сжигают ископаемое топливо.
3. Энергия биомассы не связана с воздействием на окружающую среду, таким как кислотные дожди, добыча полезных ископаемых, открытые карьеры, разливы нефти, захоронение радиоактивных отходов или перекрытие рек.
4. Топливо из биомассы является устойчивым. Зеленые растения, из которых получают топливо из биомассы, фиксируют углекислый газ по мере роста, поэтому их использование не увеличивает уровень атмосферного углерода. Кроме того, использование отходов в качестве топлива позволяет избежать загрязнения свалок.
5. Спирты и другие виды топлива, производимые из биомассы, являются эффективным, жизнеспособным и относительно чистым сжиганием.
В Юго-Восточной Азии биомасса является важным источником энергии, поскольку топливная древесина по-прежнему является доминирующим источником энергии почти на 50 процентах территории региона. В разбивке по странам доля биомассы в первичном энергоснабжении в 1999 году составляла: Мьянма - 86%; Лаосская Народно-Демократическая Республика - 86%; Камбоджа - 83%; Вьетнам - 48%; Индонезия - 29%; Филиппины - 21%; Таиланд - 17%; и Малайзия - 8%. Энергия биомассы в основном используется в домашнем хозяйстве и в небольших отраслях промышленности. В последнее время его использование в комбинированном производстве тепла и электроэнергии растет. Роль биомассы в настоящее время ограничена в развитии энергетики, но существуют возможности для увеличения ее доли [10].
В Азии потенциал биомассы для производства электроэнергии является многообещающим: около 50 000 МВт для всех ресурсов биомассы в Индонезии, около 3000 МВт в Таиланде, около 1117 МВт в индустрии пальмового масла Малайзии, около 60-90 МВт из жмыха и 352 МВт из рисовой шелухи на Филиппинах и 250 МВт из жмыха во Вьетнаме. Из более чем 19 миллионов тонн отходов деревообрабатывающей промышленности АСЕАН можно ожидать около 920 МВт установленной мощности.
Многие из этих возможностей могут быть реализованы с помощью когенерации. Однако, чтобы использовать предполагаемый потенциал, необходимо решить следующие ключевые проблемы: 1) Создание равных условий для производства энергии из биомассы в конкуренции с часто субсидируемым централизованным производством электроэнергии; 2) создание механизмов для компенсации избегаемых внешних затрат на производство энергии из биомассы, например, за счет так называемый экологический “сумматор” сверх обычной ставки выкупа; 3) доступ к электросети на четких и справедливых условиях; и 4) развитие рынка ресурсов отходов биомассы. Таиланд сталкивается с этими проблемами, первоначально объявив конкурсные торги на производство 300 МВт возобновляемой энергии, в основном биомассы. Правительство Таиланда также учредило фонд для оказания помощи разработчикам для покрытия разницы между производством и рыночной ценой энергии на биомассе. В Малайзии разрабатываются правила доступа к сетям и тарифы на выкуп электроэнергии, а также строится первая сетевая электростанция на биомассе [10].
В Индии было установлено более 2000 газогенераторов мощностью свыше 22 МВт, и ряд деревень были электрифицированы с помощью генераторов на основе газогенераторов на биомассе. Будучи аграрной страной, существует легкая доступность сельскохозяйственной массы, которая может быть использована для выработки энергии, сжигание этой биомассы является самым простым и старейшим методом получения энергии, а также наименее эффективным. Более 70% населения Индии проживает в деревнях, но именно эти деревни не получают ни электричества, ни постоянного водоснабжения, что имеет решающее значение для выживания, экономического и социального развития и роста. Биомасса существует в этих деревнях, и ее необходимо разумно использовать, чтобы обеспечить не только электроэнергию, но и воду для орошения и обработки полей, чтобы еще больше увеличить производство биомассы (либо в качестве основного продукта, либо в качестве побочного продукта), обеспечивая стабильную выработку электроэнергии. Газификация биомассы в Индии предлагает огромные возможности и потенциал для: Перекачки воды, выработки электроэнергии: электростанции мощностью от 3 до 1 МВт, Выработки тепла: для приготовления пищи в бездымной среде, электрификация сельских районов означает улучшение здравоохранения, улучшение образования и улучшение качества жизни.
Энергетические системы на основе биомассы являются уникальными среди негидроэнергетических возобновляемых источников энергии из-за их широкого спектра применимости к разнообразному набору потребностей. Системы на биомассе могут использоваться для деревенских электростанций мощностью 10-250 кВт, для крупномасштабных муниципальных систем электроснабжения и отопления, для промышленного применения, такого как котлы на свином топливе и котлы-утилизаторы черного топлива, в сельскохозяйственных целях, таких как производство электроэнергии и пара в промышленности сахарного тростника, а также для коммунальной электроэнергии генерация в масштабе 100 МВт [8]. Системы на основе биомассы являются единственным негидроэнергетическим возобновляемым источником электроэнергии, который может быть использован для выработки электроэнергии при базовой нагрузке.
Утроение использования биомассы в США в качестве источника энергии может обеспечить фермерам и сельским общинам новый доход в размере до 20 миллиардов долларов и сократить выбросы от глобального потепления на ту же сумму, что и удаление с дорог 70 миллионов автомобилей [8]. Энергия биомассы обладает потенциалом для удовлетворения значительной части энергетических потребностей Америки, одновременно оживляя сельскую экономику, повышая энергетическую независимость и уменьшая загрязнение окружающей среды. Фермеры получили бы ценный новый рынок сбыта своей продукции. Сельские общины могут стать полностью самодостаточными, когда дело доходит до энергии, используя выращенные на месте культуры и отходы для заправки автомобилей и тракторов, а также для обогрева и питания домов и зданий.
Возможности для использования энергии из биомассы растут. В июне 2000 года федеральное правительство Соединенных Штатов приняло закон, который будет выделять 49 миллионов долларов в год в течение пяти лет на разработку передовых технологий и сельскохозяйственных культур для производства энергии, химикатов и других продуктов из биомассы. Ряд государств также предоставляют стимулы для использования энергии из биомассы [6].
В 1998 году биомасса обеспечивала около 2% электроэнергии в Америке, 1% топлива, используемого в легковых и грузовых автомобилях, а также часть тепла и пара, используемых в домах и на предприятиях. С большим количеством энергетических культур и улучшенной технологией преобразования он мог бы завоевать гораздо большую часть рынка. Энергетические культуры и растительные остатки могут обеспечить 14% потребления электроэнергии в США к 2008 году или 13% национального моторного топлива [8]. Таким образом, видно, что новые технологии использования биомассы в качестве возобновляемого источника энергии очень выгодны для продвижения более зеленой планеты, а также сокращения потребности в ископаемом топливе, которое не только вызывает загрязнение атмосферы, но и быстро истощается.
Список использованной литературы
[1] Введение в Энергию биомассы как возобновляемый ресурс Дональда Класса, (www.bera1.org ) [2] Мичиганская энергетическая программа на биомассе, (www. michiganbioenergy.org )
[3] Ассоциация по исследованию энергии биомассы BERA,
(www.bera1.org )
[4] Министерство энергетики, энергоэффективности и
Возобновляемые источники энергии (www.eere.org )
[5] S. C Johnsons Associates Inc. (www.scjai.com ). [6] NREL , Основы чистой энергии: Введение в производство электроэнергии из биомассы, (www.nrel.gov/energy )
[7] Биомасса - Растущий Источник Энергии, (www.science . org
.au/ nova)
[8] www.bchydro.com
[9] Уроки, извлеченные из существующих установок на биомассе,
(www.nrel.gov / docs/fy002/26946.pdf)
[10] Обзор производства электроэнергии на биомассе в Юго-Восточной
Азия www.asem-greenippnetwork.net
[11] Сельская энергетика в Индии, www.indiasolar.com/bio.htm