Хората са използвали енергия от биомаса - енергия от живи същества - от най-ранните „пещерни мъже“ за първи път са правили дървени огньове за готвене или за поддържане на топлината. Днес биомасата се използва за захранване на електрически генератори и други машини.

national

Биология, екология, наука за Земята, инженерство

Хората са използвали енергия от биомаса - енергия от живи същества - от най-ранните „пещерни мъже“ за първи път са правили дървени огньове за готвене или за поддържане на топлина.

Биомасата е органична, което означава, че е направена от материал, който идва от живи организми, като растения и животни. Най-често използваните материали за биомаса, използвани за енергия, са растения, дърво и отпадъци. Те се наричат ​​суровини за биомаса. Енергията от биомаса също може да бъде невъзобновяем енергиен източник.

Биомасата съдържа енергия, получена първо от слънцето: Растенията абсорбират слънчевата енергия чрез фотосинтеза и превръщат въглеродния диоксид и водата в хранителни вещества (въглехидрати).

Енергията от тези организми може да се трансформира в използваема енергия чрез преки и косвени средства. Биомасата може да бъде изгорена за създаване на топлина (директно), превърната в електричество (директно) или преработена в биогориво (непряко).

Термично преобразуване

Биомасата може да бъде изгорена чрез термично преобразуване и използвана за енергия. Термичното преобразуване включва нагряване на суровината от биомаса, за да се изгори, дехидратира или стабилизира. Най-познатите суровини за биомаса за термично преобразуване са суровини като твърди битови отпадъци (ТБО) и отпадъци от мелници за хартия или дървен материал.

Различни видове енергия се създават чрез директно изгаряне, съживяване, пиролиза, газификация и анаеробно разлагане.

Преди биомасата да може да бъде изгорена обаче, тя трябва да бъде изсушена. Този химичен процес се нарича торефакция. По време на торефакция биомасата се нагрява до около 200 ° до 320 ° по Целзий (390 ° до 610 ° по Фаренхайт). Биомасата изсъхва толкова напълно, че губи способността да абсорбира влагата или да гние. Той губи около 20% от първоначалната си маса, но запазва 90% от енергията си. Загубената енергия и маса могат да се използват за подхранване на процеса на торефакция.

По време на торефацията биомасата се превръща в сух, почернен материал. След това се компресира в брикети. Брикетите от биомаса са много хидрофобни, което означава, че отблъскват водата. Това прави възможно съхраняването им във влажни помещения. Брикетите имат висока енергийна плътност и лесно се изгарят по време на директно изгаряне.

Директно изстрелване и съвместно изстрелване
Повечето брикети се изгарят директно. Парата, получена по време на процеса на изпичане, задвижва турбина, която завърта генератор и произвежда електричество. Това електричество може да се използва за производство или за отопление на сгради.

Биомасата може също да бъде изгаряна съвместно или изгаряна с изкопаеми горива. Биомасата се изгаря най-често във въглищни инсталации. Съвместното изгаряне елиминира необходимостта от нови фабрики за преработка на биомаса. Съвместното изгаряне също облекчава търсенето на въглища. Това намалява количеството въглероден диоксид и други парникови газове, отделяни при изгаряне на изкопаеми горива.

Пиролиза
Пиролизата е свързан метод за нагряване на биомаса. По време на пиролизата биомасата се загрява до 200 ° до 300 ° C (390 ° до 570 ° F) без присъствието на кислород. Това предпазва от изгаряне и води до химическа промяна на биомасата.

При пиролиза се получава тъмна течност, наречена пиролизно масло, синтетичен газ, наречен сингаз, и твърд остатък, наречен биоугол. Всички тези компоненти могат да се използват за енергия.

Пиролизното масло, понякога наричано биомасло или биоруд, е вид катран. Той може да се изгаря за генериране на електричество и също така се използва като компонент в други горива и пластмаси. Учените и инженерите изучават пиролизното масло като възможна алтернатива на петрола.

Сингазът може да се превърне в гориво (като синтетичен природен газ). Той може също да се превърне в метан и да се използва като заместител на природния газ.

Biochar е вид дървени въглища. Biochar е богато на въглерод твърдо вещество, което е особено полезно в селското стопанство. Biochar обогатява почвата и я предпазва от извличане на пестициди и други хранителни вещества в оттока. Biochar също е отлична мивка за въглерод. Въглеродните мивки са резервоари за съдържащи въглерод химикали, включително парникови газове.

Газификация
Биомасата също може директно да се преобразува в енергия чрез газификация. По време на процеса на газификация суровината от биомаса (обикновено ТБО) се нагрява до над 700 ° C (1300 ° F) с контролирано количество кислород. Молекулите се разграждат и произвеждат синтетичен газ и шлака.

Syngas е комбинация от водород и въглероден окис. По време на газификацията сингазът се почиства от сяра, частици, живак и други замърсители. Чистият синтетичен газ може да се изгаря за топлина или електричество или да се преработва в транспортни биогорива, химикали и торове.

Шлаката се образува като стъклена, разтопена течност. Може да се използва за направа на херпес зостер, цимент или асфалт.

Индустриални инсталации за газификация се изграждат по целия свят. Азия и Австралия изграждат и експлоатират най-много централи, въпреки че в момента една от най-големите инсталации за газификация в света се строи в Стоктън он Тийс, Англия. Това съоръжение в крайна сметка ще може да преобразува повече от 350 000 тона ТБО в достатъчно енергия за захранване на 50 000 жилища.

Анаеробно разлагане
Анаеробното разлагане е процесът, при който микроорганизмите, обикновено бактерии, разграждат материала в отсъствието на кислород. Анаеробното разлагане е важен процес в депата, където биомасата се раздробява и компресира, създавайки анаеробна (или бедна на кислород) среда.

В анаеробна среда биомасата се разпада и произвежда метан, който е ценен енергиен източник. Този метан може да замести изкопаемите горива.

В допълнение към депата, анаеробното разлагане може да се осъществи и в ранчотата и животновъдните ферми. Торът и други животински отпадъци могат да бъдат преобразувани, за да задоволят устойчиво енергийните нужди на фермата.

Биогориво

Биомасата е единственият възобновяем енергиен източник, който може да се превърне в течни биогорива като етанол и биодизел. Биогоривото се използва за задвижване на превозни средства и се произвежда чрез газификация в страни като Швеция, Австрия и САЩ.

Етанолът се получава чрез ферментация на биомаса с високо съдържание на въглехидрати, като захарна тръстика, пшеница или царевица. Биодизелът се произвежда от комбиниране на етанол с животинска мазнина, рециклирана мазнина за готвене или растително масло.

Биогоривата не работят толкова ефективно, колкото бензина. Те обаче могат да се смесват с бензин за ефективно задвижване на превозни средства и машини и не отделят емисиите, свързани с изкопаемите горива.

Етанолът изисква акра земеделска земя за отглеждане на биокултури (обикновено царевица). Около 1515 литра (400 галона) етанол се произвеждат от декар царевица. Но тази площ след това е недостъпна за отглеждане на култури за храна или друга употреба. Отглеждането на достатъчно царевица за етанол също създава напрежение върху околната среда поради липсата на промени в засаждането и широкото използване на пестициди.

Етанолът се превърна в популярен заместител на дървото в жилищните камини. Когато е изгорен, той отделя топлина под формата на пламъци и водна пара вместо дим.

Biochar

Биовъгленът, произведен по време на пиролиза, е ценен за селскостопанска и екологична употреба.

Когато биомасата изгние или изгори (естествено или от човешка дейност), тя отделя големи количества метан и въглероден диоксид в атмосферата. Когато обаче биомасата е овъглена, тя отделя или съхранява съдържанието на въглерод. Когато биоуголът се добави обратно в почвата, той може да продължи да абсорбира въглерода и да образува големи подземни запаси от изолиран въглерод - въглеродни мивки - които могат да доведат до отрицателни емисии на въглерод и по-здрава почва.

Biochar също помага за обогатяване на почвата. Той е порест. Когато се добави обратно в почвата, биоугорът абсорбира и задържа вода и хранителни вещества.

Biochar се използва в дъждовната гора на Амазонка в Бразилия в процес, наречен наклонена черта. Селското стопанство замества наклоненото и изгаряне, което временно увеличава хранителните вещества в почвата, но води до загуба на 97% от съдържанието на въглерод. По време на наклоняване и овъгляване, овъглените растения (биоугол) се връщат в почвата и почвата задържа 50% от въглерода си. Това подобрява почвата и води до значително по-висок растеж на растенията.

Черен ликьор

Когато дървесината се преработва в хартия, тя произвежда високоенергично, токсично вещество, наречено черен ликьор. До 30-те години на миналия век черният алкохол от хартиените фабрики се счита за отпадъчен продукт и се изхвърля в близките водоизточници.

Въпреки това, черният ликьор запазва повече от 50% от енергията от биомаса в дървесината. С изобретяването на котела за оползотворяване през 30-те години на миналия век, черният алкохол може да бъде рециклиран и използван за захранване на мелницата. В САЩ хартиените фабрики използват почти целия си черен ликьор, за да управляват своите мелници, а горската промишленост е една от най-енергийно ефективните в страната като резултат.

Съвсем наскоро Швеция експериментира в газифициране на черен алкохол за производство на синтетичен газ, който след това може да се използва за производство на електричество.

Водородни горивни клетки

Биомасата е богата на водород, който може да бъде извлечен химически и използван за генериране на енергия и за зареждане на превозни средства. Стационарните горивни клетки се използват за генериране на електричество в отдалечени места, като космически кораби и пустини. Националният парк Йосемити в американския щат Калифорния например използва водородни горивни клетки, за да осигури електричество и топла вода на административната си сграда.

Водородните горивни клетки могат да имат още по-голям потенциал като алтернативен източник на енергия за превозните средства. Министерството на енергетиката на САЩ изчислява, че биомасата има потенциал да произвежда 40 милиона тона водород годишно. Това би било достатъчно, за да зареди 150 милиона автомобила.

В момента водородните горивни клетки се използват за задвижване на автобуси, мотокари, лодки и подводници и се тестват на самолети и други превозни средства.

Има обаче дебат дали тази технология ще стане устойчива или икономически възможна. Енергията, необходима за изолиране, компресиране, пакетиране и транспортиране на водорода, не оставя голямо количество енергия за практическа употреба.

Биомаса и околна среда

Биомасата е неразделна част от въглеродния цикъл на Земята. Въглеродният цикъл е процес, при който въглеродът се обменя между всички слоеве на Земята: атмосфера, хидросфера, биосфера и литосфера.

Въглеродният цикъл има много форми. Въглеродът помага да се регулира количеството слънчева светлина, което влиза в земната атмосфера. Той се обменя чрез фотосинтеза, разлагане, дишане и човешка дейност. Въглеродът, който се абсорбира от почвата при разграждане на организма, например, може да бъде рециклиран, тъй като растението освобождава хранителни вещества на основата на въглерод в биосферата чрез фотосинтеза. При подходящи условия разлагащият се организъм може да стане торф, въглища или нефт, преди да бъде извлечен чрез естествена или човешка дейност.

Между периодите на обмен въглеродът се отделя или съхранява. Въглеродът в изкопаемите горива е отделен от милиони години. Когато изкопаемите горива се извличат и изгарят за енергия, техният изолиран въглерод се освобождава в атмосферата. Изкопаемите горива не абсорбират отново въглерода.

За разлика от изкопаемите горива, биомасата идва от наскоро живи организми. Въглеродът в биомасата може да продължи да се обменя във въглеродния цикъл.

За да може ефективно да позволи на Земята да продължи процеса на въглероден цикъл, материалите от биомаса като растения и гори трябва да се отглеждат устойчиво. Необходими са десетилетия, докато дърветата и растенията, като коренната трева, отново абсорбират и отделят въглерода. Изкореняването или нарушаването на почвата може да бъде изключително разрушително за процеса. Постоянното и разнообразно снабдяване с дървета, култури и други растения е жизненоважно за поддържането на здравословна околна среда.

Водораслово гориво

Водораслите са уникален организъм, който има огромен потенциал като източник на енергия от биомаса. Водораслите, чиято най-позната форма са водораслите, произвеждат енергия чрез фотосинтеза с много по-бързи темпове от всяка друга суровина за биогорива - до 30 пъти по-бързо от хранителните култури!

Водораслите могат да се отглеждат в океанска вода, така че не изчерпват сладководните ресурси. Освен това не се нуждае от почва и следователно не намалява обработваемата земя, която потенциално би могла да отглежда хранителни култури. Въпреки че водораслите отделят въглероден диоксид, когато са изгорени, те могат да се отглеждат и попълват като жив организъм. Докато се попълва, той освобождава кислород и абсорбира замърсителите и въглеродните емисии.

Водораслите заемат много по-малко място от другите култури с биогорива. Американското министерство на енергетиката изчислява, че ще са необходими само приблизително 38 850 квадратни километра (15 000 квадратни мили, площ по-малка от половината от размера на американския щат Мейн), за да се развият достатъчно водорасли, които да заменят всички енергийни нужди, задвижвани с нефт в САЩ.

Водораслите съдържат масла, които могат да бъдат превърнати в биогориво. Например в Aquaflow Bionomic Corporation в Нова Зеландия водораслите се обработват с топлина и налягане. Това създава „зелен суров”, който има подобни свойства на суровия нефт и може да се използва като биогориво.

Растежът на водораслите, фотосинтезата и производството на енергия се увеличават, когато въглеродният диоксид преминава през него. Водораслите са отличен филтър, който абсорбира въглеродните емисии. Bioenergy Ventures, шотландска фирма, разработи система, при която въглеродните емисии от дестилерията на уиски се насочват към басейна с водорасли. Водораслите процъфтяват с допълнителния въглероден диоксид. Когато водораслите умрат (след около седмица), те се събират и техните липиди (масла) се превръщат в биогориво или рибна храна.

Водораслите имат огромен потенциал като алтернативен източник на енергия. Преработката му в използваеми форми обаче е скъпа. Въпреки че се очаква да даде 10 до 100 пъти повече гориво от други биогоривни култури, през 2010 г. това струва 5000 долара на тон. Цената вероятно ще намалее, но в момента е недостъпна за повечето развиващи се икономики.

Хора и биомаса

Предимства
Биомасата е чист, възобновяем енергиен източник. Първоначалната му енергия идва от слънцето и растенията или биомасата от водорасли могат да се възобновят за относително кратък период от време. Дърветата, културите и твърдите битови отпадъци са постоянно достъпни и могат да се управляват по устойчив начин.

Ако дърветата и културите се отглеждат устойчиво, те могат да компенсират въглеродните емисии, когато абсорбират въглеродния диоксид чрез дишане. При някои биоенергийни процеси количеството въглерод, което се реабсорбира, дори надвишава въглеродните емисии, отделяни по време на преработката или използването на горивата.

Много суровини от биомаса, като например тревна трева, могат да се събират на маргинални земи или пасища, където те не се конкурират с хранителните култури.

За разлика от други възобновяеми енергийни източници, като вятър или слънце, енергията от биомаса се съхранява в организма и може да бъде събрана, когато е необходима.

Недостатъци
Ако суровините от биомаса не се попълват толкова бързо, колкото се използват, те могат да станат невъзобновяеми. Гората, например, може да отнеме стотици години, за да се възстанови отново. Това все още е много, много по-кратък период от време от изкопаеми горива като торф. Може да отнеме 900 години само за метър (3 фута) торф, за да се попълни.

Повечето биомаса изисква обработване на обработваема земя. Това означава, че земята, използвана за биогоривни култури като царевица и соя, е недостъпна за отглеждане на храна или осигуряване на естествени местообитания.

Залесените площи, които са узрели в продължение на десетилетия (така наречените „старорастящи гори“), могат да отделят повече въглерод от новозасадените площи. Следователно, ако горските площи не бъдат устойчиво изсечени, презасадени и им бъде дадено време за отглеждане и улавяне на въглерод, предимствата от използването на дървесината за гориво не се компенсират от повторното израстване на дърветата.

Повечето инсталации на биомаса изискват изкопаеми горива, за да бъдат икономически ефективни. Огромен завод в строеж близо до Порт Талбот, Уелс, например, ще изисква изкопаеми горива, внесени от Северна Америка, компенсирайки част от устойчивостта на предприятието.

Биомасата има по-ниска „енергийна плътност“ от изкопаемите горива. До 50% от биомасата е вода, която се губи в процеса на преобразуване на енергията. Учените и инженерите изчисляват, че не е икономически ефективно транспортирането на биомаса на повече от 160 километра (100 мили) от мястото, където се преработва. Превръщането на биомасата в гранули обаче (за разлика от дървесния чипс или по-големите брикети) може да увеличи енергийната плътност на горивото и да направи по-изгодното транспортиране.

Изгарянето на биомаса отделя въглероден окис, въглероден диоксид, азотни оксиди и други замърсители и частици. Ако тези замърсители не бъдат уловени и рециклирани, изгарящата биомаса може да създаде смог и дори да надхвърли броя на замърсителите, отделяни от изкопаеми горива.

Снимки от USDA, В. Zutshi, S. Beaugez, M. Hendrikx, S. Heydt, M. Oeltjenbruns, A. Munoraharjo, F. Choudhury, G. Upton, O. Siudak, M. Gunther, R. Singh

Балансиране на биомасата
Съюзът на загрижените учени помогна да се разработи Балансирано определение на възобновяемата биомаса, които са практични и ефективни разпоредби за устойчивост, които могат да осигурят мярка за сигурност, че реколтите от дървесна биомаса ще бъдат устойчиви.

Зелена енергия в щата Зелена планина
Първата американска инсталация за газификация на биомаса е открита близо до Бърлингтън, Върмонт, през 1998 г. Генериращата станция на Джоузеф К. Макнийл използва дървесина от нискокачествени дървета и остатъци от реколта и произвежда около 50 мегавата електроенергия, достатъчна почти за поддържане на Бърлингтън, най-големият град на Върмонт.

Игра на птици
3-те милиона пилета от огромната ферма за пилета в Пекин Deqingyuan, извън Пекин, Китай, произвеждат 220 тора оборски тор и 170 тона отпадъчни води всеки ден. Използвайки технология за газификация от GE Energy, фермата е в състояние да преобразува пилешки тор в 14 600 мегаватчаса електроенергия годишно.

Най-добрите култури в света за биогорива
1. стречграс
2. пшеница
3. слънчоглед
4. памучно масло
5. соя
6. ятрофа
7. палмово масло
8. захарна тръстика
9. рапица
10. царевица