Биомасса как источник энергии

Министерство образования  и науки РФ

Иркутский Государственный  Технический Университет

 

 

Кафедра инженерных коммуникаций систем жизнеобеспечения

Доклад на тему:

 «Биомасса как источник энергии»

По курсу: " Энергоресурсосбережение в ЖКХ "

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент группы ВВ-10-1:

Андронова Е.О.

Принял: Макотрина Л.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

Иркутск 2013г

То, из чего состоят растения и животные, принято называть биомассой. Основа биомассы - органические соединения углерода, которые в процессе соединения с кислородом при сгорании выделяют тепло. Она является шестой по запасам из всех доступных источников энергии после угля, горючих сланцев, урана, нефти и природного газа. Человек стал применять биомассу как источник энергии с тех пор, как он обнаружил огонь. Сегодня топлива из биомассы можно использовать для широкого круга задач, начиная с отопления помещений и заканчивая приведением в движение автомобиля и питанием компьютера.

Некоторые основные данные по биомассе:

          1. Общая масса живой материи – 2 000 млрд. тонн.

2. Общая масса наземных  растений 1 800 млрд. тонн.

3. На одного человека  приходится 400 тонн биомассы.

4. Энергия, связанная  в земной биомассе составляет 25 000 ЭДж (экза- 2 в степени 60).

5. Ежегодно на Земле  появляется 400 000 млн. тонн биомассы.

6. В биомассе произрастающей  на земле связывается 3 000 ЭДж  ежегодно (95 ТВт).

7. Каждый год человечество  потребляет 400 ЭДж (12 ТВт) энергии.

8. Доля биомассы в этом  потреблении – 55 ЭДж в год  (1.7 ТВт).

Состав и энергетическая ценность

Химический состав биомассы различается в зависимости от ее вида. Растения состоят на 25% из лигнина  и на 75% из углеводов. Углеводы построены  из разных сахарных молекул, соединенных  друг с другом в длинные цепи или  полимеры. Существуют две большие  группы углеводов, имеющих существенную ценность - это целлюлоза и гемицеллюлоза. Лигнин состоит из молекул, которые  не содержат сахаров. Природа использует длинные полимеры целлюлозы для  построения волокон, придающих растениям  их силу. Лигнин играет роль клея, который  соединяет целлюлозные волокна.

Биомасса оставляет меньше золы, которая, кроме того, не так  насыщена токсичными и радиоактивными металлами, и может быть использована для удобрения почвы.

Классификация основных типов энергетических процессов, связанных с переработкой биомассы.

Термохимические

1. Прямое сжигание для непосредственного получения тепла.

Предпочтительно введению сухого гомогенного топлива

 

2. Пиролиз. Биомассу нагревают либо в отсутствии 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. Изменение состава продуктов пиролиза зависит от температурных условий, типа вводимого в процесс сырья, способов введения процесса. В некоторых случаях присутствие влаги необходимо, более того, сырье пиролиза является горючий газ, то процесс называют газификацией.

 

3. Прочие термохимические процессы. Возможны различные варианты предварительной подготовки сырья и проведения  самих процессов. 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.

 

Биохимические

4.   Спиртовая ферментация. Этиловый спирт - летучее жидкое топливо, которое можно использовать вместо бензина. Он вырабатывается микроорганизмами  в процессе ферментации.

 

5.   Анаэробная переработка. В отсутствии  кислорода некоторые микроорганизмы способны получать  энергию, непосредственно перерабатывая углесодержащие составляющие при средних условиях  восстановления производя при этом метан. Этот процесс является ферментационным, но его принято называть сбраживанием по аналогии с процессами идущими в пищеварительном тракте жвачных животных.

6. Биофотолиз . Фотолиз-это разложение воды на водород и кислород под действием света.

                         Биомассу обычно делят на две категории:

- Древесная биомасса. Эта категория включает лесоматериалы: необработанные, а также те которые остались от переработки дерево- и пиломатериалов; молодые деревья, которые быстро растут и посаженные специально для вырубки (ива, тополь).

- Не древесная биомасса. Это муниципальные и промышленные отходы, также продукты жизнедеятельности, которые остались после выращивания с/х животных, кроме того сюда относятся с/х, водные растения, зерновые, с которых остается много растительной части и которая пригодна для сжигания (кукуруза, свекла, рапс).

Большая часть топливной  биомассы (до 80%), это конечно древесина, она употребляется для обогрева и приготовления пищи в странах, которые развиваются.

Часто для получения энергии  в котел подается не цельная древесина, а размельченная, гранулированная или вообще, спрессованная в брикеты. Древесный брикет производится из спрессованных отходов деревообработки –опилок, щепы, стружки. Из-за низкого содержания влаги теплотворность брикета выше, чем у дров. Эти гранулы позволяют автоматически подавать топливо в котел, а также перерабатываются с очень маленьким количеством отходов при большей теплоотдаче.

Но древесину можно  не только сжигать. Применяя технологию пиролиза (т.е. нагревание до 500-800 градусов при полном отсутствии кислорода) можно  выделить из древесины горючие газы (метан), которые затем используют для получения биоэнергии с еще  большим КПД.

Биомассу в качестве отопительного  материала можно использовать централизованно, то есть весь район или небольшой  город отапливается от одной котельной, работающей на сжигании биомассы. Также  можно использовать специальные  котлы в частном порядке на один дом.

Некоторые виды биомассы —  дерево, например, — можно просто сжигать, чтобы получить энергию  биомассы. Однако существуют и технологии, позволяющие получать из дерева и другие биологические материалы жидкого и газообразного видов топлива. Их можно использовать вместе (а возможно, в будущем и вместо) с бензином, дизельным топливом, метаном и пропаном.

 Для выработки этанола  применяется кукуруза. С той же  целью (но в меньших масштабах)  можно использовать и другие  злаки — пшеницу, рожь и  рис. В Бразилии этанол получают  из сахарного тростника. Соевые  бобы, арахис и подсолнечник также  применяются для получения дизельного  биотоплива. И этанол, и биодизель  можно использовать как для  производства электроэнергии, так  и в качестве автомобильного  горючего. Изменения старого бензинового двигателя под биотопливо минимальны и относительно не затратны. Современные автомобилестроители выпускают двигатели, которые могут работать и на бензине, и на биотопливе. Популярностью в наше время пользуются смеси ископаемого и биотоплива. Например, в таких странах как Дания и Швеция популярна смесь из 85% биотоплива и 15% бензина.

Одно из наиболее перспективных  направлений энергетического использования  биомассы – производство из неё биогаза, состоящего на 50-80% из метана и на 20-50% из углекислоты. Его теплотворная способность – 5-6 тыс. ккал/м3 .

Наиболее эффективно производство биогаза из навоза. Из одной тонны  его можно получить 10-12 куб. м метана. А, например, переработка 100 млн. тонн такого отхода полеводства, как солома злаковых культур, может дать около 20 млрд. куб. м метана. В хлопкосеющих районах  ежегодно остается 8-9 млн. тонн стеблей  хлопчатника, из которых можно получить до 2 млрд. куб. м метана. Для тех  же целей возможна утилизация ботвы  культурных растений , трав и др.

Свалки. Различные виды мусора, в частности бумагу, картон, остатки еды, также можно перерабатывать в компост для получения биогаза.

Болотный газ, который накапливается в заболоченных местах и время от времени возгорается, есть природный биогаз. По сути, это тот же самый биогаз, который производят в коммерческих или частных целях для обогрева, электрификации или для использования в качестве топлива.

Биогаз можно конвертировать в тепловую и электрическую энергию, использовать в двигателях внутреннего сгорания для получения синтезгаза и искусственного бензина.

Теплотворная способность  различных топлив. (табл.)

Экологические преимущества.

Использование энергии биомассы имеет множество экологических  преимуществ. Оно может помочь замедлить  изменение климата, прекратить кислотные  дожди, эрозию почв, загрязнение воды. Посадки деревьев дадут место  для жизни диким животным.

 

В настоящее время мировым  лидером в использовании соломы в энергетических целях является Дания. Здесь доля соломы в общем  энергопотреблении составляет около 1,5% (а биомассы в целом – около 6%). При этом три четверти соломы остаются неиспользованными, то есть ее долю в энергопотреблении можно  увеличить в четыре раза – примерно до 60 ПДж.

 

С целью получения тепловой энергии из соломы в Европе используют Австрия (несколько фермерских установок и пять тепловых станций) и Швеция (около 70 фермерских установок и 5 тепловых станций, применяющих солому в качестве дополнительного сырья). Тепловые станции и фермерские котлы, использующие солому, есть также в Финляндии и Франции.

Доля энергии, получаемой из биомассы в развивающихся странах, составляет около 30-40% от всей потребляемой энергии, а в некоторых странах (в основном в Африке) достигает 90%.

Среди развивающихся стран  распространено производство энергии  и тепла с помощью переработки  отходов на небольших биогазовых установках.

 Около 16 миллионов  хозяйств по всему миру используют  энергию для освещения, обогрева  и приготовления пищи, производимую  в биогазовых установках.

 Это включает 12 миллионов  хозяйств в Китае, 3,7 миллиона  хозяйств в Индии и 140 тысяч  хозяйств в Непале.

Биомасса используется в  России в основном в виде дров и  отходов растениеводства для  отопления домов, общественных зданий, в сельской местности — для  технологических процессов сушки, получения пара и горячей воды в производственных зданиях. В связи  с этим важной задачей является повышение  эффективности используемого печного  и котельного оборудования и его  автоматизация. Если учесть, что только 2 млн. сельских домов в России имеют  сетевой газ, то остальные 12,6 млн. домов  используют дрова и уголь в  южных районах или только дрова  в лесных зонах. Самозаготовки дров сельским населением оцениваются в объеме 30 млн т в год.

Исследователи видят будущее  биомассы в замене нефти, как источника  многих химикатов, используемых в современном  мире. Вещи из пластика, краски и клеи можно производить не из нефтепродуктов, а из биомассы.

 

 

Используемая литература

1. http://www.remstroybaza.ru/biomassa-kak-alternativnii-istochnik-energii.html
2. http://www.alfar.ru/smart/1/924/
3. http://www.budynok.kiev.ua/энергия-из-биомассы/
4. http://www.atmosphere-south.ru/Waste/energiya%20biomassy.php