Описание биоэнергетики и биоэнергетика в РБ

Введение

 

Энергетика – это область  общественного производства, охватывающая энергетические ресурсы, выработку, преобразование, передачу и использование различных  видов энергии.

В настоящее время во многих странах мира наблюдается повышение  интереса к возобновляемым источникам энергии. Это связано с непрерывно уменьшающимися запасами ископаемых энергоносителей, ухудшением экологии, связанным с  газовыми выбросами, приводящими к  парниковому эффекту, а также  желанием многих стран освободить энергетические источники от политической ситуации.

Возобновляемый энергетический ресурс – постоянно действующие  или периодически возникающие потоки энергии в результате естественных природных процессов.

Первоначально в качестве возобновляемого источника энергии  человек использовал мускульную силу, как свою, так и животных. В настоящее время используются солнечное излучение, энергия планетарного движения в виде приливов и отливов, энергия химических реакций и  радиоактивного распада в недрах Земли, проявляющаяся в виде геотермальных  источников. К возобновляемым источникам также относится преобразованная  энергия Солнца в виде гидроэнергии, энергии ветра и биомассы.

Согласно прогнозам Мировой  энергетической комиссии о перспективах использования возобновляемых источников энергии главенствующая роль принадлежит  биомассе. К перспективным возобновляемым источникам энергии следует отнести  также гидроэнергию, энергию ветра  и Солнца.

Основной целью реферата является изучить сущность, проблемы использования, а также перспективы  развития биоэнергетики в Республике Беларусь.

Основным методом исследования является анализ специальной литературы и интернет-ресурсов по данному вопросу.

 

1. Биоэнергетика. Историческая  справка. Сущность понятия

 

Проблемы отыскания и  использования соответствующих  видов энергии всегда интересовали людей, однако столь волнующими, как  сегодня они никогда не были. Повышенный интерес к ним понятен. Мировое  потребление энергии стало соизмеримым  с запасами горючих ископаемых –  базой современной энергетики. То, что создавалось природой на протяжении многих эпох, расходуется в течение  нескольких десятилетий. На сегодняшний  день это большая проблема, решить которую можно с помощью нетрадиционных способов получения энергии. Одним  из таких является биоэнергетика.

Когда же впервые появилась  биоэнергетика? Ученые связывают появление  биоэнергетики с началом использования  биомассы как источника энергии. Человек стал применять биомассу как источник энергии с тех  пор, как он обнаружил огонь. Но тогда  еще не существовало как такого понятия биоэнергетики. В 1885 году ученым стали известны промышленные способы получения биогаза, который, как указывалось выше, образуется в процессе биологического разложения биомассы. Можно судить, что именно с этого момента произошло официальное зарождение биоэнергетики.

Биоэнергетика – это наука, изучающая механизмы и закономерности преобразования энергии в процессах  жизнедеятельности организмов, энергетические процессы в биосфере.

Биомасса – общая масса  растений, микроорганизмов и животных, приходящаяся на единицу площади  или объема их обитания. Численно она  выражается в массе сырого или  сухого вещества (кг/м2; кг/га; кг/м3 и  т.д.). Биомассу растений называют фитомассой, животных организмов – зоомассой. В  Государственной программе вопросам использования фитомассы, коммунальных отходов, отходов растениеводства, получения биогаза, топливного эталона  и биодизельного топлива в  качестве возобновляемых ТЭР уделяется  серьезное внимание. Общий годовой  объем использования в Республике Беларусь этих энергоресурсов к 2010 г. оценивается примерно в 113 тыс. т у. т., а потенциальный запас составляет более 3,7 млн. т у. т. Эти цифры не учитывают использование древесного топлива, отходов деревообработки и лигнина в качестве топлива, потенциальный запас которых оценивается примерно в 7,58 млн. т у. т. Годовое использование к 2010 г. этих видов энергоресурсов планируется в объеме около 3,1 млн. т у. т. [4]

Считается, что биомасса, которая является источником получения  биотоплива, станет ключевым возобновляемым источником в будущем, ведь уже сегодня  она дает 14% всей потребляемой энергии  в мире.

Стоит отметить, что для  трех четвертей мирового населения, которое живет в развивающихся  странах, биомасса также является самым  важным источником энергии. Ожидается, что в связи с увеличением  численности населения и истощением ископаемых ресурсов спрос на биомассу в развивающихся странах значительно  увеличится. В среднем, в развивающихся  странах биомасса составляет 38% от всех источников первичной энергии. Эти  цифры свидетельствуют о том, что биоэнергетика уже сейчас имеет большое значение, а в  будущем будет развиваться еще  более интенсивно. [5]

 

2. Общая характеристика  методов переработки биомассы

 

Сложный комплекс веществ, из которых состоят растения и животные, принято называть биомассой.

Основа биомассы – органические соединения углерода, которые в процессе взаимодействия с кислородом при  сгорании или в результате естественного  метаболизма выделяют теплоту.

Первоначальная энергия  биомассы возникает в процессе фотосинтеза  под действием солнечного излучения. В обобщенном виде эту реакцию  можно представить следующим  образом:

 

Среди основных энерготехнологических  методов переработки биомассы можно  выделить: термохимический метод; биохимический  метод; агрохимический метод.

 

Термохимический метод переработки биомассы

 

Пиролиз – процесс нагревания биомассы либо в отсутствие воздуха, либо за счет сгорания некоторой ее части при ограниченном доступе  воздуха или кислорода. КПД процесса пиролиза достигает 80–90%.

В качестве исходного энергетического  продукта в процессе пиролиза могут  использоваться:

• органическое топливо (уголь, сланцы, торф и т.д.);

• древесные отходы;

• сельскохозяйственные отходы (солома, ботва растений и т.п.);

• биобрикеты и т.д.

Состав получаемых при  этом вторичных энергетических продуктов  чрезвычайно разнообразен. Изменение  состава продуктов пиролиза зависит  от температурных условий, типа вводимого  в процесс сырья, способов ведения  процесса. Разновидности топлива, получаемого  в результате пиролиза, имеют несколько  меньшую по сравнению с исходной биомассой суммарную энергию  сгорания, но отличаются большей универсальностью применения:

      1. • лучшей управляемостью процесса горения и соответственно повышением его энергоэффективности;

      2. • большей технологичностью, более широким диапазоном возможных потребителей и соответственно более высокими экономическими и качественными показателями.

 

Классификация основных типов  энергетических процессов, связанных  с переработкой биомассы

 

Газификация – способ ведения  процесса пиролиза, при котором основным энергетическим продуктом является горючий газ.

Газогенератор – устройство, в котором реализуется процесс  газификации.

В состав образующегося в  газогенераторе генераторного газа входят следующие горючие компоненты: окись углерода, водород, газообразные углеводороды, метан.

Процесс газификации включает такие последовательные фазы, как  сушка, пиролиз (коксование) и собственно газификация топлива.

В зоне сушки происходит выпаривание  начальной влаги из поступающего в газогенератор топлива за счет остаточной теплоты уходящего генераторного  газа.

В зоне пиролиза при температуре  до 800°С от топлива отделяются легкие газообразные фракции, самой важной из которых является метан (СН4). Закоксовавшееся  в зоне пиролиза топливо сначала реагирует с кислородом, находящимся в свежем воздухе, образуя двуокись углерода и водяной пар:

 

С + O2 => СO2 (горение);

2Н2 + O2 => 2Н2O.

 

В зоне газификации при  температуре свыше 900°С СЮ2 и Н20 продолжают реагировать с углеродом, образуя  окись углерода и водород, которые  являются активно горящими газами:

 

CO2 + С => 2СО;

Н2O + С => Н2 + СО.

 

Следует указать, что верхняя  граница температуры прохождения  реакции газогенерации ограничена значениями 1100–1200°С (температура плавления  золы).

 

Биохимический метод переработки  биомассы

 

Анаэробное разложение –  процесс получения энергии из биомассы микроорганизмами (анаэробными  бактериями) в отсутствие или при  недостатке кислорода и света. Полезный энергетический продукт этого процесса – биогаз.

Биогаз – смесь углекислого  газа (СO2) и метана (СН4). Энергетическая эффективность процесса сжигания биогаза  может достигать 60–90% эффективности  сжигания сухого исходного материала.

Основное уравнение, описывающее  процесс анаэробного разложения биомассы (на примере целлюлозы) имеет  следующий вид:

 

С6Н10О5 + Н2O => 3CO2 + 3CH4.

 

Биогазогенератор – устройство, в котором реализуется процесс  преимущественного получения СН4 посредством анаэробного разложения исходной биомассы. Конструкции биогазогенераторов отличаются чрезвычайным разнообразием  как по организации собственно технологического процесса анаэробной переработки биомассы, так и по составу исходного  продукта.

Спиртовая ферментация –  процесс получения этилового  спирта в качестве энергетического  продукта. Этиловый спирт (этанол) С5Н5ОН – летучее жидкое топливо, которое  можно использовать вместо бензина.

В естественных условиях этанол образуется из сахаров соответствующими микроорганизмами в кислой среде (рН от 4 до 5).

Основная реакция превращения  сахарозы в этанол имеет следующий  вид:

Дрожжи

 

C12H22O11 + H2O 4С2Н5OН + 4СO2.

 

Жидкие топлива, и в  частности этанол, отличаются чрезвычайной технологической эффективностью из-за удобства использования и хорошего управления процессом горения в  двигателях внутреннего сгорания.

В качестве заменителя бензина  этанол можно использовать в виде:

      1. • 95% – го этанола в модернизированных двигателях;

      2. • смеси 100%-го (обезвоженного) этанола с бензином в соотношении один к десяти в традиционных двигателях.

В настоящее время стоимость  топливного этанола сравнима со стоимостью бензина, причем наблюдается тенденция  ее снижения. Вместе с тем этанол характеризуется более высоким  октановым числом.

Фотолиз – процесс разложения воды на водород и кислород под  действием света. Если водород сгорает  или взрывается в качестве топлива  при смешении с воздухом, то происходит рекомбинация О2 и Н2.

Некоторые биологические  организмы продуцируют или могут  при определенных условиях продуцировать  водород путем биофотолиза.

Подобный результат можно  получить химическим путем без участия  живых организмов в лабораторных условиях. Промышленного внедрения  эти технологии еще не получили.

 

Агрохимический  метод переработки биомассы

 

Экстракция топлив – процесс  получения жидких или твердых  топлив прямо от растений или животных.

Продукцию растений можно  разделить на следующие категории:

      1. • семена – подсолнечник с массовым содержанием масла до 50%;

      2. • орехи – пальмовое масло, копра кокосов с массовым содержанием масла до 50%;

      3. • плоды – оливки;

      4. • листья – эвкалипт с массовым содержанием масла до 25%;

      5. • сок растений – сок каучука;

      6. • продукты переработки отходов растений – масла и растворители до 16% сухой массы (например, скипидар, канифоль, маслянистые смолы и т.д.). [7, с. 88–98]

Возможна организация  ферм по производству агрохимических топлив на основе перечисленных выше растений. Вместе с тем получаемые таким образом продукты по своим  химическим свойствам могут быть гораздо ценнее, чем просто топливо.

В связи с этим более  предпочтительным представляется способ получения агрохимических топлив, который  основан на культивировании специализированных микроводорослей. Исследования возможности  использования микроводорослей  в процессе экстракции топлив показали, что содержание в них углеводородов  – основного горючего компонента – может быть довольно значительным. Так, в сухих клетках зеленой  расы микроводоросли «ботриококкус  браунии» содержится от 1 до 36% углеводородов, а в сухих клетках коричневой расы – до 86%.

Предполагается, что залежи нефти обязаны своим происхождением предкам именно этих микроводорослей. Углеводороды, вырабатываемые «ботриококкус  браунии», в основном локализованы на наружной поверхности клетки и  могут быть удалены механическими  методами. Оставшуюся биомассу можно  подвергнуть гидрокрекингу, в результате которого получают 65% газолина, 15% авиационного топлива, 3% остаточных масел.

 

3. Экологическая характеристика  использования биоэнергетических  установок

 

Биоэнергетические станции  по сравнению с традиционными  электростанциями и другими невозобновляемыми  источниками энергии являются наиболее экологически безопасными. Они способствуют избавлению окружающей среды от загрязнения  всевозможными отходами. Так, например, анаэробная ферментация – эффективное  средство не только реализации отходов  животноводства, но и обеспечения  экологической чистоты, так как  твердые органические вещества теряют запах и становятся менее привлекательными для грызунов и насекомых (в процессе перегнивания разрушаются болезнетворные микроорганизмы). Кроме того, образуются дополнительный корм для скота (протеин) и удобрения.

Городские стоки и твердые  отходы, отходы при рубках леса и  деревообрабатывающей промышленности, представляя собой возможные  источники сильного загрязнения  природной среды, являются в то же время сырьем для получения энергии, удобрений, ценных химических веществ. Поэтому широкое развитие биоэнергетики  эффективно в экологическом отношении.