16 октомври 2018
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Говорят медиците
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Биомасата, важен природен ресурс за получаване на енергия и ценни продукти

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 25 юли 2018 в 10:3315520

Представяме ви научнопопулярната статия на доц. д-р Стефан П. Маринов от Института по органична химия към БАН, посветена на отпадната биомаса и възможностите за нейното оползотворяване.

Биомасата е един от най-ценните и многофункционални ресурси на Земята, която представлява слънчева енергия, съхранявана под химическа форма в растителните и животинските тъкани. Биомасата включва всички органични материали, синтезирани от растенията, включително водораслите, дърветата и семената и представлява специфична форма на акумулирана слънчева енергия посредством фотосинтеза. Към биомасата се отнасят и отпадните органични продукти от животинския свят, както и всички органичните отпадъци от дейността на човека – производство, бит, култура. Биомасата осигурява не само храна, но и енергия, строителни материали, хартия, платове, лекарства и химически вещества. Различните типове биомаса са характеризирани по различен начин, но един най-често прилаган метод ги дефинира в следните основни групи: а/ дървесни растения; б/ тревисти растения; в/ водни растения; г/ животински остатъци и торове. Растителната биомаса се нарича фитомаса, а животинската – зоомаса. От цялото количество биомаса, на растенията се падат 97 %, а на животните 3 %.

Растителната лигниноцелулозна биомаса се състои от три главни групи органични съединения: лигнин /10-25 т.%/, целулоза /40-60 т.%/ и хемицелулоза /20-40 т.%/. Отношението на тези три компонента не е постоянно и варира според типа на биомасата и съответната част на растенията, която се анализира. Освен това биомасата съдържа също неорганични съединения, малки количества протеини, пектин и органични екстракти.

Биомасата като природен продукт подлежи на непрекъснато природно възстановяване и затова тя се причислява към т.н. възобновяеми източници на енергия /ВИЕ/. Използването на биомасата за енергийни цели, макар и не винаги на практика, не замърсява околната среда и затова тя се счита за източник на екологична чиста или “зелена енергия”. Биомасата представлява полезен и ценен ресурс за човека. Хилядолетия наред хората са използвали слънчевата енергия, съхранявана в растителния свят, като са изгаряли биомаса като гориво и са се хранили с растения, заради хранителната стойност на захарта и скорбялата в тях.

Съществена разлика между биомасата и изкопаемите горива е влиянието върху околната среда, което те оказват при използването им. Когато растенията се разлагат (изгаряне, гниене), те освобождават повечето от химическите си вещества в атмосферата. Изкопаемите горива пък са разположени дълбоко под земята и не влияят върху земната атмосфера, освен ако не бъдат изгорени. Най-добре известният пример за биомаса е дървесината. Други ресурси на биомаса, които могат да бъдат използвани за енергийни цели, са остатъците от земеделското стопанство (например от захарна тръстика или цвекло, зърнените фибри, оризовите стъбла и обелки, черупките на ядките) и от лесовъдството (стърготини, клонак, хартиени отпадъци), отпадъчната хартия и картон в градските отпадъци, енергийните култури (бързорастящи дървета, като тополите, върбите, и треви, като „switchgrass“ или слонската трева), както и метанът, събиран от сметищата, обработката на градските отходни води и животинската тор.

Биомасата се счита за бъдещ ключов възобновяем ресурс в малки и големи мащаби. Потенциалната енергия от биомаса, която е достъпна за хората, се оценява на 1,9x1020 J годишно, което представлява 35% от сегашното глобално потребление на енергия. За три четвърти от хората на Земята, които живеят в развиващите се страни, биомасата е най-важният източник на енергия. С увеличаването на населението и потреблението на глава, успоредно с изчерпването на изкопаемите горива, търсенето на биомаса в развиващите се страни се очаква да нарасне стремително. Биомасата произвежда средно 38% от първичната енергия в развиващите се страни, като достига до 90% в някои от тях. Вероятно тя ще остане важен глобален източник на енергия в развиващите се страни поне до следващото столетие.

Използването на биомаса за енергийни цели се обхваща от следните основни направления:

-Използване на растителни отпадъци чрез директно изгаряне или друга преработка;

-Използване на енергийни ферми (специални стопанства, в които се отглеждат бързо растящи растителни видове за енергийни цели);

-Използване на растителни видове в пресни или океански води;

-Използване на отпадъци от животновъдството, хранителната промишленост и др. за производство на биогаз.

Стандартното производството на енергия в електро- и топлоцентралите е на база изгаряне на изкопаеми горива като въглища, нефт и природен газ. Основен недостатък на тези горива е фактът, че природните залежи намаляват, а енергийните потребности растат. Сериозен проблем са и отделяните при изгарянето на изкопаеми горива вредни емисии в атмосферата, което създава значителни екологични проблеми. Това са част от причините да се търсят възможни подходящи енергийни алтернативи на изкопаемите горива. Една от тях е използването на биомаса за производство на т. нар. биогорива. Възможността биогоривата да бъдат произведени от отпадна биомаса и добрите им екологични характеристики са сред причините да се търсят все повече възможности за тяхното производство.

Биогоривата могат да бъдат в течно, твърдо и газообразно състояние. От течните биогорива към момента по-широко прилагани в практиката са биодизелът и биоетанолът, а от газообразните - биогазът и синтезният газ. Към твърдите биогорива могат да се отнесат отпадната биомаса от селското и горското стопанство и получените чрез пресоването й пелети и екобрикети, както и пелетите и брикетите, получени от специално отгледани за целта дървесни видове.

Има три основни групи за преобразуване на биомаса: биохимични, термохимични и агрохимични. При биохимичните преработки ензимите и микроорганизмите се използват като биокатализатори за превръщане на биомасата в горива чрез процеси, познати като ферментация (превръщане на биомасата в алкохол). Най-перспективните горива, които могат да се добиват от растителни култури, са етанол и метанол (спирт). За икономически ефективен добив на етанол и метанол най-подходящи растителни видове са: захарна тръстика, захарно цвекло, някои зърнени (технически) култури, свързани с производството на растителни масла; пшеница ; ечемик и др. Бразилия е най-големия производител на етанол от захарна тръстика и втория най-голям производител на етанол в света след САЩ, които са №1, но използват като основна суровина царевица. Девет от всеки десет автомобила в Бразилия могат да се движат на етанол или комбинация от етанол и бензин във всякакви пропорции.

За разлика от биохимичните преаботки при фотобиологичните процеси се използват естествените действия на организмите за производство на биогорива директно от слънчевата светлина. Например, фотосинтетичните дейности на бактериите и зелените водорасли се използват за производството на водород от водата и слънчевата светлина.

Важен течен продукт от преработката на биомасата, използван като течно гориво, е биодизелът. Биодизелът се произвежда от органични масла чрез химическа реакция с алкохол (етанол или метанол) в присъствието на катализатор. Получават се, съответно, етилови или метилови естери. Добивът на алкохолните естери (100% биодизел) се увеличава, когато реакцията протича при излишък на алкохол и се ускорява при повишаване на температурата. Този процес се нарича преестерификация или трансестерификация на мазнините. Мазнините сами по себе си, като въглеводороди, са подобни на дизеловото гориво от петрол и могат, след известна преработка, да се смесват с него и да се използват като гориво в повечето дизелови двигатели без никакво преустройство. Преработката на мазнините и смесването им с петролен дизел, най-общо, се нарича блендинг. Блендинг горивата могат да се използват и за изгаряне в различни видове промишлени и жилищни отоплителни инсталации, фурни, сушилни, печки и т.н. Биодизел може да се добие от соево, палмово, репично, слънчогледово, царевично масло, животински и растителни мазнини, отпадни кухненски мазнини чрез преестерификация, както и от талаш и други дървесни отпадъци, микро-водорасли, селскостопански растителни остатъци чрез пиролиза.

При термохимичните процеси за преработка на биомаса дървесно-целулозни отпадъци могат да се преобразуват до твърди, течни и газообразни горива. Най-често като резултат се получава синтез газ (СО и Н2). Използват се инсталации, при които органичните вещества в биомасата претърпяват химически преобразувания, при определени условия (суха дестилация, пиролиза и др.).

При термичните процеси за преработка на биомаса се използват три основни метода: с наличие на въздух, с наличие на ограничен въздух и без въздух.

Първият метод основно се използва за загряване на вода в бойлери или за пещи, където не е рентабилно да се използват органични горива. При директното изгаряне на биомасата остава около 50 % пепел .

Вторият метод е за добиване на газ, като основният му състав е около15 - 30 % въглероден оксид, 10-20 % водород, метан, въглероден диоксид и вода. Също така се получава и до 60 % азот, който е инертен газ. В този вид газът е най-евтин, тъй като е ниско калоричен от 4-6 MJ/m3 и най-малко енергия е вложена за добиването му, а образуваната пепел варира от 10-40 % в зависимост от технологията. Важна роля за високата калоричност на газа играе водородът. В някои от технологиите водородът достига 50-55 %, при което калоричността на газа се повишава до 18-19 MJ/m³. Въглеродният оксид се получава от редукцията на въглеродния диоксид. Въпреки че той има високо октаново число (106), запалителната му скорост е ниска.

Водородът също се получава при процеса на превръщане на биомасата посредством газификация. Той има октаново число 60-66 и увеличава запалителната способност на газа. Увеличените дялове на метан и водород в произведения газ го правят високо калоричен.

Третият метод за термична преработка на биомаса е пиролиза – термична обработка на биомасата в отсъствие на въздух. Това е процес, при който органичният материал бързо се загрява до 450-600 °С в инертна среда и при определени условия се получават органични изпарения, пиролизни газове и твърди продукти. Втечнените органични изпарения чрез охлаждане образуват биомасло, което е с калоричност приблизително 20 MJ/m. Най-предпочитаното използване на био маслото е като добавка към петролните деривати, защото е напълно съвместимо с тях. Високото му цетаново число (по-голямо от 70, докато на дизеловото гориво от петрол е 40-50) го прави желано гориво за дизелови двигатели. Био маслото може да се преобразува в синтетичен газ, който след това да се преработи в синтетично дизелово гориво или био метанол.

В литературата са описани над 300 химически съединения, които се съдържат в състава на био маслото. Това показва, че био маслото може да се използва не само като източник на енергия, но и в химическата и хранителната промишленост, като източник на много химични компоненти, необходими за получаване на редица продукти .

Както отбелязахме вече, при пиролизата биомасата се загрява или в безвъздушна среда (например индиректно) или пък чрез нейното частично изгаряне при ограничено подаване на въздух или кислород. Традиционен продукт на пиролизата са дървените въглища, а всички други съвременни продукти са изключително разнообразни и представляват газове, пари, течности, масла, въглени и пепел. Съставът и пропорциите на отделените вещества зависят от условията на обработка, като температура, продължителност на обработка, състав на изходния материал, допълнителна обработка и особеностите на въздушната среда. Отделените вещества включват вторични горива и вторични материални продукти.

Конвенционалната пиролиза е технологичен процес на термично разлагане на въглеводородите в органичната биомаса в отсъствие на кислород при 450 – 550 оС. На пиролиза могат да бъдат подложени всички твърди органични вещества. Така например от 1 м3 дървесина се получават: 140 – 180 kg дървени въглища (кокс); 280-400 kg течни горива и химични съединения (метанол, ацетон) ; 80 kg горящи газове. Пиролиза може да се осъществи и в присъствието на малко количество кислород („газообразуване“), вода („парно газообразуване“) или водород („хидриране“). Един от най-полезните продукти е метанът, който е подходящ за генериране на електричество във високоефективни газови турбини. С по-усъвършенствани техники за пиролиза летливите вещества могат да бъдат събирани, а внимателен избор на температурата, при която протича процесът, позволява контрол на съдържанието им.

При реализиране на т.н. бърза пиролиза на растителния материал, дървесина или черупки на ядки, биомасата се нагрява при температури 800-900 °C, като около 60% от изходния материал се превръща в газ, богат на водород и въглероден монооксид, а от изходното вещество под формата на твърда сгур /въглен/ остава едва 10%. Това прави бързата пиролиза конкурентноспособна на конвенционалните методи за газифициране, но подобно на тях тя все още се нуждае от разработване в комерсиални мащаби.

Газификация се нарича друга термохимична форма на пиролиза, при която се подържат оптимизирани условия за отделянето на газообразни горива, които най-често са наричани “карбуриран газ”, дървесен газ или синтетичен газ. Процесът протича при температури от порядъка на 800 – 1300 оС. Полученият горим газ се състои от въглероден оксид, водород, метан, въглероден диоксид, неголямо количество въглеродни съединения като метан и етан.

Предимствата на биомасата като енергиен източник чрез прилагане на технологии за нейното преобразуване са един подход за придвижване на икономиката ни към по-устойчива база, защото по този начин икономиката се отдалечава от традиционното използване на изкопаемите природни органичните горива. Една от най-големите пречки обаче към устойчиво развитие е самата наша икономическа система, която в сегашното си състояние не цени достатъчно околната среда и малко внимание се отделя на бъдещото използване на природните горива. Като вътрешен източник на енергия, биомасата може значително да намали зависимостта на икономиката ни от внос на суров петрол. Оснен това биомасата се разпространява по земното кълбо по-равномерно, в сравнение с другите ограничени енергийни източници и затова предлага възможности за местна, регионална и национална енергийна независимост. Произвеждането на биомаса и използването на селскостопански остатъци за технологии за биомаса ще стимулират развитието на селското стопанство в областта на фермерството, лесовъдството и свързаните с това обслужващи индустрии чрез създаването на нови продукти, пазари и работни места.

Европейската политика за икономическо развитие е насочена към по-широко използване на биогоривата в транспортния сектор, което е част от мерките за постигане целите на „Протокола от Киото“. Увеличената употреба на биогорива в транспорта е един от инструментите, чрез които България ще намали използването на вносните горива и енергия, а оттук ще обезпечи сигурността на енергийните доставки в средносрочен и дългосрочен план. Заместването на горивата от нефтен произход с биогорива е една от възможностите за усвояване на енергийния потенциал на възобноваемите енергийни източници в страната, в частност на биомасата. През 2020 г. при пълно усвояване на представения в Енергийната програма на страната ни енергиен потенциал от биомаса делът й ще достигне 8,5 % в брутното вътрешно потребление. Около 38 % от потребената биомаса през 2020 г. се очаква да бъде използвана за производство на електрическа и топлинна енергия, което възлиза на около 837 хил. тона. От това количество за производството на топлинна енергия ще бъде използвана около 70 % от биомасата и съответно за производство на електрическа енергия – около 30 %. Делът на биомасата в крайното енергийно потребление ще достигне 10,7 %. Най-голям относителен дял ще имат домакинствата – 55,8 %, следвани от транспортния сектор – 25,4 %, селското стопанство и др


Препоръчани материали

Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Науки за Земята
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.