Біоенергетика

Загальні положення. Складний комплекс речовин, з яких складаються рослини і тварини, прийнято називати біомасою, основа якої - органічні сполуки вуглецю. Унікальна роль вуглецю в живій природі обумовлена його властивостями, якими в сукупності не володіє жоден інший хімічний елемент. Між атомами вуглецю, а також між вуглецем і іншими хімічними елементами утворюються міцні хімічні зв'язки, які можуть бути розірвані у відповідних фізіологічних умовах. Органічні сполуки вуглецю в процесі з'єднання з киснем при згорянні чи в процесі природного метаболізму виділяють тепло.

Первісна енергія системи біомаса - кисень виникає в процесі фотосинтезу під дією сонячного випромінювання, що є природним варіантом перетворення сонячної енергії. Доречно згадати, що біомаса є основною вихідною речовиною для утворення викопних палив (торфу, вугілля, нафти, газу). Рослинний матеріал , який накопичувався на протязі мільйонів літ на поверхні Землі, у результаті біохімічного розкладання перероблявся в торф. Торфоутворення і торфонакопичування завершувалися перекриттям торфовища опадами, що утворили породи покрівлі. Далі при відносно невисоких температурах і тиску біохімічні процеси приводили до перетворення торфу в буре вугілля, яке у результаті тривалого впливу підвищених температур і тиску перетворилось в кам'яне вугілля, а останнє - в антрацит. Аналогічним чином з останків морських тварин, нижчих організмів і рослинних залишків, що також протягом мільйонів років накопичувались та піддавалися дії тиску порід, утворилась нафта. Таким чином, в остаточному підсумку біомаса і зв'язані з нею походженням копалини углеводородного палива є не чим іншим, як величезними акумуляторами сонячної енергії.

У перерахуванні на суху масу утворення біологічних матеріалів у біосфері іде зі швидкістю близько тон на рік, при цьому щорічно хімічно зв'язується приблизно 10¹¹ т вуглецю, а споживана сонячна енергія складає Дж/рік ( Вт). Потік фотосинтетичної енергії на нашу планету складає близько 250 кВт на людину, що еквівалентно виробленню 100 000 великих атомних електростанцій. З загальної кількості біомаси тільки 0,5% вживається людством у вигляді їжі. Утворення біомаси змінюється в залежності від місцевих умов. На одиниці площі суші її утвориться приблизно в 2 рази більше, ніж на одиниці поверхні моря.

Промислове використання енергії біомаси може бути дуже значним. Наприклад, за рахунок відходів виробництва цукру в країнах, що його поставляють, покривається до 40% потреб у паливі. Застосування біопалива у вигляді дров, гною і бадилля рослин має першочергове значення в домашнім господарстві приблизно 50% населення планети. Але для того щоб розглядати біомасу як поновлюване джерело енергії, необхідно забезпечити її виробництво принаймні на одному рівні зі споживанням. Для людства страшне те, що в даний час витрата деревного палива значно випереджає його відтворення.

Чиста питома енергія, яку можна одержати при спалюванні, коливається від 10 МДж/кг (сира деревина) до 40 МДж/кг (жири, нафтоподібні речовини) і 55 МДж/кг для метану. Теплота згоряння сухої біомаси, що є власне кажучи вуглеводами, складає близько 20 МДж/кг. Концепція Енергетичної програми України до 2030 року передбачає перелік великомасштабних заходів в галузі біоенергетики. Вважається, що застосування біоенергетичних установок по переробці відходів тваринництва дозволить істотно поліпшити екологічний стан поблизу великих тваринницьких комплексів, де зібрана величезна кількість непереробної біомаси. Крім того, можна розраховувати на одержання високоякісних органічних добрив і за рахунок виробництва біогазу забезпечити економію традиційного палива.

Щорічно накопичується велика кількість твердих побутових відходів, які направляються на смітники і сміттяпереробні заводи. Потенційна енергія, укладена в них, еквівалентна сотням тисяч тон умовного палива. Відзначимо, що у світовій практиці одержання енергії з твердих побутових відходів здійснюється в основному спалюванням і газифікацією. У Японії, Данії і Швейцарії спалюється близько 70 %, у Німеччині – 30%, Італії – 25%, США -близько14 %.

Як сировину для одержання рідкого і газоподібного палива можливе застосування біомаси швидкозростаючих рослин і дерев. Для цих цілей вважається доцільним використовувати площі вироблених торф'яних родовищ, не придатні для виростання сільськогосподарських культур, а також площі чорнобильської зони.

Фотосинтез - процес утворення органічних речовин і акумулювання хімічної енергії під дією сонячного випромінювання, відбувається в листі рослин і в інших фотосинтезуючих організмах. Це найважливіший процес, з поновлення енергії, тому що всі живі організми складаються з матеріалу, що одержується в результаті фотосинтезу.

При фотосинтезі відбуваються хімічні реакції, в яких беруть участь вуглець С, водень Н, кисень О и сонячне випромінювання. У результаті фотосинтезу утворюються хімічні сполуки цих елементів, енергія яких більше, ніж енергія вихідних матеріалів, на величину поглиненої сонячної енергії. При наступній взаємодії отриманих речовин з киснем ця енергія вивільняється у виді тепла (приблизно 16 МДж/кг)

При згорянні енергія біопалива розсіюється, але продукти згоряння можуть знову перетворюватися в біопаливо шляхом природних екологічних чи сільськогосподарських процесів. Таким чином, використання промислового біопалива, будучи добре ув'язаним із природними екологічними циклами, може не давати забруднень і забезпечувати безупинний процес одержання енергії. Подібні системи називаються агропромисловими. Схема планетарного кругообігу біомаси наведено на рис. 12.3

Рис. 12.3 - Схема планетарного кругообігу біомаси

Класифікація основних типів енергетичних процесів, пов'язаних з переробкою біомаси:

Термохімічні процеси.

- Пряме спалювання для отримання теплоти.

- Пиролиз. Біомасу нагрівають або в умовах відсутності повітря або за рахунок згоряння деякої її частини при обмеженому доступі повітря чи кисню. Склад продуктів, що виходять при цьому, надзвичайно різноманітний: гази, рідина, олія, деревне вугілля. Зміна складу продуктів пиролизу залежить від температурних умов, типу сировини, що вводиться в процес, способів ведення процесу. Якщо основним продуктом пиролизу є пальний газ, то процес називається газифікацією, а установки для його одержання - газогенераторами. КПД пиролиза визначається як відношення теплоти згоряння похідного палива до теплоти згоряння вихідної біомаси і досягає рівня 80-90 %. Види палива, що одержується в результаті пиролиза, мають трохи меншу сумарну енергію згоряння в порівнянні з вихідною біомасою, але - більшу універсальність застосування: кращу керованість горіння; велику зручність в обертанні і транспортуванні, широкий діапазон можливих устроїв-споживачів, менший вплив на навколишнє середовище при згорянні.

- Гідрогенізація. Здрібнену, що розклалася, або переварену біомасу, наприклад, гній, нагрівають в атмосфері водню до температури близько 600⁰С при тиску близько 5 МПа (50 атм). Одержувані при цьому пальні гази, переважно метан та етан, при спалюванні дають близько 6 МДж на 1 кг сухої сировини.

Біохімічні процеси.

- Анаеробна переробка. Під час відсутності кисню деякі мікроорганізми здатні одержувати енергію, безпосередньо переробляючи вуглеродоутримуючи складові. При цьому виробляється суміш вуглекислого газу С0₂, метану СН₄ і побіжних газів, що називається біогазом.

- Одержання біогаза. Економічно виправдано, коли відповідний біогазогенератор переробляє існуючі потоки відходів, прикладами яких можуть служити стоки каналізаційних систем, тваринницьких ферм і т.п. Одержання біогаза, що можливо в установках самих різних масштабів, особливо ефективно на агропромислових комплексах, де доцільна реалізація повного екологічного циклу. У таких комплексах гній піддають анаеробному збраживанню. Біогаз використовують для освітлення, приведення в дію машин і механізмів, електрогенераторів, для обігріву приміщень. Оброблені відходи використовуються як високоякісні добрива.

- Спиртова ферментація. Етиловий спирт - летуче рідке паливо, яке можна використовувати замість бензину. Він виробляється мікроорганізмами в процесі ферментації, в якості сировини звичайно використовують цукор.

Агрохімічні процеси.

- Екстракція палив. У деяких випадках рідкі чи тверді різновиди палив можуть бути отримані прямо від тварин чи рослин. Наприклад, сік живих рослин збирають, надрізав шкірку чи стебел стовбурів, зі свіжезрізаних рослин його видавлюють під пресом. Добре відомий подібний процес одержання каучуку.

Контрольні запитання

1. Назвіть основні нетрадиційні та поновлювальні джерела енергії.

2. Яким чином поновлювальні джерела енергії пов’язані з діяльністю Сонця.

3. Геліоенергетика: основні напрями перетворення і використання сонячної енергії.

4. Вітроенергетичні установки: класифікація, основні напрями використання вітрової енергії.

5. Гідроенергетика як головна галузь використання поновлювальної енергії в Україні.

6. Біомаса та біоенергетика. Основні процеси переробки та використання біомаси.