Списание „наука”, бр. 4, 2008 г., стр. 32 Енергия от биомаса



Дата11.01.2018
Размер136.16 Kb.
#43668
СПИСАНИЕ „НАУКА”, бр.4, 2008 г., стр.32

ЕНЕРГИЯ ОТ БИОМАСА
Ст.н.с.д-р Андрей Бенев, Централна лаборатория по слънчева енергия и нови енергийни източници (ЦЛ СЕНЕИ) – Б А Н

Биомасата изобщо обхваща всички материали с растителен и животински произход. Като източник на енергия тя включва също едно много голямо разнообразие от продукти - дървесината и отпадъците от дърводобивната и дървопреработвателна промишленост, селскостопанските отпадъци, отпадъците от хранително-вкусовата промишленост, животинските торове, както и органичната фракция на градските твърди отпадъци, разделно събирания боклук от домакинствата и утайките от пречиствателните станции, а също и специално отглежданите т.н. енергийни култури. Тук под биомаса ще разбираме именно тази съвкупност от подходящи за използване с цел получаване на енергия материали.

Биомасата извършва реакция с кислорода, за да отдели топлина и затова може да бъде наречена още “биогориво”. В природната среда биомасата в крайна сметка се разпада на елементарни молекули с отделянето на топлина, макар и това да се извършва бавно, най-вече в непосредствено близките температури на средата посредством микробен процес на естествено разлагане или метаболизъм. Следователно, отделянето на топлина и на други продукти при изгарянето на биомасата наподобява естествените природни процеси. Ето защо биомасата като източник на енергия може да бъде причислена към възобновяемите източници на енергия и по принцип, макар и не винаги на практика, използването й не замърсява околната среда. Следователно, биомасата е източник на екологично чиста или “зелена” енергия. Това контрастира с енергията от фосилните и ядрените източници, които се добиват от находища под земята и в повечето случаи не са част от екологичната среда. Често тя е наричана “кафява” енергия, тъй като нейното използване винаги води до отделянето на допълнителни материали, които замърсяват околната среда [1].

По своята същност, използването на биомасата се извършва чрез енергиен и материален процес, който е обратен на фотосинтезата и може да бъде изразен със следната формула:

светлина

CO2+2H2O ‹==============› {[CH2O]+H2O}+O2

топлина

В този случай, в дясната част на формулата имаме биомаса и кислород. Обратният процес представлява изгарянето на биомасата във въздушна среда. В производството първичната биомаса често се подлага на допълнителна обработка, за да се получат по-рафинирани дериватни горива, които могат да бъдат определени също като биогорива: дървени въглища, газ, метан, естер. Нетното количество енергия, което се отделя при изгарянето варира от около 8 Mj/kg за зелената дървесина, около 20 Mj/kg за изсушени продукти от растения, 40 Mj/kg за мазнините, естествените масла и естерите от маслодайни семена, 55 Mj/kg за метана. За сравнение, тези показатели при въглищата и минералните масла са съответно 27 Mj/kg и 46 Mj/kg.



Реалните химически форми на първичните и дериватните биогорива, както и процесът на производство на биогориво са много по-сложни от гореописания. Въпреки това, първо, фундаменталната простота на цялостния процес следва да се има предвид в случаите, когато се разработват икономически и устойчиви производствени системи и, второ, биогоривата са химически по-еднородни, в сравнение с фосилните горива и следователно те са предпочитани за ефективно използване.

Фиг.1. Видове преработка на биомаса за получаване на енергия [1,2,4]




Класификация на биогоривата

Класификацията на биогоривата може да бъде направена по различни признаци. Така например, според първичните материали за получаването им те се делят на пет основни групи с множество подгрупи: продукти и отпадъци от горското стопанство; продукти и отпадъци от селското стопанство; промишлени отпадъци; отпадъци от комуналното стопанство и други (водорасли, специални растения).

Най-често срещаната и употребявана класификация на биогоривата е според начина на преработката и използването им, които са в неразривна връзка (фиг.1). Според нея има три основни групи биопреработка, които могат да бъдат разделени и на подгрупи.
Термохимична преработка

Към тази група се причислява най-голямата част от използването на биомаса в световен мащаб в момента. Основните процеси, определящи подгрупите, са три.

В подгрупата на директното изгаряне биомасата се използва за пряко отделяне на топлина, обикновено във въздушна среда. За предпочитане е използването на суха и хомогенна маса. Въздухът съдържа почти 80% азот, който се отделя като такъв или под формата на газообразни азотни окиси.

Дървата за огрев са такова традиционно биогориво за пряка домашна употреба. В индустриални мащаби, плантациите за дървесина като гориво са обект на пълно оползотворяване след изсичането. Подкастрянето на горските насаждения и дървообработващите предприятия предоставят също отпадъци за горене. В България дървесните отпадъци от дърводобива и дървообработването са един от основните източници на биомаса. Проучванията показват наличие на 1 600 000 тона дървесни отпадъци годишно [5].

Нетрансформираната дървесна маса (клони, кори, изрезки, трупчета, трески, стърготини, стружки) заема голям транспортен обем, поради което създава трудности при складиране и дозиране. В сурово състояние тя е с високо съдържание на вода, което намалява значително топлотворната й способност. Ето защо от средата на миналия век се прилагат технологии за подобряване свойствата на биогоривата чрез уплътняване на раздробена биомаса. Уплътнените биогорива се отличават от първичната биомаса с подобрени свойства по отношение на енергийната им плътност, транспортируемост, ниско влагосъдържание, устойчивост при съхранение и ниско отрицателно влияние върху околната среда. Високоплътните биогенни горива са известни под наименованието биопелети и биобрикети, често се употребяват и термините пелети и брикети.

Технологиите на пелетизиране и брикетиране са процеси, при които предварително раздробената растителна биомаса под действието на налягане (от 10 до 20 MPa) се трансформира в пелети или брикети с компактна форма и голяма плътност, които са годни за по-нататъшно манипулиране и използване. Технологичните линии включват смилане, пресяване, сушене до минимална зададена влажност, пресоване, охлаждане, складиране и опаковане.

Био-пелетите имат цилиндрична форма с диаметър 6-10 мм и дължина 10-30 мм. Това, освен че позволява снижаване на разходите за транспорт, но също така способствува за пълното автоматизиране на горивния процес, независимо дали се отнася за еднофамилни къщи или за крупни топло- и електроцентрали. По тези причини се забелязва значителен ръст в производството на био-пелети през последното десетилетие в различните страни-членки на Европейския Съюз. Едромащабните инсталации, работещи на био-пелети, като комбинираните централи за производство на топлинна и електроенергия, както и за регионално отопление, са преобладаващи главно в скандинавските страни, докато по-малките инсталации за централно отопление са често срещани в Австрия и Германия, главно в жилищния сектор. Другата важна форма, базирана на изгаряне на био-пелети, е отоплителната печка, много разпространена в Италия [4].

Втора по развитие, след технологията за производство на био-пелети, е технологията за производството на био-брикети. Те се отличават по размерите си, които са много по-големи и наподобяват нарязани дърва за огрев. Тези размери ги правят непригодни за автоматизирано изгаряне в малките горивни инсталации.

Битовите отпадъци също съдържат биомаса (например хранителни отпадъци и дървесина от строителството), но и пластмаси от фосилни източници, и като такива могат да се използват за горене.

Отделяната при изгарянето топлина може да бъде използвана както директно, така и за получаването на пара за производството на електричество от бутални двигатели или турбини. Често срещана практика при изгарянето на биомасата е смесването й с фосилни горива или битови отпадъци. Пепелта от изгарянето на чистата биомаса се използва за наторяване на почвата.



П

Фиг.2. Инсталация за газифи-

кация на битови отпадъци

1 – газификатор; 2 – регенерацион-

ни колони; 3 – електростатичен

филтър; 4 – котел; 5 – камера за

вторично изгаряне
иролиза
. При този процес биомасата се загрява или във извънвъздушна среда (например индиректно) или пък чрез нейното частично изгаряне при ограничено подаване на въздух или кислород. Единственият традиционен продукт 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 температурата, състава на изходящия материал, допълнителната обработка, особеностите на въздуха. Отделените вещества включват вторични горива и вторични материални продукти.

Газификация. Така се нарича една форма на пиролиза, при която имаме оптимизирани условия за отделянето на газообразни горива, които най-често са наричани “карбуриран газ”, дървесен газ или синтезен газ. Горимите елементи на този газ са въглеродният окис (силно отровен) и водородът. Съществено внимание следва да бъде обърнато на отделянето на твърдите частици от получените газообразни емисии, особенно в случаите, когато газът ще се използва за гориво на двигатели със запалване след подаване на искра или турбини, защото частиците увреждат такъв тип машини.

Термохимична допълнителна обработка и производство. Възможни са и много други процеси, включително и съпътстващото производство на биоматериали или “естествени пластмаси”. Киселинната или ензимната допълнителна обработка може да разгради целулозата или скорбялата (нишестето) до захари, които да бъдат използвани за ферментация.


Биохимична преработка

Алкохолна ферментация. Етанолът е основният продукт от ферментацията на захарите посредством микроорганизми и представлява концентрат след дестилация. Получената летлива течност е идеално гориво за двигателите със запалване посредством искра, която замества или пък може да бъде смесена с бензин. Следва да бъдат направени практични изменения по отношение например на карбуратора и резервоара.

Аеробно разлагане или преобразуването в тор. Биомасата гние при взаимодействието си с въздуха и произвежда СО2 и топлина. Практически е възможно тази топлина да бъде използвана преди разложеният материал да бъде използван като тор или за подобряване качествата на почвата. Също така, твърдият остатък от пречистването на отпадни води може да бъде използван чрез последващо аеробно разлагане.



Фиг.3. Комбинирана система за добив на биогаз и пречистване на отпадни води


1 – утайник; 2 – помпи; 3 – топлообменник; 4 – ферментатор или анаеробен биореактор; 5 – плуващи газосборници; 6 – площадка за сушене на тор; 7 – колона за отделяне на H2S.
Анаеробно разлагане (разтваряне). При отсъствието на свободен кислород, определени микроорганизми могат да черпят енергия от реакцията с въглеродни съединения на средни редукционни нива (например въглехидрати) и да произвеждат напълно оксидиран СО2 и напълно редукциран въглероден горивен метан, СН4. Процесът е често срещан в природата, в случаите на наличие на анаеробни условия. Химически разглеждан, процесът представлява ферментация, но се използва терминът разлагане (разтваряне) защото протича естествено в храносмилателната система на животните, най-вече на преживните. Комбинацията от отделяните газове (СО2 – 40 до 60%, СН4 – 60 до 40%, N2 – от 0 до 7%, Н2 и H2S – от 0 до 1% ) и водни пари (около 10%) се нарича биогаз, бунищен газ или отпадъчен газ, в зависимост от първоначалната органична субстанция и конкретните обстоятелства. Еквивалентният продукт от фосилни източници се нарича “природен газ”, за да се разграничи от “битовия газ” използван в газификацията. “Природният газ” съдържа по-високи нива на въглеводороди с по-високо молекулно тегло в сравнение с биогаза и не е толкова химически чист. Добивът на биогаз се влияе много силно от температурния режим. В зависимост от него се различават три области на биотрансформация, осигуряващи развитието на три различни съвкупности от бактерии: психрофилна (от 0 до 20 0 С), мезофилна (от 20 до 40 ) и термофилна (от 50 до55 ). С нарастването на температурата рязко се повишава скоростта на разлагането, но също така рязко се стеснява интервалът, в който трябва да се поддържа постоянство на температурата.

На фиг.3 е показана малка инсталация за биогаз, съставена съгласно една от множеството разновидности на схемите за изпълнението им. В приемника-утайник за свежия отпадък 1 се извършва предварителната подготовка на суровината. От там същата се подава ежедневно с помпа 2 през топлообменник 3 във ферментатора 4, където се поддържа хомогенността на ферментиращата маса. Във ферментатора също може да има серпентина, по която се движи топла вода за поддържане на температурния режим. През отвеждащо устройство ежедневно напуска ферментатора еквивалентно количество ферментирала биомаса (обеззаразена, обезмирисена, екологически тор за земеделието) и постъпва в торохранилище 6, в случая площадка за изсушаване. Полученият биогаз се очиства от H2S и постъпва в газосборниците 5, откъдето може да се използва, например след изгаряне да подгрява вода в котел. По-ефективно е получения биогаз да преминава през пречиствателно устройство (филтър) и да постъпва в газов двигател, задвижващ генератор за производство на електрическа енергия. Получената електроенергия задоволява собствените нужди или се включва в националната енергийна система. Горещата вода от охлаждането на двигателя (с температура около 90°С, която е носител на много енергия), може да служи за отопление на помещения, за производствени нужди, с доподгряване (за което се използва също биогаз) за производство на пара и т. н. Сборният коефициент на полезно действие при такъв начин на оползотворяване на биогаза достига от 86 до 92%.

Анаеробното разлагане частично отделя патогените от животинските отпадъци (фекалиите) и води до наличието на полезна съставна част за обработката на тези отпадъци. Използването на получения биогаз като гориво обикновено е ефективно по отношение на цената и допринася за глобалното опазване на природната среда, като превръща метана във въглероден двуокис. Една молекула СН4 допринася за засилването на парниковия ефект около шест пъти повече от една молекула СО2. Отпадните продукти от храносмилателната система се използват в земеделието за наторяване, обикновено след като са престояли няколко месеца на открито или след естественa биологичен процес в изкуствено създадени инсталации.
Агрохимични

Природни маслодайни култури. Съществуват много култури със семена, богати на мазнини, които имат непроменящ се химически състав. Отделяни посредством пресоване, тези мазнини могат директно да бъдат използвани за горива, например като заместител на дизела или пък като продукти за отопление.

Употребата в автомобилни двигатели на химически непреработени и неподложени на никакви други обработки освен на филтрация растителни масла засега поне трудно може да се наложи. По-перспективно е налагането на биодизела като гориво. Практически за неговото получаване се ползват за суровина същите растителни масла, но основно преработени чрез химически процес.

Това, което превръща биодизела в интересен и изгоден енергиен източник е фактът, че може да бъде произвиден от множество различини растителни видове от рода на соя, рапица, кокосови орехи, ленено, конопено и слънчогледово семе, фъстъци и много други. Всяка една от тези суровини е широкоразпространена на различни места по света - в Америка предимно соята, в Европа – рапицата, а в Малайзия – кокосът. Общото при всички тези изходни суровини е във високото им съдържание на растителни мазнтини. Тези мазнини, познати още като триацилглицероли, са органичини съдинения и подобно на нефтените горива съдържат водород, въглерод и кислород (в този случай в по-голямо количество). Формата на молекулата на глицерола прилича на буквата Е, към която като към скелет са закачени три вериги на мастни киселини. Именно защото изграждащите ги молекули са доста големи, използването на растителни масла като горивен източник е толкова трудно. Биодизелът се произвежда чрез процеса транс-естерифискация, при който структурата реагира с алкохол (етилов или метилов), вследствие на което дългите мастни киселини се откачат от основната конструкция и се преобразуват, изграждайки три отделни естерни молекули (плюс тази на основаната структура). Крайните продукти на процеса са глицерол и метилов (или етилов) естер на мастните киселини, като именно естерите са основния компонент на биодизела.

Отпадъчните готварски мазнини имат същото приложение, както и първичните мазнини използвани за гориво.



Ексудати. Това се естествени химически горива и материали, които се получават от живи или прясно отсечени и отрязани растения. Ексудатите се получават след разцепване на трупи или след пресоване на прясно прибрана реколта. Естественият каучуков латекс и терпентиновата основа са широкоразпространени продукти. Въглеводородите с по-малко молекулно тегло от каучука, могат да бъдат използвани за заместител на бензина. Пример за това са добивите от растителния вид Euphorbia.
Обобщения и препоръки

1. Най-ефективният по отношение на разходите процес трябва да включва използването на научни и технологични постижения, приложени към процеси, които съществуват в близката природна среда, обикновено в радиус от не повече от 100 км. Производството на енергия от източници на биомаса специално използвани за това, например плантации, които са източник на дървесина, се нарича производство “затворен цикъл”. Основно преимущество е също, че биомасата съдържа много ниска концентрация на сяра, за разлика от фосилните масла и въглищата, и че пепелта, която се отделя при горенето на биомасата може да бъде полезна за почвата. Все пак, няма перфектни процеси, така че емисиите и отражението върху околната среда при процесите, свързани с биомасата, могат да предизвикат и възражения.

2. Биомасата обикновено има ниска плътност, около 3 до 4 пъти по-ниска от фосилните горива. Боравенето с нея, както и транспортирането й в общи линии е трудно и скъпо, а централите за производство на енергия са по-големи, в сравнение с тези, които използват фосилни горива. Нужно е да се прилагат технологии за подобряване свойствата на биогоривата чрез уплътняване на раздробена биомаса.

3. В природата биомасата е широко разпространена, но не е концентрирана на едно място. Ето защо, физическото концентриране на биомаса на едно място изисква транспортни разходи, които намаляват общата ефективност. Ключът към икономическото използване на биогоривата е да се обвърже процесът на производство на енергия с наличието на доставки от биомаса, например дървопреработващи предприятия, предприятия за обработка на земеделски култури, птицеферми и животновъдни ферми, депа за битови отпадъци и станции за обработка на отпадъчни води. Какъвто е случаят с всички възобновяеми източници на енергия – трябва първо да се идентифицират наличностите на енергийни източници и едва след това да се изгражда предприятие за получаване на енергия.

4. При термохимична преработка процесът има толкова по-висока термодинамична ефективност, колкото по-висока е температурата на изгаряне на биогоривата, например в газова турбина. Биомасата обаче често е влажна и това възпрепятства високата температура на изгарянето; ето защо комбинираните топлинно и силови системи имат предимства. Газообразното биогориво, например карбурираният газ, може да бъде оползотворен за електропроизводство посредством пряко изгаряне в газова турбина, като отделената топлина захранва парна турбина. Този комбиниран производствен цикъл има най-висока ефективност за производство на електрическа енергия (до около 50%), а отделената топлина може да бъде и допълнително използвана, например за отопление.
Заключение

Земната атмосфера и биологичния материал се намират в синергетичен екологичен баланс и са взаимосвързани. Общият оборот на биологичния материал на човек от населението на Земята се равнява на около 40 тона годишно. Този материал расте и се разлага следвайки естествени цикли, като абсорбира и отделя атмосферни газове и пари. Тези процеси не само формират атмосферата, но и я контролират по начин, по който го изисква животът, човешкият включително. Цялата тази система се отличава с изключителна прецизност.



Промишленото приложение на биомасата следва да бъде разглеждано в контекста на екологията, не просто защото е икономически важно, но и защото човешката дейност, когато е резултат от невежество, уврежда жизненоважната околна среда. Проектите за добив на енергия от биомаса са екологично полезни. Свързаните “надземни” процеси на фотосинтеза и изгаряне на биогориво са “въглеродно неутрални”, тъй като не добавят нетно количество въглероден двуокис в атмосферата. Ето защо използването на биомасата за производството на енергия позволява на фосилните и атомни горива да си останат под земята и следователно намалява замърсяването и генерирането на парников ефект. Производството на енергия от биомаса е един от начините да се “настрои” природата, а не да се разруши. Следователно биомасата трябва да се разглежда като един от най-ценните фактори за нашето развитие.
Литература:


  1. Twidell, J., Biomass energy. Renewable Energy World, Vol. 1, N 3, XI.1998.

  2. Бенев, А., Ст.Крайчев, Е.Блажева, Малки енергоефективни системи за оползотворяване на отпадъчна биомаса. Доклад пред I Нац.конф.по възобновяеми енергийни източници. София, 10-11.Х.1994 г. и Сборник “Първа международна работна среща по възобновяеми енерг. източници”, София, 12-15.Х1994.

  3. Benev, А., St.Kraichev “Investigations on biogas production using waste mass from pig-breeding farms situated in different regions of Bulgaria”. Proc. of the Intern. Scientific Conference on ENERGY END INFORMATION SYSTEMS AND TECHNOLOGIES’ 2001. Vol.I, p.286, Bitola, Macedonia, June 7-8, 2001.

  4. Канев, К., Пелетното гориво е конкурентна алтернатива за производ- ството на енергия в България. Сп.”Твоят бизнес”, № 18, 2005 и Био-енергия, текст във www.kaneffs.net.

  5. Какво е биомасата и как може да се използва за производство на енергия. Брошура на проект”Партньорство за биомаса” на ИЕЕ. Енергиен Център София, 2006.

  6. Hayes, T.D., An integrated wastewater-energy production system. Energy from Biomass and Wastes. London,1987.



Сподели с приятели:




©obuch.info 2024
отнасят до администрацията

    Начална страница