Біоенергетика як галузь альтернативної енергетики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Біоенергетика як галузь альтернативної енергетики

біоенергетика переробка ресурс термохімічний

Біоенергетика, або енергетика на основі біомаси, посідає досить відокремлене місце серед відновлюваних енергетичних ресурсів. Це пов'язано з певною низкою її особливостей:

На відміну від енергії Сонця та вітру, які нерідко називають «новими» видами енергії, спалювання біомаси (дров, торфу) для обігріву та приготування їжі - одне з найстаріших джерел отримання енергії людиною. Отже, даний вид енергоресурсу зовсім не новий. Однак альтернативним є процес отримання енергії та раціоналізація методів використання даного енергоресурсу.

Значну кількість ресурсів, що сьогодні вважають одними з найперспективніших щодо застосування у біоенергетиці, складають відходи різних видів людської діяльності. Такі енергетичні ресурси спеціалісти називають «активно чистими». Під активно чистим енергетичним ресурсом розуміється такий вид ресурсу, за умови застосування якого зменшується негативний вплив на довкілля, пов'язаний з його накопиченням. Тобто такі види ресурсів не тільки можливо, але й необхідно використовувати.

Певна кількість енергетичних ресурсів може вважатись відновлюваною лише за умови правильної їх експлуатації. Так, наприклад, деревину вважають відновлюваним енергетичним ресурсом лише за умови, що на місці зрубаних для опалення дерев буде висаджено таку ж саму кількість саджанців. І навпаки, масове зведення лісів в країнах Африки та Південної Америки, безумовно, не можна вважати розвитком відновлюваної енергетики.

Біоенергетичні ресурси (БЕР) дуже відрізняються між собою за фізичними та хімічними характеристиками. Як результат, практично для кожного виду БЕР існують власні технології поводження та використання з метою отримання енергії. Отже, оцінювання енергетичного потенціалу біоенергетичних ресурсів є досить складним завданням, що потребує застосування специфічних методик для кожного виду БЕР.

Основні визначення

Біоенергетика. За французьким Великим термінологічним словником [1], для визначення галузі енергетики, що використовує БЕР як сировину, використовуються такі терміни (вважаються синонімами): 1) енергетика біомаси (біомас-енергетика); 2) біологічна енергетика; 3.) біоенергетика; 4) зелена енергетика. У вітчизняній літературі найбільш загальновживаним є термін «біоенергетика».

Загальноприйнятого визначення терміна «біоенергетика».не існує. Внаслідок цього, на основі понять «енергетика», «теплоенергетика», «електроенергетика», «гідроенергетика», «атомна, або ядерна, енергетика» та «вітрова енергетика» [2], а також на основі визначення терміна «альтернативна енергетика» [3] сформульовано визначення терміна «біоенергетика»:

Біоенергетика - галузь енергетики, що вивчає питання виробітку, перетворення, транспортування, використання механічної, теплової та електричної енергії, отриманої на основі біоенергетичних ресурсів.

Енергетичні ресурси та джерела енергії. Ці поняття нерідко використовуються як синоніми. Наприклад, у словнику-довіднику. «Природокористування» енергетичні ресурси визначаються як «Сукупність… джерел енергії» [4]. Проте існують й інші точки зору. Зокрема, за французьким Великим термінологічним словником: джерела енергії - усе, що дозволяє виробляти енергії безпосередньо, або шляхом перетворення або трансформації; енергетичні ресурси - доступні для використання джерела ^ енергії, які характеризується певним потенціалом та для яких існують необхідні технології видобутку / виробництва та використання.

Останній підхід підтверджується в роботах, присвячених НВДЕ. Так, у дослідженнях фундаментального характеру, описового та законодавчого використовується передусім термін «джерела енергії» як засіб узагальненого визначення шляхів отримання енергії. І навпаки, у роботах оціночного характеру використовується термін «енергетичні ресурси».

Так, «енергетичні ресурси включають у себе простір та час, тобто загальна енергія системи - це не просто сума енергетичних джерел. Загальна енергія системи включає також врахування характеру розподілу енергії у просторі відносно споживачів та часу відносно споживання у часі» [5].

Отже, використовуючи термін «енергетичні ресурси», сформульовано визначення терміна «біоенергетичні ресурси»:

Біоенергетичні ресурси (БЕР) - визначені у просторі та часі відновлювані енергетичні ресурси біогенного походження, які характеризуються певним потенціалом та для яких існують необхідні технології видобутку / виробництва та використання.

Ресурси та потенціал. На відміну від таких енергетичних ресурсів, як ресурси Сонця і вітру, для яких поняття «потенціал» та «ресурси» є тотожними [6], для БЕР ці поняття мають певні відмінності. Порівняно з енергетичними показниками, у термінах яких виражаються геліо - та вітроенергетичні ресурси, БЕР як накопичена сировина виражається передусім в одиницях обсягу або ваги. Енергетичний потенціал виступає лише в ролі провідної характеристики даного виду ресурсу та залежить від конкретної технології його переробки. Відомо, що стосовно певних видів ресурсів концептуальний зміст поняття «потенціал» становить продуктивність як здатність виробляти ту чи іншу кількість продукції за певний відрізок часу [7]. Отже, потенціал БЕР є здатністю виробляти відповідну кількість енергії за певний проміжок часу, що дозволяє використовувати термін «енергетичний потенціал». Відрізком часу, за який оцінюється енергетичний потенціал, є рік.

Враховуючи, що на основі одного й того самого БЕР, залежно від обраної технології, можна виробляти теплову, електричну або обидва види енергії одночасно, стає необхідним відокремлювати теплоенергетичний та електроенергетичний потенціали:

Теплоенергетичний потенціал даного виду БЕР - здатність виробляти на основі даного виду БЕР відповідну кількість теплової енергії за рік.

Електроенергетичний потенціал даного виду БЕР - здатність виробляти на основі даного виду БЕР відповідну кількість електричної енергії за рік.

Види біоенергетичних ресурсів:

відходи:

тверді побутові відходи;

осад станцій очищення комунальних стічних вод;

відходи тваринництва;

відходи рослинництва;

органічні відходи промисловості;

відходи деревини; енергетичні культури:

водорості;

сільськогосподарські культури для виробництва біопалива;

швидкоростучі деревні насадження.

Технології використання біоенергетичних ресурсів

- До основних технологій використання біоенергетичних ресурсів належать такі:

* анаеробне зброджування (зброджування без доступу кисню, під час якого за допомогою певних видів метаногенних бактерій виробляється біогаз - метанвмісний газ, що вміщує до 60-70% метану);

* термохімічна переробка, (спалювання, піроліз, газифікація - розрізняються кінцевим продуктом і ступенем доступу кисню);

Г отримання біопалива для автомобілів (біоспирт та біодизель).

Анаеробне зброджування. Біогаз

Технології анаеробного зброджування можна застосовувати до практично будь-якого виду біоенергетичних ресурсів. Проте найбільш поширеним є їх пристосування до ресурсів з високим вмістом вологи.

Газ, що утворюється на основі анаеробного розкладу органічної речовини, був відкритий Ширлі у 1667 році та отримав назву «болотного газу» внаслідок його великої кількості в товщі застійних вод.

У 1884 р. У. Гайон, учень Л. Пастера, представив результати досліджень, що були присвячені процесу ферментації і під час яких було встановлено, що газ, отриманий у процесі ферментації, може бути використаний як енергетичний ресурс для виробітку теплової та електричної енергії.

У першій частині XX століття вивчалися різноманітні технології ферментації, зокрема вплив різних видів сировини, мікрофлори. Вивчалися й температурні режими протікання процесу генерації метану.

У 50-60-х роках значний вплив на розвиток досліджень у галузі анаеробної ферментації мало масове будівництво станцій очищення стічних вод. Так, тільки у ФРН в 1951 році працювало 48 заводів з переробки стічних вод, що виробляли 26 млн м³ біогазу на рік.

Значне привертання уваги світового суспільства до процесу анаеробної ферментації органічних відходів як до джерела отримання енергетичного ресурсу почалося під час нафтових криз у капіталістичних країнах (перша з них сталася у 1973 році).

І нарешті, в останні десятиріччя, слід зазначити розширення використання біогазу для запобігання викидів парникових газів в атмосферу.

Біогаз являє собою суміш газів, більшу частину якої складають метан (СН₄) та двоокис вуглецю (С02). Також як домішки до складу біогазу входять сірководень (Н₂8), азот (N3), водень (Н₂), моно окис вуглецю (СО) та ін.

Основними характеристиками біогазу як енергетичного ресурсу є вміст метану та його теплотворна здатність. Вміст метану в складі біогазу залежить від використаного біоенергетичного ресурсу, а також від технології його отримання. Найменші концентрації метану в складі біогазу має біогаз звалищ твердих побутових відходів (ТПВ) внаслідок неможливості контролювання процесу його утворення. Для невеликих звалищ цей показник становить 20-30%, для більш значних - 40-60%. Для станцій очищення міських стічних вод вміст метану в складі біогазу є дещо більшим - від 50% (наприклад, у проекті міста СпашЬегу, Франція) до 70% (в проекті міста ТгоШіаііап, Швеція). Найчастіше його вміст становить 65%. Найбільших значень вміст метану сягає під час використання відходів тваринництва або харчової промисловості - 80-81%.

Теплотворна здатність, що має тісний зв'язок із вмістом метану, коливається найчастіше від 17 до 25 МДж/м³. У разі застосування технологій очищення біогазу від домішок (якими є двоокис вуглецю, азот, сірководень та ін.) теплотворна здатність може сягати до 35 МДж/м³.

З технологічної точки зору, в процесі анаеробної ферментації (метаногенезу) вирізняють певні стадії:

'*'Г стадія гідролізу - вихідний субстрат, що вміщує полімерні сполуки, розкладається до мономерів. Для різних субстратів (целюлоза, крохмаль, пектин, білки) гідроліз проводиться різними мікроорганізмами;

стадія ацидо - та сольвентогенезу - перетворення продуктів гідролізу в суміш жирних кислот та нейтральних розчинників. Спостерігається виділення водню, двоокису вуглецю, сірководню, аміаку. На даній стадії втілюються різноманітні види бродіння - спиртове, маслянокисле та ін. Перетворення здійснюються за допомогою гідролізерів та «мікрофлори розсіювання», що поглинає продукти гідролізу та забезпечує їх зброджування; ацетогенна стадія. Тісно пов'язана з метаногенною, тому що остання використовує водень, що утворюється за ацетогенезу; метаногенна стадія - перетворення в метан та двоокис вуглецю отриманої сировини: 1) суміші двоокису вуглецю та водню; 2) ацетату; 3) форміату; 4) метанолу; 5) метиламінів; 6) моно-оксиду вуглецю. Всього існує 13 видів метанобактерій, які між собою поділяються за використовуваною сировиною. До значних природоохоронних вигід: за допомогою спалювання біогазу зменшуються його парникові властивості у 5,4 рази.

Більш ефективним методом поводження з біогазом є використання тепла, отриманого під час його спалення, для випарювання фільтрату, який утворюється в тілі звалища, що містить велику кількість забруднювачів. Традиційні способи поводження з фільтратом - відправлення його на станції очищення міських стічних вод, або повернення його в тіло звалища.

Виробництво теплової енергії з біогазу було одним з основних способів використання біогазу у другій половині XX століття. Проте для цього застосовувались інші види сировини - осад стічних вод, відходи тваринництва. Навіть у містах України (зокрема, у Харкові) відомі приклади генерації біогазу з осаду станцій очищення стічних вод з метою забезпечення власних потреб у тепловій енергії, а також для створення локальних теплових мереж для опалення будинків. Біогаз звалищ ТПВ переробляється на тепло зазвичай у котельнях та печах промислових підприємств, що розташовані поблизу звалища. Нерідко практикується створення штучних споживачів теплової енергії поблизу (наприклад, теплиць).

Виробництво електричної електроенергії є найбільш популярним способом утилізації біогазу в розвинених країнах. Цьому сприяє також наявність вже відпрацьованої схеми купівлі виробленої енергії власниками електричних мереж. Так, у Франції у 2002 році з 238 ГВт*год., вироблених на основі біогазу, 234 були продані компанії ЕДФ (Електрична енергія Франції). На думку вітчизняних експертів, цей спосіб переробки є оптимальним для застосування в разі відсутності поблизу потенційних споживачів біогазу для опалення.

Вироблення теплової та електричної енергії за принципом ко-генерації (одночасне вироблення теплової та електричної енергії) є найбільш ефективним способом переробки біогазу - ККД при цьому складає близько 85%.

Використання біогазу як автомобільне паливо є до новим способом його використання. Найбільш важливою позитивною стороною подібного використання є менше забруднення порівняно з використанням природного газу. Це пояснюється тим, що метан має більш коротку вуглецеву ланку, ніж компоненти природного газу. Під час його використання викиди СО зменшуються на 65%, Ж)_х - на ЗО%. Як автомобільне паливо біогаз використовується вже традиційно в таких країнах, як Італія та Нова Зеландія. Дуже високими темпами дана галузь розвивається у США (3 заправні станції на тиждень), Аргентині та інших країнах. Аналіз існуючих

проектів свідчить про необхідність дуже високого ступеня очищення біогазу - вміст метану повинен бути не меншим 90%. До того ж економічна доцільність такого способу використання біогазу можлива тільки за умови звільнення подібних проектів від податків або за наявності екологічних субсидій.

Збагачення біогазу до якості природного газу є також перспективним способом використання біогазу, бо це дає можливість збільшення кількості споживачів газу та забезпечує отриманий газ необхідним ринком збуту. Однак подібні проекти потребують чималих інвестицій. На сьогодні за схемою подачі біогазу в мережу працюють шість установок в Голландії, але в цій країні вимоги до якості природного газу не такі високі, як у багатьох інших розвинених країнах.

Термохімічні способи переробки відходів

Для біоенергетичних ресурсів, які характеризуються порівняно малим вмістом вологи (наприклад, солома зернових культур, соняшника; кукурудзи, деревина тощо), використовуються переважно технології термохімічної переробки (піроліз, газифікація та спалювання), які розрізняються за температурними межами процесів за наявності або відсутності кисню.

Піроліз, що являє собою процес термічного розкладу органічних сполук без доступу кисню, найчастіше використовує як сировину деревину, але існують приклади застосування і відходів рослинництва, зокрема соломи. Основними продуктами, що утворюються при цьому процесі, є тверде та рідке паливо, яке набагато зручніше транспортувати до кінцевого споживача. Наприклад, піропаливо має енергетичну щільність 28 ҐДж/м³, порівняно з 2 ГДж/м³ для соломи.

Газифікація являє собою високотемпературний процес, під час якого тверде паливо вступає в реакцію з обмеженою кількістю кисню та перетворюється в основному на горючий газ. Температури процесу є більш високими, ніж у технології піролізу.

Використання обох наведених технологій ву світі розвивається досить високими темпами, але їх застосування на Україні (навіть для найбільш рентабельних для України варіантів - поєднання пі-ролізера або газифікатора з двигуном внутрішнього згоряння) не може поки що конкурувати з традиційними енергоносіями.

Висвітлені вище технології виступають лише можливою альтернативою найдавнішому виду отримання енергії з біомаси в цілому та, зокрема, з відходів рослинництва - прямому її спалюванню.

У світовій практиці відомий також такий спосіб виробітку енергії на основі рослинних залишків, як сумісне їх спалювання з вугіллям. Як показують дослідження, під час застосування такої технології спостерігається зниження рівня викидів СО, N0^, 80₂ при збільшенні викидів НС1 (останнє пояснюється значним вмістом хлору в соломі). Порівняння можливостей використання тільки біомаси та поєднання її з вугіллям на основі досвіду застосування технології сумісного спалювання соломи та вугілля на ТЕЦ в місті Студструп (Данія) показало, що вартість отриманої енергії в разі застосування технології сумісного спалювання практично на 50% менша.

Біопаливо

Виробництво палива для автомобілів з рослинних залишків має досить довгу історію не тільки як об'єкта наукових досліджень, але й як проекту промислового та навіть загальнодержавного масштабу. Дійсно, ще у 70-х роках минулого століття, внаслідок нафтових криз у Північній та Південній Америці, було розпочато масштабні програми з виробництва біопалива (у Бразілії - світовому лідері з виробництва цукру та у СІЛА - світовому лідері з виробництва кукурудзи). Ці проекти стосувалися виробництва спирту з, сільськогосподарських культур для використання у чистому вигляді або у суміші з бензином.

Протягом досить тривалого часу під біопаливом розумівся саме біоспирт. Проте у 90-х роках минулого століття було запущено перший проект промислового масштабу з виробництва біодизелю - виробництва палива або домішок до палива на основі олійних культур для використання у дизельних двигунах.

На відміну від інших видів відновлюваних енергетичних ресурсів, технології виробництва енергії на основі біомаси є дуже розгалуженими. До того ж більшість технологій все ще залишаються на стадії наукових розробок та не є рентабельними у сучасній економіці. Проте в умовах дедалі більшого привертання уваги до питань охорони довкілля та переведення природоохоронного ефекту у грошові еквіваленти, можна впевнено сказати, що більшість з наведених технологій у найближчі роки набув значного розвитку

Географічні фактори використання біоенергетичних ресурсів. Вплив біоенергетичних ресурсів на навколишнє середовище

З географічної точки зору, біоенергетичні ресурси (БЕР), їх розміщення та можливості використання залежать від складного поєднання природних, соціальних та економічних факторів. Дійсно, більшість біоенергетичних ресурсів є речовиною, що була отримана з природного середовища, використана за призначенням та знову повернена в природне середовище у вигляді відходів. Стосовно вирощування енергетичних культур, їх розповсюдження також знаходиться під впливом як природних факторів (якість ґрунтів, кліматичні умови), так і суто соціальних та управлінських (рентабельність вирощування енергетичних культур, державні інструменти стимулювання розвитку даної галузі тощо).

З просторової точки зору, більшість місць утворення або накопичення БЕР дуже розосереджені за територією, та кожне з них має порівняно незначний енергетичний потенціал. Проте зважаючи на той факт, що БЕР є саме речовиною, яку можна транспортувати (на відміну від вітрової та сонячної енергії), дуже важливим етапом вивчення БЕР є можливості створення централізованихтустановок, що споживають БЕР одразу з декількох місць їх утворення або накопичення,

Нарешті, враховуючи наведене визначення БЕР як активно чистого енергетичного ресурсу, стосовно впливу на довкілля можна сказати, що сам факт використання БЕР вже має позитивний природоохоронний ефект порівняно із захороненням БЕР як відходів.

Розглянемо вплив зазначених факторів відповідно до кожного з видів біоенергетичних ресурсів.

Размещено на Allbest.ru