Лекция №13 Биомасса

До начала ХХ в. биомасса играла основную роль в обеспечении человечества энергией. Затем биомасса была вытеснена углем, нефтью, газом.

Биомасса имеет свои плюсы и минусы.

Положительные стороны – низкая стоимость и доступность, распространенность, в отличие от других ресурсов. В отличие от других ресурсов она лишена таких недостатков, как переменчивость и непостоянство (в отличие от гелиоэнергетики и ветроэнергетики).

Особенно биомасса актуальна для Российской Федерации. Преимущество в энергетическом плане: использование биомассы не увеличивает содержание парниковых газов в атмосфере, так как в ней изначально содержится углерод.

Основной источник биомассы – это фотосинтез. Если просуммировать всю биомассу, образующейся на земле в год, то она составляет 220 млрд. т. в год.

Термин биомасса охватывает все компоненты являющиеся производными от первичной фотосинтетической продукции: растительный и животный мир, продукты переработки биомассы, разнообразные органические отходы, которые неизбежны в сельском хозяйстве, которые покрывают 7% производства энергии в мире и одновременно происходит утилизация.

Биомасса – это также городские отходы (ТБО – твердые бытовые отходы).

Биомасса

Фотосинтетическая

биомасс

ТБО

В развитых странах на одного городского жителя приходится 1 т в год.

Современные технологии конверсии биомассы в топливо

Термохимическая конверсия

Биотехнологическая конверсия

Прямое сжигание

Пиролиз

Синтез

Быстрый

пиролиз

Газификация

Сжижение

Биогазовые технологии

(метаногенерация)

Производство этанола

Получение биодизельных топлив

Производство тепловой энергии

Термохимическая конверсия:

1. прямое сжигание – древнейшее использование биомассы, КПД – 15…18 %. Также существует такие внутренние биомассы, которые выгоднее сжигать при условии созданий тепловых агрегатов с высоким КПД (солома, злаковые культуры, стебли подсолнечника, кукурузы, некоторые виды древесины, ТБО);

2. пиролиз – термохимическая конверсия сырья без доступа воздуха при температуре 450 - 550⁰С (перегонка). Из 1м³ абсолютно сухой древесины можно получать 140 – 180 кг древесного угля, не содержащего серы, фосфора и используется для получения лучших сортов стали, при этом также получается 280 – 400 кг жидких продуктов (метанол, ацетон) и 80 кг горючих газов (метан, водород);

3. газификация – это неполное сжигание биомассы при температуре 900 – 1500⁰С в присутствии кислорода (или воздуха и воды) в результате чего получается синтез-газ (СО+Н₂), 7% стеклообразной массы, применяемые для дорожных покрытий. Газификация более прогрессивный и экономичный способ конверсии биомассы, чем пиролиз, также может использоваться для получения метанола;

4. сжижение – производство жидкого синтетического топлива путем термической конверсии в присутствии катализатора;

5. быстрый пиролиз – биомасса в течении короткого времени подвергается воздействию высоких температур ~ 1500⁰С, следовательно, быстрое разложение исходных продуктов и образование этанола и других продуктов близких к бензину. Использование быстрого пиролиза выгоднее, чем простого, так как получается меньше золы;

6. синтез – это метанол в присутствии катализатора при нагреве (из 1 т древесины можно получить около 500 л метанола – как бы перегонка).

Наиболее эффективным способом является быстрый пиролиз.

Биотехнологическая конверсия:

1. биогазовая технология. Биогаз – это смесь СН₄ и СО₂, то есть продукт метанового брожения под действием анаэробных бактерий. Протекает при температуре брожения 40⁰С, в биогазе СН₄ = 50 – 90%. В зависимости от природы исходного сырья выход биогаза от 200 до 600 л на 1 т абсолютно сухого вещества;

2. производство этанола. Этанол и другие низшие спирты (альдегиды и др.) – это продукт спиртового брожения разнообразных сахаро- и крахмалосодержащих субстратов (растворов). Наиболее распространное сырье для производства этанола – это отходы от сахарного тростника или миласса – это отходы сахарной свеклы, а также крахмал, кукуруза, картофель, пшеница и рис. В России этанол получали из гидролизной глюкозы. В 70-80-е года в Бразилии из смеси этанола + бензин получали топливо для заправки машин;

3. биодизельные топлива – получаются из любого маслосодержащего растения (рапс, соя, подсолнечник, кактус, лен). Характеристики таких топлив, как и у обычных дизельных топлив;

4. получение тепловой энергии – активное компостирование (микробное окисление). Метод основан на процессе бактериального окисления твердых органических веществ с выделением тепловой энергии, в результате температура пропускаемого воздуха повышается до 90⁰С, а при компрессии до 110⁰С. В Японии такая установка имеет КПД 95%.