Использование биомассы для получения энергии

Биоэнергетика

Человечество может получить достаточное количество электроэнергии, не вырабатывая ее на ГЭС, АЭС или ТЭС, работающих на угле, нефти, природном газе и горючих сланцах. Можно необходимую энергию получать, используя альтернативные источники энергии, например ветровые, приливные, геотермальные, солнечные и волновые электростанции или ТЭС, работающие на биомассе.

Под альтернативной энергией понимаются биогаз, биодизель и другие углеводороды, полученные в результате переработки биомассы. Ресурсы данных источников колоссальны, но ограниченны. Альтернативная энергетика удовлетворить потребность человечества может только при экономии энергии. Например, в Индии правительство на федеральном и региональном уровнях выделяет значительные субсидии для реализации программ по установке усовершенствованных печей. К концу 2000 года в стране работало 32,6 миллиона таких печей. Использование улучшенных печей спасло от уничтожения более 13 миллионов тонн древесины в год. А если усовершенствовать печи по всему миру? Использование биомассы в энергетических целях дает большие перспективы: можно использовать отходы сельского хозяйства (получение биогаза в животноводстве, использование на ТЭС отходов растениеводства), а также получать топливо (выращивание энергетических лесов).

Что можно сделать из биомассы?

Биогаз. Всего в мире в настоящее время используется или разрабатывается около шестидесяти разновидностей технологий получения биогаза. Наиболее распространенный метод - анаэробное сбраживание в метатанках, или анаэробных колоннах. Биомасса (экскременты сельскохозяйственных животных; солома и прочие отходы растениеводства) сбраживаются в результате жизнедеятельности метанобактерий, в результате чего образуются биогаз и побочные продукты (витамин В, удобрение).

Потенциал: Россия ежегодно накапливает до 300 миллионов тонн в сухом эквиваленте органических отходов.250 млн. т. в сельскохозяйственном производстве и 50 млн. т в виде бытового мусора. Эти отходы являются сырьем для производства биогаза. Потенциальный объем ежегодно получаемого биогаза может составить 90 млрд. м3.

Биодизельное топливо

Биодизель - это экологически чистое топливо для дизельных двигателей, получаемое путем химической обработки растительного масла или животных жиров, которое может служить добавкой к дизельному топливу или полностью заменять его. Биодизель, как показали опыты, при попадании в воду не причиняет вреда растениям и животным. Кроме того, он подвергается практически полному биологическому распаду: в почве или в воде микроорганизмы за 28 дней перерабатывают 99 процентов биодизеля, что позволяет говорить о минимизации загрязнения рек и озер. Производство биодизеля позволяет ввести в оборот не используемые сельскохозяйственные земли, создать новые рабочие места в сельском хозяйстве, машиностроении, строительстве и т.д. Например, в России с 1995 по 2005 год посевные площади сократились на 25,06 миллиона гектаров.

Выращивание биомассы для синтеза топлива

Для создания плантаций энергетических лесов в умеренной климатической зоне наиболее перспективны разновидности быстрорастущих сортов тополя (волосистоплодного и канадского) и ивы (корзиночной и козьей), а в южной части страны - акации и эвкалипта. Посадка энергетических плантаций ведется черенками или саженцами квадратно-гнездовым способом или в шахматном порядке с различной шириной междурядий (от 0,8 до 2 метров). Для тополя плотность посадок обычно составляет 3 5 тысяч экземпляров на 1 гектар, однако общих рекомендаций пока не выработано. Период ротации составляет 6 7 лет. Уход за плантацией заключается в бороновании междурядий, внесении удобрений и орошении в засушливые периоды. Плантации могут быть монокультурными и комбинированными. Последние заслуживают особого внимания, поскольку способствуют диверсификации посевов и посадок различных культур, что должно повысить устойчивость к заболеваниям и вредителям, тем самым снижая потребность в ядохимикатах. Кроме того, подобные плантации рациональнее используют поступающую солнечную энергию для формирования биомассы.

Принцип комбинированных посевов и посадок различных культур на одном участке хорошо известен в тропиках, где так называемые "огороды" дают урожаи различных культур на протяжении нескольких лет подряд без применения удобрений и ядохимикатов. Различные варианты комбинированных посевов и посадок разнообразных культур, включая энергетические, уже испытаны в одном из графств Великобритании. В посадках используют тополь и ячмень в междурядьях, либо тополь, ясень, ольху с подсолнечником и люпином в междурядьях, или с горохом полевым, ячменем, клевером, зелеными культурами и т.д. Пример комбинированного использования энергетических лесов известен в Греции, где на плантациях шелковицы выкармливают шелковичного червя. Зимой годовой прирост ветвей обрезают и используют как биомассу. На европейской территории России, где до 80 процентов электроэнергии вырабатывается на ТЭЦ, многие из которых расположены в лесных районах, безусловно, имеются возможности для создания плантаций энергетических лесов либо частичного использования местных лесных ресурсов (отходы заготовки и переработки древесины).

Количество энергии, которое можно получить с энергетической плантации при урожайности 15 тонн сухой биомассы с гектара в год (теплотворная способность 15 МДж/кг), составляет 225 ГДж/га. При КПД газотурбинной электростанции 40 процентов, один гектар энергетической плантации может обеспечить экологически чистым топливом производство 252 МВт-ч электроэнергии в год. В настоящее время рассматриваются различные схемы использования энергетических лесов с короткими севооборотами (как правило, предлагаются севообороты с шестилетним циклом). При этом энергоотдача (отношение количества энергии, которое получают от системы, к энергетическим затратам на ее создание и эксплуатацию, включая все косвенные расходы) таких энергетических плантаций колеблется между тремя и четырьмя, что оказывается вполне приемлемой величиной, если учесть, что энергоотдача для тепловых станций, работающих на угле, составляет четыре-пять единиц.

Растительное масло имеет большую теплотворную способность (38 МДж). Кроме того, растительное масло можно переработать на биодизель. А вот сколько масла можно получить с гектара пашни, засеянного масличными культурами?

Конечно, использование пищевых продуктов (в данном случае растительное масло) не является выходом из энергетической проблемы. Но данный ресурс рассматривать вполне целесообразно.

Метод прямой конверсии биомассы в топливо

Недавно Джоржем Хубером и двумя его студентами из университета штата Массачусетс был разработан метод прямой конверсии биомассы в топливо. Они опубликовали в журнале ChemSusChem статью с описанием метода селективного каталитического пиролиза целлюлозы, результатом которого является образование ароматических соединений (нафталин, толуол, этилбензол и др.), среди побочных продуктов - твердый углеродный материал, СО, СО2 и вода.

Реакцию проводили при 600 C на цеолитном катализаторе ZSM5. Процесс завершался всего за две минуты. Исходным реагентом служил очищенный порошок целлюлозы.

Представления о механизме процесса включают несколько элементарных реакций - разложение целлюлозы с образованием органических соединений, содержащих кислород, затем реакции этих соединений внутри пор катализатора, где происходит дегидрирование, декарбонилирование, олигомеризация и другие химические превращения.

Эксперты высоко оценили новую работу, хотя сами авторы признают, что это лишь первый шаг к эффективному преобразованию биомассы в моторное топливо. Первым делом предстоит изучить возможность использования сырой биомассы, а не порошка целлюлозы. Далее, основными продуктами пиролиза являются ароматические соединения, а их, согласно требованиям правительственной организации США - Агентства по охране окружающей среды - не должно быть больше 25% в общей массе бензина. Значит, придется ограничиться добавкой полученной ароматики к алканам, либо проводить дополнительную реакцию гидрирования.

Тем не менее, несмотря на все эти ограничения, процесс д-ра Хубера привлечет большое внимание коллег и даст толчок к дальнейшим исследованиям в области экологически чистой энергетики, не приводящей к росту содержания углекислого газа в атмосфере.

Цианобактерии и биотопливо

Ученые из университета Техаса в Остине научили бактерии вырабатывать материал для топлива. Они изменили геном цианобактерии, благодаря чему последняя научилась вырабатывать большое количество целлюлозы, которое будет использовано для получения биотоплива.

Ученые изменили геном цианобактерий, добавив туда гены, отвечающие за продукцию целлюлозы, взятые от уксусных бактерий Acetobacter xylinume. В результате модифицированные бактерии стали производить целлюлозу в виде геля, что очень удобно, так как ее легче в таком виде расщеплять на глюкозу и сахарозу - простые сахара, которые являются основным источником для получения этанола.

Специалисты высказали предположение, что с помощью модифицированных бактерий намного легче получать этанол, чем, к примеру, из кукурузы, свеклы или сахарного тростника. Так как целлюлоза, получаемая из этих растений, находится в кристаллической форме.

Что также немаловажно, по мнению ученых, так это то, что цианобактерии можно выращивать на непахотных землях и использовать для полива соленую воду, которую нельзя использовать для питья или полива растений.

Исходя из продуктивности цианобактерий в лаборатории, специалисты подсчитали, что при одинаковом количестве производимого этанола, площадь полей с цианобактериями будет в два раза меньше площади, засеянной растениями, используемыми как источник целлюлозы

Введение

Человек не может жить, не оставляя после себя твёрдые бытовые отходы (ТБО). Количество их зависит различных факторов. В среднем принято считать, что на одного жителя в год накапливается 250 кг мусора.

На общее накопление ТБО влияют следующие факторы:

1.         Степень благоустройства зданий (наличие мусоропроводов, системы отопления, тепловой энергии для приготовления пищи, водопровода и канализации);

2.         Развитие сети общественного питания и бытовых услуг;

3.         Уровень производства товаров массового спроса и культура торговли;

4.         Уровень охвата коммунальной очисткой культурно-бытовых и общественных организаций;

5.         Климатические условия.

Отходы собираются как на специализированных (санкционированные места), так и на стихийно возникающих свалках (неразрешенные места).

Сконцентрированные в отвалах, на свалках отходы – опасные источники загрязнения поверхностных и подземных вод, атмосферного воздуха, почв и растений. Сложившаяся ситуация представляет реальную угрозу здоровью людей – современным и будущим поколениям страны.

Проблема твердых бытовых отходов (ТБО) является остро актуальной, поскольку ее решение связано с необходимостью обеспечения нормальной жизнедеятельности населения, санитарной очистки городов, охраны окружающей среды и ресурсосбережения.

ТБО включают разнообразные вещества органического и минерального происхождения: пищевые отходы, использованную бумагу и картон, текстиль, древесину, кости, кожу, резину, пластмассу, металл, стекло, камни и др. Мусор является благоприятной средой для развития микроорганизмов, вызывающих некоторые инфекционные заболевания. Поэтому необезвреженные отходы могут быть источником массового загрязнения окружающей среды.

Ни один из применяемых в настоящее время способов сбора и удаления отходов не является полностью удовлетворительным ни по санитарно-гигиеническим, ни по технико-экономическим показателям.

К отходам продолжают относиться как к нежелательным материалам, и главное, что заботит многих людей, — как получше "спрятать" отходы с глаз долой. Между тем отходы еще вчера были элементами природы, и первой целью в обращении с ними должно быть восстановление ресурсов и вовлечение их в хозяйственный оборот с целью получения необходимых нам материалов с одновременной минимизацией обращения за ними к природе.

В США 41 % твердых бытовых от­ходов (ТБО) классифицируется как "особо опасные", в Венгрии— 33,5%, во Франции— 6%, Великобрита­нии — 3%, в Японии — лишь 0,3%. В России к опас­ным отходам относят 10%.от всей массы ТБО. Во мно­гих странах мира количество токсичных (опасных) от­ходов неуклонно возрастает. На территории России имеются так называемые хи­мические "ловушки" (включая места атомных взрывов в мирных целях и захоронения радиоактивных отходов), т. е. давно забытые захоронения опасных отходов, на которых со временем построили жилые дома и другие объекты. Но, к сожалению, их учет пока в нашей стра­не не проведен.

Очень важным направлением может стать участие иностранного капитала в мусоросжигании и переработке твердых бытовых отходов.

Общие положения

Отходы — не используемые непосредственно в местах их образования отходы производства, быта, транспорта и др., которые могут быть реально или потенциально использованы как продукты в других отраслях народ­ного хозяйства или в ходе регенерации.

 Утилизация отходов (от лат. — "полезный") — вовле­чение различных типов отходов в новые технологичес­кие циклы или использование их в других полезных целях.

Отходы производства (промышленные) — остатки сырья, материалов, полуфабрикатов, образовавшиеся при производстве продукции или выполнении работ и утратившие полностью или частично исходные потре­бительские свойства. Они могут быть безвозвратными (технологические потери: улетучивание, угар, усушка) и возвратными.

Отходы производственного потребления — непри­годные для дальнейшего использования по прямому на­значению и списанные в установленном порядке маши­ны, инструменты и пр. Они могут быть сельскохозяй­ственными, строительными, производственными, ра­диоактивными, последние весьма опасны и нуждаются в тщательном захоронении или дезактивации.

Твердые бытовые отходы (ТБО) являются отходами сферы потребления, образующимися в результате бытовой деятельности населения. Они состоят из изделий и материалов, непригодных для дальнейшего использования в быту.

Это отходы, которые накапливаются в жилом фонде, учреждениях, предприятиях общественного назначения (школах, зрелищных и детских учреждениях, гостиницах, столовых и т.п.).

К твердым бытовым отходам, учитываемым нормой накопления, относятся отходы, образующиеся в жилых зданиях, включая отходы от текущего ремонта квартир, отходов продуктов сгорания в устройствах местного отопления, смет, опавшие листья, собираемые с дворовых территорий и крупногабаритные предметы домашнего обихода.