5 Расчёты основных энергетических характеристик
Биомасса, как производная энергии Солнца в химической форме, является одним из наиболее популярных и универсальных ресурсов на Земле. При рассмотрении энергетического потенциала к биомассе относят все формы материалов растительного происхождения, которые могут быть использованы для получения энергии: древесину, травяные и зерновые культуры, отходы лесного хозяйства и животноводства и т.д. Теплотворная способность сухой биомассы составляет около 14 МДж/кг. В момент образования (сбора урожая) биомасса содержит большое количество воды, от 8 до 20 % в пшеничной соломе, 30 – 60 % в древесине, до 75 – 90 % в навозе сельскохозяйственных животных и 95 % в водном гиацинте. В процессе переработки биомассы за счет брожения выделяется биогаз, который представляет собой ценное, экологически чистое топливо. Выход биогаза зависит от содержания сухого вещества и вида используемого сырья. Из тонны навоза крупного рогатого скота получается 40 – 50 м³ биогаза с содержанием метана 60 %. Энергия, заключенная в 1 м3 биогаза эквивалентна 0,6 м3 природного газа, 0,74 м3 нефти и 0,66 л дизельного топлива. В расчётах используется понятие сухого вещества (СВ). Вода, содержащаяся в биомассе, не даёт газа. Производство биогаза происходит с помощью специальных устройств – биогазовых установок (БГУ). Основными компонентами БГУ являются: метантенк (реактор), газгольдер, система загрузки, система выгрузки, смесительная емкость и выпускной газопровод. Различают 3 уровня брожения: низкий (до 20 оС) – психрофильное брожение; средний (32–34оС) – мезофильное брожение и высокий (52–55 оС) – термофильное брожение. Чем выше температура, тем лучше идет процесс брожения, однако при этом значительно возрастают затраты на подогрев.
5.1 Расчёт объема биогазовой установки для фермерского хозяйства и выход биогаза при сбраживании навоза от животных. Процесс брожения – мезофильный, загрузка биомассы – из помещения с температурой tО.С. =15оС. Определение потенциального запаса энергии биогаза и количество теплоты для поддержания процесса брожения биомассы в метантенке. Определение объема природного газа, нефти и дизельного топлива может заменить полученный объем биогаза.
6 Экономическая оценка целесообразности использования биомассы
Оценка экономической стороны использования ресурсов биомассы (растительных материалов), как источника энергии, многогранна. Для этого требуется всесторонне исследовать стоимость доставки с учетом информации о местонахождении и типе биологического материала, о расстоянии перевозки, наличии транспортной инфраструктуры и ряда других факторов. Для подобного анализа хорошо подходит технология ГИС.
Во многих районах, например на юге США, имеются ресурсы биомассы, такие как строительные и лесосечные древесные отходы, выбраковываемые деревья и прочее, которые можно использовать в качестве возобновляемого источника энергии. Помимо собственно получения энергии, это уменьшит выброс газов, вызывающих парниковый эффект, улучшит состояние лесов и предоставит экономические преимущества местным сельским общинам.
Целесообразность выполнения проектов, связанных с биоэнергией (энергией, производимой при переработке биомассы), во многом зависит от доступности ресурсов древесной биомассы. Более точно – от экономической доступности или общей цены доставки определенного количества древесины, а не просто от физической доступности, которая также существенна для реализации биоэнергетических проектов.
В большинстве случаев при оценке доступности биомассы рассматривается общее её количество в пределах заданного радиуса и берутся средние затраты на её переработку и воспроизводство в данной области. При более полной экономической оценке биоресурсов учитывается разница в стоимости разных типов биомассы, расстояния и транспортная инфраструктура. Когда в расчет принимаются транспортные расходы, то более дорогостоящие ресурсы, но находящиеся близко, могут оказаться экономически более эффективными, чем дешевые ресурсы, но расположенные далеко, и наоборот.
Программа переработки древесины в энергию Школы охраны лесных ресурсов Университета Флориды, Южный центр по изучению взаимодействия урбанизированных зон и дикой природы Департамента сельского хозяйства Лесной службы США, а также Совет по энергетике южных штатов вносят существенный вклад в комплексную оценку практической целесообразности использования древесной биомассы для выработки энергии. В ходе выполнения совместного регионального проекта было выявлено 27 округов на юго-востоке страны, обладающих высоким потенциалом для выработки энергии из древесной биомассы (рис. 6.1). Для экономической оценки доступности биоресурсов этой территории использовались возможности ArcGIS, в том числе модуля ArcGIS Network Analyst.
Рис. 6.1 - На юге США определены 27 округов с высоким потенциалом для выработки энергии из древесной биомассы.