Агрохимический метод переработки биомассы

Экс­тракциятоплив - процесс получения жидких или твер­дых топлив прямо от растений или животных.

Продукцию растений можно разделить на следующие категории:

· семена - подсолнечник с массовым содержанием мас­ла до 50 %;

· орехи - пальмовое масло, копра кокосов с массовым содержанием масла до 50 % ;

· плоды - оливки;

· листья - эвкалипт с массовым содержанием масла до 25%;

· сок растений - сок каучука;

· продукты переработки отходов растений — масла и растворители до 16 % сухой массы (например, скипидар, канифоль, маслянистые смолы и т. д.).

Возможна организация ферм по производству агрохимических топлив на основе перечисленных выше растений. Вместе с тем получаемые таким образом продукты по своим химическим свойствам могут быть гораздо ценнее, чем просто топливо.

В связи с этим более предпочтительным представляется способ получения агрохимических топлив, который основан на культивировании специализированных микроводорослей. Исследования возможности использования микроводорослей в процессе экстракции топлив показали, что содержание в них углеводородов - основного горючего компонента — может быть довольно значительным. Так, в сухих клетках зеленой расы микроводоросли «ботриококкус браунии» содержится от 1 до 36 % углеводородов, а в сухих клетках коричневой расы - до 86 %. Предполагается, что залежи нефти обязаны своим происхождением предкам именно этих микроводорослей. Углеводороды, вырабатываемые «ботриококкус браунии», в основном локализованы на наружной поверхности клетки и могут быть удалены механическими методами. Оставшуюся биомассу можно подвергнуть гидрокрекингу, в результате которого получают 65 % газолина, 15 % авиационного топлива, 3 % остаточных масел.

Экологическая характеристика использования биоэнергетических установок

Биоэнергетические станции по сравнению с традиционными электростанциями и другими невозобновляемыми источниками энергии являются наиболее экологически безопасными. Они способствуют избавлению окружающей среды от загрязнения всевозможными отходами. Так, например, анаэробная ферментация – эффективное средство не только реализации отходов животноводства, но и обеспечения экологической чистоты, так как твердые органические вещества теряют запах и становятся менее привлекательными для грызунов и насекомых (в процессе перегнивания разрушаются болезнетворные микроорганизмы). Кроме того, образуются дополнительный корм для скота (протеин) и удобрения.

Городские стоки и твердые отходы, отходы при рубках леса и деревообрабатывающей промышленности, представляя собой возможные источники сильного загрязнения природной среды, являются в то же время сырьем для получения энергии, удобрений, ценных химических веществ. Поэтому широкое развитие биоэнергетики эффективно в экологическом отношении.

Однако неблагоприятные воздействия на объекты природной среды при энергетическом использовании биомассы имеют место. Прямое сжигание древесины дает большое количество твердых частиц, органических компонентов, окиси углерода и других газов. По концентрации некоторых загрязнителей они превосходят продукты сгорания нефти и ее производных. Другим экологическим последствием сжигания древесины являются значительные тепловые потери.

По сравнению с древесиной биогаз – более чистое топливо, непроизводящее вредных газов и частиц. Вместе с тем необходимы меры предосторожности при производстве и потреблении биогаза, так как метан взрывоопасен. Поэтому при его хранении, транспортировке и использовании следует осуществлять регулярный контроль для обнаружения и ликвидации утечек. При ферментационных процессах по переработке биомассы в этанол образуется большое количество побочных продуктов (промывочные воды и остатки перегонки), являющихся серьезным источником загрязнения среды, поскольку их вес в несколько раз (до 10) превышает вес этилового спирта.

Неблагоприятные воздействия биоэнергетики на экологию:

− выбросы твердых частиц, канцерогенных и токсичных веществ, окиси

углерода, биогаза, биоспирта;

− выброс тепла, изменение теплового баланса;

− обеднение почвенной органики, истощение и эрозия почв;

− взрывоопасность;

− большое количество отходов в виде побочных продуктов (промывоч-

ные воды, остатки перегонки).

БИОЭНЕРГЕТИКА как устойчивый и возобновляемый источник энергии для Казахстана

Устойчивая энергетика является одной из основных проблем, с которыми человечество столкнется в ближайшие десятилетия, особенно в связи с необходимостью решения проблемы изменения климата. Биомасса может внести существенный вклад в снабжение энергией на устойчивой основе в будущем.

В настоящее время, биомасса является одним из крупнейших мировых источников возобновляемой энергии и имеет значительный потенциал для расширения производства тепла, электроэнергии и топлива для транспорта. Однако, на сегодняшний день доля возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в мировом энергетическом балансе невелика — порядка 14%, а вклад биомассы — около 1,8%. Но, как показывает практика, даже незначительные колебания в предложении на рынках энергетических ресурсов вызывают сильные изменения цен. Это говорит о том, что роль альтернативной энергетики в укреплении стабильности на рынках энергетических ресурсов в перспективе будет только расти.

По прогнозам, доля возобновляемых источников энергии к 2040 г. достигнет 47,7%, а вклад биомассы — 23,8%. Дальнейшее развертывание биоэнергетики при продуманном управлении может обеспечить:
• еще больший вклад в глобальную первичную энергию;
• значительно сократить выбросы парниковых газов и возможно, получить другие экологические выгоды;
• повысить энергетическую безопасность и торговый баланс, заменяя импорт ископаемых видов топлива внутренней биомассой;
• возможности для экономического и социального развития в сельской местности;
• возможности использования отходов, их сокращение, решение проблем утилизации и повышения эффективности использования ресурсов.

Активное использование возобновляемых источни-ков энергии из сельскохозяйственного сырья в странах американского континента (США, Бразилия, Канада), Азии (Япония, Китай) и Европы (Германия, Финляндия, Италия, Испания, Швейцария, Франция и др.) является одним из приоритетов национальных политик. Для стимулирования производства биотоплива в разных странах разработан комплекс мер — законодательное регулирование, индикативное планирование объемов производства, льготное налогообложение, бюджетная поддержка и т.д.

Этот обзор дает представление о возможностях биоэнергетики, проблемах и рисках, связанных с ее интенсивным внедрением. Целью обзора является дать представление о возможностях и необходимости мероприятий по развитию устойчивой биоэнергетики в Казахстане.

РЕСУРСЫ БИОМАССЫ

В настоящее время отходы лесного хозяйства, сельского хозяйства и жилищно-коммунального комплекса являются основным сырьем для генерации электрической и тепловой энергии из биомассы. Кроме того, незначительная доля сельскохозяйственных культур — сахарные, зерно-вые, растительное масло используются в качестве сырья для производства жидкого биотоплива. Сегодня, объем энергии потребляемой биомассы поставляет около 50 ЭДж во всем мире, и составляет около 10-15% мирового годового потребления первичной энергии. Это, главным образом, традиционная биомасса для приготовления пищи и отопления. Однако существует значительный потенциал для расширения использования биомассы за счет большого объема неиспользованных остатков и отходов. Использование обычных растительных культур для генерации энергии также может быть расширена, если будет правильно учтен спрос на продовольствие и имеются свободные площади. В среднесрочной перспективе, лигноцеллюлозные культуры (как травянистые, так и древесные) могут быть получены на маргинальных, деградированных и излишках сельскохозяйственных земель и потенциально способны обеспечить большую биомассу.

В долгосрочной перспективе, водная биомасса (водоросли) также могут внести значительный вклад.

Исходя из этого широкого спектра сырья, технический потенциал биомассы оценивается более чем 1500 ЭДж/год к 2050 году, хотя существующие тенденции и сценарии получения биомассы указывают, что ежегодный потенциал составляет 200 — 500 ЭДж/год (за исключением водной биомассы).

Отходы лесного и сельского хозяйства, и другие органические отходы (в том числе твердые бытовые отходы, ТБО), могут обеспечить от 50 до 150 ЭДж/год, в то время как остальная часть биоэнергии может быть сгенерирована в результате использования энергетических культур, избытков роста лесов и увеличение продуктивности сельского хозяйства. Различные сценарии развития низкоуглеродистой энергетики показывают, что будущий спрос на биоэнергию может составить до 1000 ЭДж/год. Можно предположить, что биомасса может внести от ¼ до 1/3 в будущем мировом энергетическом балансе. Безусловно, что в действительности многое будет зависеть от ценовой конкурентоспособности биоэнергии и будущих глобальных решений, таких, как целевые показатели выбросов парниковых газов.

Рост использования ресурсов биомассы в среднесрочном периоде до 2030 года будет зависеть от ряда факторов. Строгие цели в возобновляемой энергии, установленные на региональном и национальном уровне (например, Европейская директива по возобновляемой энергии), вероятно, приведут к значительному увеличению спроса. Это требование может быть выполнено за счет увеличения использования остатков и отходов сахара, крахмала и масличных культур, а также больше, за счет лигноцеллю-лозных культур. Вклад в энергетику сельскохозяйственных культур зависит от выбора сельскохозяйственных культур и скорости их роста, которые зависят от производительности труда в сельском хозяйстве, экологических ограничений, наличия воды и материально-технических ограничений. При благоприятных условиях существенный рост может быть достигнут в течение ближайших 20 лет. Однако оценки потенциального роста производства сильно отличаются. Например, потенциал биомассы из отходов и энергетических культур в ЕС до 2030 года оценивается в пределах от 4,4 до 24 ЭДж.

Долгосрочный потенциал для выращивания энергетических культур во многом зависит от:

• наличия свободной земли, которая зависит от развития продовольственного сектора (рост спроса на продовольствие и увеличение урожайности сельскохозяйственных культур) и факторов, ограничивающих доступ к земле, таким как вода и охрана природы;

• выбора энергетических культур, которые определяют выход биомассы и, которые могут быть получены на свободной земле;

• другие факторы, которые могут повлиять на потенциал биомассы включают влияние биотехнологий, таких как генетически модифицированные организмы, наличие воды и последствия изменения климата.

Использование биомассы зависит от нескольких факторов:

• затрат на производство биомассы — 4 доллара США на получение 1 ГДж часто рассматривается как верхний предел, когда биоэнергетика может быть широко развернута сегодня во всех секторах;

• логистики — как и все сельскохозяйственное сырье, энергетические культуры и отходы требуют соответствующей цепочки поставок и инфраструктуры;

• ресурсов и охраны окружающей среды — производство сырья для биомассы может иметь как положительное, так и отрицательное воздействие на окружающую среду (наличие и качество воды, качество почвы и биоразнообразие). Необходимо учитывать законы, которые могут ограничивать или стимулировать существующие практики (например, экологические законы, стандарты устойчивости и т.д.).

Драйверы для более широкого использования биоэнергии (например, государственные приоритеты в области возобновляемых источников энергии) могут привести к увели-чению спроса на биомассу, что приведет к конкуренции за землю, которая в настоящее время используется для про-изводства продовольствия. Это потребует вмешательства государства, в виде регулирования развития биоэнергии и/ или регулирования землепользования, обеспечение устойчивого спроса и производства. Разработка соответствующей политики требует понимания сложных вопросов и международного сотрудничества в области мер по обеспечению глобального устойчивого производства биомассы.

Для использования биоэнергетического потенциала в долгосрочной перспективе, усилия должны быть направлены на повышение уровня выхода биомассы и модернизации сельского хозяйства, прямого увеличения глобального производства продуктов питания и, таким образом , ресурсов для биомассы. Это может быть достигнуто путем развития технологий, а также распространение устойчивого ведения сельского хозяйства. Также необходимо поощрять и способствовать развитию устойчивого использования остатков и отходов для производства биоэнергии, которая представляет ограниченные или нулевые экологические риски.

ТЕХНОЛОГИИ БИОМАССЫ

Существует много путей, которые могут быть использованы для преобразования исходной биомассы в конечный продукт в виде энергии. Несколько технологий были разработаны и адаптированы исходя из различной физической природы и химического состава исходного сырья и вида энергии (тепло, энергетика, топливо для транспорта). Модернизация технологий для биомассы (например, таблетирование, торрефикация и пиролиз) в настоящее время разрабатывается для преобразования громоздкой сырой биомассы в более плотные и более практичные носители энергии для эффективной транспортировки, хранения и удобного использования в последующих процессах преобразования. Производство тепла за счет прямого сжигания биомассы является ведущим использованием биоэнергии во всем мире и часто является экономической альтернативой ископаемому топливу.

Технологии варьируют от элементарных до сложных печей. Для более эффективного использования энергии из биомассы, современные, крупномасштабные тепловые решения часто сочетаются с производством электроэнергии для комбинированной выработки тепла и электрической энергии (ко-генерации). Совместное сжигание угля и биомассы в угольных электростанциях является наиболее экономичным использованием биомассы для производства энергии. Для шламов, жидкостей и влажных органических материалов, анаэробное сбраживание в настоящее время является наиболее подходящей опцией для производства электроэнергии и/ или тепла из биомассы, хотя его экономическая целесообразность опирается в значительной степени на наличие низкой стоимости сырья. Все эти технологии хорошо известны и коммерчески доступны.

Есть несколько примеров промышленных установок биогазификации и развертывания этой технологии зависит от ее сложности и стоимости. В долгосрочной перспективе, если будет продемонстрирована надежность и рентабельность эксплуатации в более широком масштабе, то биогазификация позволит повысить эффективность в целом, улучшить экономику в малых и больших масштабах и снизить уровень выбросов по сравнению с другими вариантами производства электроэнергии. Другие технологии (такие как Органический Цикл Ренкина и двигатель Стирлинга) в настоящее время находятся в стадии демонстрации и могут оказаться экономически жизнеспособными в диапазоне мелких приложений, особенно для ТЭЦ .

В транспортном секторе, 1-е поколение биотоплива широко используется в ряде стран — в основном биоэтанол из крахмала и сахарных культур, и биодизель из масличных культур и остаточных масел, и жиров. Затраты на производство биотоплива значительно различаются в зависимости от используемого сырья (и их нестабильных цен), так и масштабов завода. Потенциал для дальнейшего развертывания этих технологий первого по-коления достаточно высокий при условии устойчивых критериев землепользования. Однако первое поколе-ние биотоплива сталкивается как с социальными, так и с экологическими проблемами, в основном потому, что для их производства используются продовольственные культуры, что может привести к росту цен на продовольствие и, возможно, косвенным образом изменить структуру землепользования.

Риски могут быть снижены за счет регулирования, сертификации, развитием технологий нового поколе-ния основанных на использовании непродовольствен-ной биомассы (например, лигноцеллюлозного сырья, такого как органические отходы, остатки леса, быстро-растущих деревьев, высокоэнергетических культур и водорослей). Использование этого сырья для произ-водства биотоплива приведет к значительному сниже-нию потенциального давления на землепользование, сокращению выбросов парниковых газов по сравнению с 1-м поколением биотоплива, в результате будет оказывать меньшее воздействие на окружающую среду и снизит социальный риск. Второе поколение технологий, в основном использует лигноцеллюлозное сырье для производства этанола, синтетического дизельного и авиационного топлива. Однако данные технологии еще незрелые и необходимо дальнейшее развитие и инвестиции, чтобы продемонстрировать надежную работу в коммерческом масштабе и снизить стоимость за счет масштабирования и репликации. При этом текущий уровень деятельности в области показывает, что эти технологии, скорее всего, станут коммерческими в течение следующего десятилетия.

Третье поколение биотоплива, такие как масла, получаемые из водорослей, находятся на стадии научных и прикладных исследований, и требуют значительных усилий, прежде чем они смогут стать конкурентоспособными на энергетическом рынке.

Дальнейшее развитие биоэнергетических технологий необходимо, главным образом, для повышения эффективности, надежности и устойчивости биоэнергии. В тепловом секторе, улучшение приведет к более чистым и надежным решениям связанных с более высоким качеством поставок топлива. В секторе электроэнергетики, развитие меньшей по масштабам, но более экономически эф-фективной электроэнергии, которая может больше соответствовать местным ресурсам. В транспортном секторе, улучшение может привести к повышению качества биотоплива. В идеале, производство биоэнергии может происходить в биореакторах, где транс-портное биотопливо, электроэнергия, тепло, химические вещества и другая товарная продукция могут совместно получаться из смеси биомассы.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: