Размещено на http: //www. allbest. ru/

2

Содержание

• Введение
• 1. Энергетическая проблема в современном мире
• 2. Биоэнергетика: понятие и достижения
• 3. Биотопливо как продукт биоэнергетики
• 4. Общая характеристика методов переработки биомассы
• 4.1 Термохимический метод переработки биомассы
• 4.2 Биохимический метод переработки биомассы
• 4.3 Агрохимический метод переработки биомассы
• Заключение

Список использованных источников



Введение

Биоэнергетика -- производство энергии из биотоплива различных видов. Биоэнергетикой считается производство энергии как из твердых видов биотоплива (щепа, гранулы (пеллеты) из древесины, лузги, соломы и т. п., брикеты), так и биогаза, и жидкого биотоплива различного происхождения.

Понятие «биоэнергетика» применяется как в электроэнергетике, так и в теплоэнергетике и совместном производстве тепла и электричества.

В России понятие «биоэнергетика» в энергетическом смысле стали использовать с появлением первых биотопливных предприятий, ориентированных на экспорт биотоплива в Европейский Союз. Именно там биотопливо используется на теплоэлектростанциях для получения тепла и электричества. Стабильной сырьевой базой для биоэнергетики будут и биосодержащие отходы. Если взять все отходы, генерируемые российским агропромышленным комплексом, то их ежегодное производство составляет 773 млн т. Перерабатывая, можно получить около 66 млрд м3 биогаза и около 112 млн т высококачественных удобрений.

Биотехнологии также занимают прочную позицию в производстве продуктов, кормов, удобрений и раскрывают уникальные возможности промышленного производства биотоплив, как газообразных, так и жидких.

Широкомасштабное производство биоэнергетических ресурсов из сырья растительного происхождения непродовольственного назначения, переработка отходов сельского и лесного хозяйства, лесопромышленного комплекса и деревообрабатывающих предприятий, органических, бытовых отходов, также позволит улучшить экологическую ситуацию в стране.



1. Энергетическая проблема в современном мире

энергетический биотопливо непродовольственный

В мире все больше говорят о необходимости замены нефти, угля и газа на биотоплива. Отголоски уже доходят и до России, где, впрочем, пока немногие понимают, что же это такое на самом деле. В прессе иногда можно встретить рассказы о чудесных веществах, совершенно не загрязняющих окружающую среду и более эффективных, чем бензин, керосин и дизельное топливо.

В действительности ничего принципиально нового в биотопливах нет. Биотоплива использовались тысячелетиями и для многих остаются единственным источником тепла и средством приготовления пищи. Главным биотопливом были и остаются дрова, причем их экологичность совсем не очевидна - достаточно лишь вспомнить о неконтролируемой вырубке лесов.

Впрочем, теперь под словом "биотоплива" редко подразумевают дрова. Речь, как правило, идёт о более высокотехнологичных продуктах, получаемых из сельскохозяйственных культур или отходов переработки растительного и животного сырья. С возобновляемостью у них все в порядке, чуть сложнее обстоит дело с вредными выбросами. Сторонники говорят, что биотоплива меньше загрязняют атмосферу, а противники возражают, что при сгорании биотоплив выделяются те же продукты, что и при сжигании ископаемых топлив.

Истина же, как водится, лежит посередине. Действительно, в процессе сгорания и тех, и других топлив образуются, главным образом, углекислый газ, вода и несколько примесей, многие из которых являются вредными: моноксид углерода, оксиды азота, углеводороды и т.п. Наибольшее внимание обычно уделяется вредным компонентам выхлопа и одному из виновников парникового эффекта - углекислому газу.

Одним из главных преимуществ биотоплив называют сокращение выбросов парниковых газов. Это, однако, не означает, что при сгорании биотоплив образуется меньше диоксида углерода (хотя и такое возможно). При сгорании биотоплива в атмосферу возвращается углерод, который ранее поглотили растения, поэтому углеродный баланс планеты остаётся неизменным. Ископаемые топлива - совсем другое дело: углерод в их составе миллионы лет оставался "законсервированным" в земных недрах. Когда он попадает в атмосферу, концентрация углекислого газа повышается.

В том, что касается вредных выбросов, биотоплива несколько выигрывают у нефтяных. Большинство исследований показывают, что биотоплива обеспечивают снижение выбросов моноксида углерода и углеводородов. Кроме того, биотоплива практически не содержат серы. Вместе с тем, несколько увеличивается выброс оксидов азота, вдобавок, при неполном сгорании многих биотоплив в атмосферу попадают альдегиды. Но, в целом, по уровню вредных выхлопов биотоплива выигрывают у нефтяных.

Видов топлив из биомассы предлагается великое множество. Это и биогаз - метан, получаемый за счет разложения органических остатков (например, навоза) бактериями, и твердые топлива, но больше всего разговоров идет о биотопливах для автомобилей: этаноле и "биодизеле".



2. Биоэнергетика: понятие и достижения

Биоэнергетика, биологическая энергетика, изучает механизмы преобразования энергии в процессах жизнедеятельности организмов. Иначе говоря, Биоэнергетика рассматривает явления жизнедеятельности в их энергетическом аспекте. Методы и подходы к изучаемым явлениям, применяемые в биоэнергетике, - физико-химические, объекты и задачи - биологические. Таким образом, биоэнергетика стоит на стыке этих наук и является частью молекулярной биологии, биофизики и биохимии.

Началом биоэнергетики можно считать работы немецкого врача Ю.Р. Майера, открывшего закон сохранения и превращения энергии (1841) на основе исследования энергетических процессов в организме человека. Суммарное изучение процессов, являющихся источниками энергии для живых организмов, и энергетического баланса организма, его изменений при различных условиях (покой, труд разной интенсивности, окружающая температура) долгое время являлось основным содержанием биоэнергетики. В середине 20 в., в связи с общим направлением развития биологических наук, центральное место в биоэнергетике заняли исследования механизма преобразования энергии в живых организмах.(см. http://mcx-consult.ru/page0215102009).

Все исследования в области биоэнергетики основываются на единственно научной точке зрения, согласно которой к явлениям жизни полностью применимы законы физики и химии, а к превращениям энергии в организме - основные начала термодинамики. Однако сложность и специфичность биологических структур и реализующихся в них процессов обусловливают ряд глубоких различий между биоэнергетикой и энергетикой неорганического мира, в частности технической энергетикой. Первая фундаментальная особенность биоэнергетики заключается в том, что организмы - открытые системы, функционирующие лишь в условиях постоянного обмена веществом и энергией с окружающей средой. Термодинамика таких систем существенно отличается от классической. Основополагающее для классической термодинамики понятие о равновесных состояниях заменяется представлением о стационарных состояниях; второе начало термодинамики (принцип возрастания энтропии) получает иную формулировку в виде Пригожина теоремы. Вторая важнейшая особенность биоэнергетики связана с тем, что процессы в клетках протекают в условиях отсутствия перепадов температуры, давления и объёма; в силу этого переход теплоты в работу в организме невозможен и тепловыделение представляет невозвратимую потерю энергии. Поэтому в ходе эволюции организмы выработали ряд специфических механизмов прямого преобразования одной формы свободной энергии в другую, минуя её переход в тепло. В организме лишь небольшая часть освобождающейся энергии превращается в тепло и теряется. Большая её часть преобразуется в форму свободной химической энергии особых соединений, в которых она чрезвычайно мобильна, т.е. может и при постоянной температуре превращаться в иные формы, в частности совершать работу или использоваться для биосинтеза с весьма высоким кпд, достигающим, например, при работе мышцы, 30%.

Одним из основных результатов развития биоэнергетики в последние десятилетия является установление единообразия энергетических процессов во всём живом мире - от микроорганизмов до человека. Едиными для всего растительного и животного мира оказались и те вещества, в которых энергия аккумулируется в подвижной, биологически усвояемой форме, и процессы, с помощью которых такое аккумулирование осуществляется. Такое же единообразие установлено и в процессах использования аккумулированной в этих веществах энергии. Например, структура сократительных белков и механизм механохимического эффекта (т.е. превращения химической энергии в работу) в основном одни и те же при движении жгутиков у простейших, опускании листиков мимозы или при сложнейших движениях птиц, млекопитающих и человека. Подобное единообразие характерно не только для явлений, изучаемых биоэнергетикой, но и для других присущих всему живому функций: хранения и передачи наследственной информации, основных путей биосинтеза, механизма ферментативных реакций.

Веществами, через которые реализуется энергетика организмов, являются макроэргические соединения, характеризующиеся наличием фосфатных групп. Роль этих соединений в процессах превращения энергии в организме впервые установил, изучая мышечное сокращение, советский биохимик В.А. Энгельгардт. В дальнейшем работами многих исследователей было показано, что эти соединения участвуют в аккумуляции и трансформации энергии при всех жизненных процессах. Энергия, освобождающаяся при отщеплении фосфатных групп, может использоваться для синтеза биологически важных веществ с повышенным запасом свободной энергии и для процессов жизнедеятельности, связанных с превращением свободной химической энергии в работу (механическую, активного переноса веществ, электрическую и т.д.). Важнейшим из этих соединений веществом, играющим для всего живого мира роль почти единственного трансформатора и передатчика энергии, является аденозинтрифосфорная кислота - АТФ (см. Аденозинфосфорные кислоты), расщепляющаяся до аденозиндифосфорной кислоты (АДФ) или аденозинмонофосфорной кислоты (АМФ). Гидролиз АТФ, т.е. отщепление от неё конечной фосфатной группы, протекает по уравнению:

АТФ + H2O = АДФ + фосфат

и сопровождается уменьшением свободной энергии на значение DF. Если эта реакция протекает при концентрации всех реагентов и продуктов в 1,0 моль при 25°С и pH 7,0, то свободная энергия АДФ оказывается меньше свободной энергии АТФ на 29,3 кдж (7000 кал). В клетке это изменение свободной энергии больше: DF=50 кдж/моль (12 000 кал/моль). Значения DF для реакции АТФ АДФ выше, чем у большинства реакций гидролиза. Макроэргическими называют и сами связи третьей (конечной) и второй фосфатных групп в молекуле АТФ и аналогичные связи в других макроэргических соединениях. Эти связи обозначают знаком ~ (тильда); например, формулу АТФ можно записать так: аденин - рибоза - фосфат ~ фосфат ~ фосфат. Говоря об энергии макроэргических связей, в биоэнергетике имеют в виду не действительную энергию ковалентной связи между атомами фосфора и кислорода (или азота), как это принято в физической химии, а лишь разность между значениями свободной энергии (DF) исходных реагентов и продуктов реакций гидролиза АТФ или других аналогичных реакций. "Энергия связи" в этом смысле, строго говоря, не локализована в данной связи, а характеризует реакцию в целом.

Энергия макроэргических связей АТФ является универсальной формой запасания свободной энергии для всего живого мира: все преобразования энергии в процессах жизнедеятельности осуществляются через аккумуляцию энергии в этих связях и её использование при их разрыве. Значение DF для этих реакций представляет собой как бы "биологический квант" энергии, т.к. все преобразования энергии в организмах происходят порциями, примерно равными DF. При ферментативном гидролизе АТФ в клетке отщепляющаяся фосфатная группа всегда переносится на субстрат, запас энергии в котором оказывается в результате больше, чем в исходном соединении.

Обмен веществ (метаболизм) в клетке состоит из непрерывно совершающихся распада сложных веществ до более простых (катаболические процессы) и синтеза более сложных веществ (анаболические процессы). Катаболические процессы являются экзергоническими, т.е. идут с уменьшением свободной энергии (DF<0); анаболические процессы - эндергонические, они протекают с увеличением свободной энергии (DF>0). Согласно общим законам термодинамики, экзергонические процессы могут протекать спонтанно, самопроизвольно, процессы же эндергонические требуют притока свободной энергии извне. В клетке это осуществляется благодаря сопряжению обоих процессов: одни используют энергию, освобождаемую при протекании других. Это сопряжение, лежащее в основе всего метаболизма и жизнедеятельности клетки, совершается при посредстве системы АТФ-АДФ, создающей промежуточные, обогащенные энергией соединения.

По такому же типу осуществляется сопряжение реакций и при синтезе других сложных соединений (липидов, полисахаридов, белков и нуклеиновых кислот). В этих процессах, кроме АТФ, принимают участие и некоторые аналогичные соединения, в которые, вместо аденина, входят другие азотистые основания (гуанин-, цитозин-, уридин-, тимидинтрифосфаты или креатинфосфаты). При синтезе белков и нуклеиновых кислот от АТФ отщепляется не одна концевая фосфатная группа, а две последние (пирофосфат). Т.о., все процессы накопления (аккумулирования) энергии в организмах должны сводиться к процессам образования АТФ, т.е. фосфорилирования (включения фосфатных групп в АДФ или АМФ).

Энергетика процессов метаболизма, в которых энергия сохраняет форму химической, в основных чертах ясна, но этого нельзя сказать о процессах, в которых энергия переходит из химической формы в механическую работу или какой-нибудь иной вид энергии (например, электрический). Так, известно, например, что работа, совершаемая сокращающейся мышцей, производится за счёт энергии, освобождающейся при гидролизе АТФ, но механизм этого преобразования энергии ещё не ясен. Выяснение интимных механизмов механо-химического эффекта и других превращений химической энергии - важная и актуальная задача Биоэнергетика, успешное решение которой может открыть путь к прямому преобразованию химической энергии в механическую и электрическую без промежуточного "разорительного" превращения её в тепло.

Основным и практически единственным источником энергии для жизни на Земле является энергия излучения Солнца, часть которой поглощается пигментами растений и некоторых бактерий и в процессе фотосинтеза аккумулируется автотрофными организмами в форме химической энергии: частью в виде АТФ (процессы фотосинтетического фосфорилирования), частью в виде энергии некоторых специфических соединений (восстановленных никотинамид-адениндинуклеотидов), являющихся важнейшими промежуточными аккумуляторами энергии. Весь дальнейший процесс синтеза углеводов, а затем и липидов, белков и других компонентов клетки осуществляется в цикле темновых ферментативных реакций за счёт энергии указанных выше соединений.

В гетеротрофных организмах АТФ образуется в процессе дыхания на промежуточных стадиях окисления пищевых веществ до CO2 и воды. В этом процессе около 40-50% свободной энергии переходит в энергию макроэргических связей АТФ, а остальная теряется в виде тепла. Общее количество энергии, запасаемой растениями в год (при упрощённом предположении, что весь углерод фиксируется в виде глюкозы), равно примерно 1018-1021 дж, что составляет лишь 0,001 от общего потока падающей на Землю солнечной энергии (1024 дж/год.).

Некоторое количество энергии накапливается и в процессах хемосинтеза за счёт окисления восстановленных неорганических соединений, но вклад этих процессов в энергетику биосферы невелик.

Сказанное выше характеризует только суммарный баланс энергии в процессах её аккумуляции и использования. Изучение первичных механизмов миграции энергии на клеточном и молекулярном уровнях показало, что решающую роль в них играет транспорт электронов по цепи передатчиков. В отдельных звеньях этой цепи окислительно-восстановительных реакций происходит освобождение небольших порций свободной энергии, примерно соответствующих значениям DF для макроэргических связей АТФ. Дальнейшее изучение проблем биоэнергетики, в частности механизмов преобразования химической энергии в работу, требует перехода к рассмотрению этих процессов на субмолекулярном уровне, где вступают в силу законы квантовой физики и химии.



3. Биотопливо как продукт биоэнергетики

Использование спиртов в качестве топлива для автомобильных двигателей - давно не новость. Разработчики первых двигателей внутреннего сгорания уделяли спиртовым моторам не меньше внимания, чем бензиновым. Спирты имеют высокие октановые числа - более 100 единиц, но меньшую по сравнению с нефтяными топливами теплоту сгорания (при сгорании топлива выделяется меньше энергии, мощность падает, а расход топлива увеличивается).

Начало крупномасштабной добычи нефти сделало применение спирта в качестве моторного топлива невыгодным. Спиртовые топлива стали нишевым продуктом: например, на метиловом спирте работают двигатели мотоциклов для спидвея и многих спортивных картов. Спиртовое автомобильное горючее пользуется определённой популярностью в Бразилии, где нет больших запасов нефти, но зато есть идеальные условия для выращивания сахарного тростника и производства из него дешевого спирта. Помимо этанола и метанола, в качестве моторных топлив предлагается использовать и другие спирты. Компании BP и Du Pont делают ставку на бутанол.

Наибольшее внимание сейчас уделяется именно этиловому спирту. В лентах научно-технических и экономических новостей сообщения о планах по строительству новых заводов появляются чуть ли не каждый день. В США сахарный тростник не растет, поэтому главным источником биоэтанола должна стать кукуруза. "Царицей полей" дело, впрочем, не ограничивается: в ход планируется пустить все - от картофеля и пшеницы до различных органических отходов. Ряд стран планируют наладить экспорт биоэтанола в США и другие государства, заинтересованные в переходе на спиртовое горючее. Бразилия планирует к 2025 г. заменить тростниковым спиртом до 10% потребляемого в мире бензина.

Бензиновые двигатели, в общем случае, не годятся для использования спиртового топлива, хотя конструктивные изменения для перевода их на спирт минимальны. Часто удается ограничиться использованием стойких к спиртам материалов и установкой элементов для отделения водяного конденсата. В настоящее время многие ведущие автопроизводители выпускают универсальные двигатели, способные работать на бензине, спирте или их смесях. При использовании смесей бензина с небольшим количеством спирта (до 10%) топливо, как правило, подходит и для обычных бензиновых двигателей. Именно смесевыми топливами сейчас наиболее увлечены в мире. Смеси бензина с этанолом обычно обозначают буквой E (от слова этанол) и числом, показывающим содержание спирта в процентах. Наиболее распространено топливо E10 или газохол, содержащее 10% этанола. Оно широко используется в Дании, Таиланде и других странах. В США топливо E10 набирает популярность из-за вступивших в силу ограничений на применение в бензине эфиров.

Вместе с тем, наибольший интерес сейчас проявляют к смесям с высоким содержанием этанола. Чаще всего говорят о топливе E85, которое представляет собой смесь спирта (85%) и бензина (15%). При этом на деле содержание этанола меньше 85%, так как для приготовления смесей используется девяностотрёх-девяностошести процентный спирт, к тому же денатурированный. Топливо E85 достаточно активно используется в Швеции, быстрыми темпами растет его популярность и в США.

Нужно отметить, что синтетический этанол, получаемый из нефти, в качестве топлива обладает точно такими же свойствами, как и полученный из растительного сырья, но не обеспечивает нейтральности в плане выбросов углекислоты.

Идея использовать растительные масла в качестве топлив для дизельных двигателей была выдвинута еще при создании первых таких моторов. Однако с освоением нефтяных запасов в XX веке более выгодным оказалось топливо из нефти. Сейчас биодизельное топливо часто отождествляют с рапсовым маслом, которое действительно стало основным сырьевым источником "биосоляры" в Европе. Однако биодизельное топливо можно получать и из других масел, например, подсолнечного, пальмового или соевого, что и делают за пределами Европы.

Важно иметь в виду, что сами по себе растительные масла в качестве топлив не используются. Любая "биосоляра" представляет собой смесь продуктов переэтерификации растительных масел. В растительном содержатся жиры - эфиры жирных кислот с глицерином. В процессе получения "биосоляры" эфиры глицерина разрушают и заменяют глицерин (он выделяется как побочный продукт) на более простые спирты - метанол и, реже, этанол. В Европе основным биодизельным топливом стал метиловый эфир рапсового масла.

Растительные масла и их эфиры, как и спирты, отличаются агрессивностью ко многим материалам, традиционно используемым в двигателях и топливной системе автомобилей. В последние годы большинство европейских производителей выпускают машины, допускающие использование смесей нефтяного топлива с "биосолярой" в количестве 5-20%, а иногда и 100% биотоплива. Добавление биодизельного компонента в количестве до 5% обычно считается приемлемым для любых двигателей, неадаптированных к биотопливу. 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.

Достаточно активно биодизельное топливо внедряется и в США, где в качестве сырья используют чаще всего соевое масло. Еще один перспективный источник "биосоляры" - отработанные пищевые масла.В России биотоплива для двигателей внутреннего сгорания остаются экзотикой. Этому способствует как наличие значительных запасов нефти и газа, так и объективные трудности, связанные с получением и использованием топлив из природного сырья.

Россия - это не Европа, не США и, тем более, не Бразилия. Тут более суровый климат, и получать дешевый спирт или масло, снимая по нескольку урожаев в год, не выйдет. Климат заметно ограничивает и применимость биотоплив. Например, биодизельные топлива на основе рапсового масла застывают при температурах около - 15° С, а в ряде случаев и выше. Это ограничивает применимость биодизеля южными регионами страны или летним временем года. Проблема застывания существует и для нефтяного дизельного топлива, но она успешно решается технологическими методами (депарафинизация, облегчение фракционного состава) или добавлением депрессорных присадок, эффективно снижающих температуру застывания. Для растительных топлив такие присадки еще только разрабатываются. Другая проблема - поглощение влаги из атмосферы, при низких температурах грозящее расслоением топлива, коррозией и образованием льда. Спирт и его смеси с бензином не замерзают, однако еще больше склонны к поглощению влаги. На определенном этапе это может привести к расслоению топливной смеси, что недопустимо. Ситуация усугубляется тем, что даже если сразу расслоения не произойдет, резкие перепады температуры могут привести к появлению в топливной системе водяного конденсата. При низких температурах он замерзает и приводит к забивке топливопроводов, фильтров и др. Влага также способствует появлению коррозии. Таким образом, для районов с резко континентальным климатом спирто-бензиновые смеси могут оказаться непригодными.

Нельзя забывать и об огромном парке устаревшей техники, которая не только эксплуатируется, но и выпускается в России. Для нее топлива с высоким содержанием биокомпонента непригодны. Топлива с высоким содержанием этанола не годятся для России и по другой причине. Если за 20-30 рублей можно купить литр топлива, на 70% состоящего из спирта, быстро найдутся желающие выделить спирт у себя в гараже или организовать подпольное производство суррогатных напитков.

Несмотря на упомянутые недостатки, работа по созданию спиртовых топлив в России велась и ведётся. Ещё в 1990-е гг. "АвтоВАЗ" одобрил использование топлив, содержащих до 5% этанола в качестве добавки, повышающей октановое число. А в 2004 г. был принят ГОСТ Р 52201-2004 на спиртосодержащие моторные топлива "бензанолы", в которых доля этанола составляет 5-10%. Впрочем, подобные топлива так и не были запущены в широкое производство. В качестве октаноповышающей добавки привлекательнее оказались эфиры, прежде всего, МТБЭ. Они не так склонны к поглощению воды, к тому же, при использовании этанола наверняка придётся столкнуться с необходимостью соблюдать правила оборота спиртосодержащей продукции и печально известной ЕГАИС. К тому же, ГОСТ не указывает, что спиртовая добавка обязательно должна быть биологического происхождения, поэтому изготовители наверняка предпочтут более дешёвый синтетический спирт, получаемый из нефтяного сырья.(см. http://mcx-consult.ru/page0215102009)

Стандартов на биодизельное топливо в России пока нет, и продавать его на заправках не спешат. Тем не менее, в стороне от мировых тенденций Россия не остаётся: во-первых, с биодизелем экспериментируют учёные и конструкторы, а, во-вторых, производство топлива из растительного сырья потихоньку налаживается: завод в Армавире в Ростовской области планирует построить компания "Русбиодизель", правда, ориентировано предприятие будет поначалу на экспорт.

Внутри страны пионерами по внедрению биотоплив, по всей видимости, станут крупные города, где особенно строги требования к выхлопу автотранспорта.

Организация производства биотоплив в России, пусть даже на экспорт, полезна и с точки зрения развития сельского хозяйства. Уже сейчас этанольный бум в США привел к росту цен на кукурузу, а в юго-восточной Азии озабочены вырубкой лесов под плантации для производства пальмового масла, из которого потом делают биодизельное топливо. Так что выгоду из бума на биотоплива при желании смогут извлечь и в России.

Органические отходы сельскохозяйственного производства и городов, составляющие основную массу отходов в мире, входят в состав энергетических биомасс и технологий, а их переработка позволит получить значительное количество топлива и энергии.

К экологически опасным относятся отходы: птицефабрик, крупных свинокомплексов, животноводческих комплексов крупного рогатого скота и городов с населением от 100 тыс. до нескольких млн. жителей (от 20 тыс. до нескольких млн. т/год).

Общий выход органических отходов растительного и животного происхождения в России составляет 620 млн. т/год (с влажностью 75%): в сельском хозяйстве - до 200 млн.т (промышленное животноводство, свиноводство, птицеводство и растениеводство); муниципальных отходов - до 50-60 млн. т/год. Энергетический запас этого количества отходов - 870 млрд. кВт · ч/год, что равно годовому производству электроэнергии на 124 Бурейских ГЭС.

Также переработка органических отходов растительного и животного происхождения по биогазовым технологиям может дать до 450 млн. т высокоэффективных твердых органических удобрений.

Твердых бытовых отходов в России накапливается ежегодно от 50 до 60 млн. т (только по Москве - до 15 млн. т, или до 20 млн. мэ). Это не просто экологическая, но и энергетическая проблема.

Создание эффективных безотходных технологий переработки и утилизации концентрированных органических отходов растительного и животного происхождения в топливо, энергию и другие коммерчески выгодные продукты позволит также решить экологическую, энергетическую, агрохимическую и социальную проблемы (Рис. 1).(См.: Е.В, Братковский, конспекты лекций по нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии,2014-с.82)

Рисунок 1 Схема производства биогаза, электроэнергии, тепла и органических удобрений

Для птицефабрик, животноводческих комплексов и крупных городов нужны новые высокорентабельные технологии переработок с полной утилизацией органических отходов и возможностью производства дополнительной энергии.

В Англии. В1992 г. была построена электростанция на основе технологии сжигания крупных партий куриного помета в смеси с другими твердыми органическими отходами (опилками, соломой, стеблями, твердыми бытовыми отходами). Для снижения влажности помета в эти отходы добавляют твердые бытовые отходы городов и растительные остатки - солому, стебли, древесные опилки, торф или, подсушивают их с использованием традиционного топлива (природный газ, каменный уголь); отходы лесопроизводства, биогаза, получаемого из отходов или электроэнергии (Рис.2).(См.: Е.В, Братковский, конспекты лекций по нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии,2014-с.84)

Значение в "числителе" относится к теплофикационному пути, а в "знаменателе" - к конденсационному.

Рисунок 2 Схема производства электроэнергии, тепла и минеральных удобрений при сжигании органических отходов птицефабрики с использованием традиционного топлива: а - для запуска всей технологической цепочки; б - для подсушивания сырья

Возможно применение комбинированной энергетической технологии получения электроэнергии, тепла и минеральных удобрений при сжигании помета с использованием природного газа, каменного угля или древесной щепы.

Аналогичные технологии рентабельны и при переработке отходов животноводческого комплекса крупного рогатого скота. Для комплекса на 2500 голов (выход отходов: навоз + опилки/солома, -115 т/сут.) такая технология может обеспечить до 18 МВт·ч/сут. электроэнергии при затрате всего лишь 7000 мэ природного газа на сумму 7 тыс. руб. Расходы комплекса на собственные нужды составляют 6,25 МВт·ч/сут., выход товарной электроэнергии равен 11,75 MB·ч/сут., что позволят обеспечить электроэнергией 1175 сельских домов, или до 5 тыс. жителей. Стоимость биогазовой станции - 65 млн. руб. Годовой объем удобрений (при 80% влажности) - 24570 т.

Следовательно, энергетические технологии производства дополнительного количества электроэнергии и тепла за счет утилизации органических отходов птицефабрик, крупных животноводческих и свиноводческих комплексов и ТБО городов высокорентабельны и энергоэффективны.



4. Общая характеристика методов переработки биомассы

Сложный комплекс веществ, из которых состоят растения и животные, принято называть биомассой.

Основа биомассы - органические соединения углерода, которые в процессе взаимодействия с кислородом при сгорании или в результате естественного метаболизма выделяют теплоту.

Первоначальная энергия биомассы возникает в процессе фотосинтеза под действием солнечного излучения. В обобщенном виде эту реакцию можно представить следующим образом:

Рисунок 3 Реакция, происходящая под солнечной радиацией

Среди основных энерготехнологических методов переработки биомассы можно выделить :

* термохимический метод;

* биохимический метод;

* агрохимический метод.

4.1 Термохимический метод переработки биомассы

Пиролиз - процесс нагревания биомассы либо в отсутствие воздуха, либо за счет сгорания некоторой ее части при ограниченном доступе воздуха или кислорода. КПД процесса пиролиза достигает 80-90 %.

В качестве исходного энергетического продукта в процессе пиролиза могут использоваться:

* органическое топливо (уголь, сланцы, торф и т. д.);

* древесные отходы;

* сельскохозяйственные отходы (солома, ботва растений и т. п.);

* биобрикеты и т. д.

Состав получаемых при этом вторичных энергетических продуктов чрезвычайно разнообразен. Изменение состава продуктов пиролиза зависит от температурных условий, типа вводимого в процесс сырья, способов ведения процесса. Разновидности топлива, получаемого в результате пиролиза, имеют несколько меньшую по сравнению с исходной биомассой суммарную энергию сгорания, но отличаются большей универсальностью применения:

* лучшей управляемостью процесса горения и соответственно повышением его энергоэффективности;

* большей технологичностью, более широким диапазоном возможных потребителей и соответственно более высокими экономическими и качественными показателями.

Рисунок 4 Классификация основных типов энергетических процессов, связанных с переработкой биомассы



Газификация - способ ведения процесса пиролиза, при котором основным энергетическим продуктом является горючий газ.

Газогенератор - устройство, в котором реализуется процесс газификации.

В состав образующегося в газогенераторе генераторного газа входят следующие горючие компоненты: окись углерода, водород, газообразные углеводороды, метан.

Процесс газификации включает такие последовательные фазы, как сушка, пиролиз (коксование) и собственно газификация топлива.

В зоне сушки происходит выпаривание начальной влаги из поступающего в газогенератор топлива за счет остаточной теплоты уходящего генераторного газа.

В зоне пиролиза при температуре до 800 °С от топлива отделяются легкие газообразные фракции, самой важной из которых является метан (СН4). Закоксовавшееся в зоне пиролиза топливо сначала реагирует с кислородом, находящимся в свежем воздухе, образуя двуокись углерода и водяной пар:

С + O2 => СO2 (горение);

2Н2 + O2 => 2Н2O.

В зоне газификации при температуре свыше 900 °С СЮ2 и Н20 продолжают реагировать с углеродом, образуя окись углерода и водород, которые являются активно горящими газами:

CO2 + С => 2СО;

Н2O + С => Н2 + СО.



Следует указать, что верхняя граница температуры прохождения реакции газогенерации ограничена значениями 1100-1200 °С (температура плавления золы).

4.2 Биохимический метод переработки биомассы

Анаэробное разложение - процесс получения энергии из биомассы микроорганизмами (анаэробными бактериями) в отсутствие или при недостатке кислорода и света. Полезный энергетический продукт этого процесса - биогаз.

Биогаз - смесь углекислого газа (СO2) и метана (СН4). Энергетическая эффективность процесса сжигания биогаза может достигать 60-90 % эффективности сжигания сухого исходного материала.

Основное уравнение, описывающее процесс анаэробного разложения биомассы (на примере целлюлозы) имеет следующий вид:

С6Н10О5 + Н2O => 3CO2 + 3CH4.

Биогазогенератор -- устройство, в котором реализуется процесс преимущественного получения СН4 посредством анаэробного разложения исходной биомассы. Конструкции биогазогенераторов отличаются чрезвычайным разнообразием как по организации собственно технологического процесса анаэробной переработки биомассы, так и по составу исходного продукта.

Спиртовая ферментация - процесс получения этилового спирта в качестве энергетического продукта. Этиловый спирт (этанол) С5Н5ОН - летучее жидкое топливо, которое можно использовать вместо бензина.

В естественных условиях этанол образуется из сахаров соответствующими микроорганизмами в кислой среде (рН от 4 до 5).

Жидкие топлива, и в частности этанол, отличаются чрезвычайной технологической эффективностью из-за удобства использования и хорошего управления процессом горения в двигателях внутреннего сгорания.

В качестве заменителя бензина этанол можно использовать в виде:

* 95 % -го этанола в модернизированных двигателях;

* смеси 100 %-го (обезвоженного) этанола с бензином в соотношении один к десяти в традиционных двигателях.

В настоящее время стоимость топливного этанола сравнима со стоимостью бензина, причем наблюдается тенденция ее снижения. Вместе с тем этанол характеризуется более высоким октановым числом.

Фотолиз - процесс разложения воды на водород и кислород под действием света. Если водород сгорает или взрывается в качестве топлива при смешении с воздухом, то происходит рекомбинация О2 и Н2.

Некоторые биологические организмы продуцируют или могут при определенных условиях продуцировать водород путем биофотолиза.

Подобный результат можно получить химическим путем без участия живых организмов в лабораторных условиях. Промышленного внедрения эти технологии еще не получили.

4.3 Агрохимический метод переработки биомассы

Экстракция топлив - 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.



Заключение

Биоэнергетика - это новая отрасль народного хозяйства, которая связывает решение проблем получения топлива из биомассы и охраны окружающей среды. Это и научная дисциплина с фундаментальным и прикладным направлениями, изучающими и разрабатывающими пути биологической конверсии солнечной энергии в биомассу, а также биологическую и термохимическую трансформации биомассы в топливо и энергию. Биоэнергетика несет в себе новые технологии, которые потребуют для массового внедрения в энергетический баланс новых видов топлив, серьезной политической и экономической поддержки со стороны государства.

Внедрение достижений биоэнергетических технологий зависит от решения задач, связанных с интенсификацией процессов конверсии органического сырья в топливо и крупномасштабным производством самой биомассы. Биомасса, аккумулирующая в себе солнечную энергию в форме углеводородов растительного происхождения, служит исходным сырьем для выработки биотоплива в твердом, жидком и газообразном виде в зависимости от технологии переработки. В настоящее время во многих странах мира наблюдается повышение интереса к возобновляемым источникам энергии. Это связано с непрерывно уменьшающимися запасами ископаемых энергоносителей, ухудшением экологии, связанным с газовыми выбросами, приводящими к парниковому эффекту, а также желанием многих стран освободить энергетические источники от политической ситуации.

Возобновляемый энергетический ресурс - постоянно действующие или периодически возникающие потоки энергии в результате естественных природных процессов.

Внедрение различных проектов по биоэнергетике позволит в будущем агропромышленному комплексу России в основном стать энергетически автономным, основанным на полностью возобновляемых источниках энергии, экологически замкнутым, сбалансированным по выбросам СО2 и представляющим собой децентрализованный источник энергии, способный интенсифицировать сельскохозяйственное производство и создать сотни тысяч рабочих мест.



Список использованных источников

1. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника; Справочник / Под общ. ред. В.А. Григорьева, В.М. Зорина. - 2-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 328 с.

2.Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии. -М.: Энергоатомиздат, 1990. - 342 с.: ил.

3. Велькин В.И. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. - Екатеринбург: УГТУ, 2000. -183 с.

4. Щеклеин С.Е. Человек. Энергия. Природа. - Екатеринбург.УГТУ, 1998.-98 с.

Размещено на Аllbest.ru

...