13. Энергия биомассы

Биомасса - один из быстрорастущих возобновляемых источников энергии. Что же такое биомасса? Как она используется? И как она заменяет нефть, природный газ и уголь, от которых мы так зависим?

Название биомасса говорит само за себя: биологические вещества — растения в больших объемах, (в массе). Биологическое топливо позволяет получать энергию из растений и преобразовывать ее форму, используемую для получения электричества или заправки автомобилей.

Вот как это работает. В процессе фотосинтеза в растениях появляются углеводороды: сахар и крахмал. Углеводороды - органические компоненты, получаемые из угля и водорода. Эти компоненты хранят энергию в связях, удерживающих их. Хранимая энергия испускается, когда растения съедают или, что нам важнее, когда растения закапывают. Кислород в воздухе вступает в реакцию с углеродом в растениях, при этом выделяется энергия, вода, и диоксид углерода (CO₂). Эта энергия используется для превращения воды в пар. Пар вращает турбины, вырабатывающие электричество.

Есть и другой способ высвобождения энергии растений. В процессе ферментации сахар в растениях превращается в спирт. Спирт в жидком или газообразном виде можно сжигать, чтобы получить энергию. Топливо, получаемое из биомассы таким образом, называется биологическим.

Одно из сильнейших достоинств биомассы в том, что она получается из растений, которые легко возобновляются - их можно выращивать повторно. Потенциал использования биомассы очень велик. Так как на фабрике в качестве топлива используются те же водородные и углеродные элементы, биомасса может заменить нефть и стать тем, что называют общественными химикалиями. Эти вещества используются для производства многих товаров, таких как изделия из пластика, краски и клей. Однако сейчас биомасса является малоиспользуемым возобновляемым источником энергии.

Что такое биомасса?

Биомасса - очень широкий термин, которым называют любой вид растительных отходов. Сюда относят и древесные, и сельскохозяйственные отходы, а также некоторые виды зерновых, выращенных специально для использования в качестве биотоплива.

Тысячи лет назад кто-то специально положил дерево в огонь, чтобы получить тепло. Это было первое использование биотоплива. С тех пор дерево в качестве топлива использовалось очень долго. Жители многих стран до сих пор обогревают свои дома и готовят еду, сжигая дрова. Несмотря на общедоступность, дерево при сжигании в костре является относительно неэффективным топливом. При использовании в качестве биомассы дерево используется максимально эффективно.

 

ЖИВЫЕ СИСТЕМЫ

Люди сжигают древесные и растительные отходы и получают энергию. Отходы поставляет промышленность: вырубка леса, строительство, производство бумаги, фермерские хозяйства, твердый мусор с городских свалок и метан – газ, вырабатываемый на свалках. Некоторые виды трав после ферментации также могут быть использованы в качестве биотоплива.

Как используется биотопливо?

Во всем мире биотопливо – преимущественно это продукты из древесины, сжигается вместе с углем на теплоэлектростанциях. Этот процесс называется попутным сжиганием, поскольку вместо одного вида топлива используется два. Попутное сжигание используется в различных видах угольных бойлеров. Чтобы получить максимум от использования биотоплива в конструкцию бойлеров, необходимо внести лишь небольшие изменения. Наиболее эффективный способ - добавлять биотопливо после распыления угля.

В 2005 году в странах Европейского союза 4% энергии получали, используя биотопливо. Лидерами в этом были Финляндия и Швеция: 16 и 20% энергии соответственно. Проекты по использованию биоотходов развиваются в Азии, чтобы заменить до сих пор широко используемое дерево Биотопливные проекты так же развиваются в Африке.

В 2002 году в США объем биоэнергии составлял 9733 мегаватта. Большинство видов биотоплива попутно сжигается вместе с углем для достижения базовой мощности - устойчивого электроснабжения (энергии, необходимой для обеспечения повышенного спроса во время пиковых нагрузок). Биоэнергия обеспечивает более 3% общего энергопотребления США. В США биотопливо превзошло гидроэлектростанции как возобновляемый источник энергии.

Очень часто биотопливо используется промышленностью, которая его и создает. К примеру, деревообрабатывающая промышленность сжигает собственные древесные отходы, чтобы получать пар и электроэнергию, необходимые для работы фабрики. К отходам относится древесные опилки, неиспользуемые ветки и щепки. Лесопромышленность получает более 50% необходимого ей электричества, используя собственные отходы. То же самое касается бумажной промышленности.

Другой вариант использования биомассы - получения биотоплива. Крахмал или сахаросодержащие злаковые превращаются в этиловый спирт: этанол. В Бразилии большая часть транспорта заправляется этанолом. Перевод транспорта на этанол начался в середине 1970-х, когда впервые повысились цены на бензин. Лидеры бразильской промышленности решили снизить зависимость страны от нефти. Этаноловая промышленность развивалась медленно, год за годом. В Бразилии выращивается сахарный тросник, он ферментируется и превращается в этанол. Бразильские автомобили должны быть универсальными, то есть работать и на этаноле, и на бензине. Потребители делали выбор сами, основываясь на цене топлива.

Вскоре опыт Бразилии стали перенимать другие страны. Производство этанола увеличивается в Китае и Европейском союзе. В США в 2004 году производилось 12,9 млрд. литров этанола, что почти в два раза больше показателя 2002 года. Производимый этанол добавляется в бензин для увеличения октанового числа и снижения выбросов. В США источником этанола является кукуруза. Злаковые дают меньше этанола, чем сахарный тростник или свекла, на земли выход этанола меньше в два раза.

Альтернативой кукурузе как источнику этанола в США может быть прутьевидное просо. Родина этого растения - Северная Америка, просо является более эффективным источником этанола, нежели кукуруза. Использование этого злака находится в стадии опробации.

В США для экспериментальной заправки городских автобусов используется смесь бензина и этанола, называемая E-дизельным топливом. По мере роста цен на бензин, этанол к автомобилям, работающим на этаноле продолжает увеличиваться.

Потребление биодизельного топлива так же растет и в Европе. Биодизельное топливо получается из растительного масла, прошедшего так называемую трансэфиризации. Животный жир и ресторанные отходы так же могут быть превращены в биотопливо. Это биотопливо в ближайшие дни может полностью заменить дизельного топливо или использоваться в виде смеси: 20% биотоплива и 80% дизельного. В 2005 году в Европейских странах произведено более 3 миллионов метрических тонн биотоплива. Самым крупным потребителем и производителем является Германия. В мире начинают появляться специальные программы по популяризации использования биотоплива.

Препятствия

У использования биомассы в качестве топлива есть свои преграды. Как и в случае с ископаемым топливом, сжигание вызывает образование CO₂. Однако ископаемое топливо выделяет CO₂ миллионы лет, создавая избыток CO₂ в атмосфере. В противоположность CO₂, выделяемый биомассой при сжигании, поглощается растениями. Биотопливо считается "углеродно-нейтральным".

В биологическом уравнении ископаемые виды топлива все еще играют ключевую роль. Они используются на всех этапах получения биомассы: выращивании растений, их сборе, доставке и обработке. Биомасса не станет углеродно-нейтральной до тех пор, пока на всех этапах не будет использоваться возобновляемое топливо. Когда это произойдет - загадка для всех. Пока биотопливо позволяет сократить выбросы CO₂, так как в процессе использования биомассы в атмосферу выбрасывается меньше СО₂.

По течению

В будущем биомассы могут заменить нефть, газ и уголь во многих областях. Правительства различных стран будут финансировать исследования в области развития биотоплива. Среди вещей, которые предстоит усовершенствовать, - фабрики по очистке биомассы. Такие фабрики будут принимать различные виды биотоплива и создавать постоянный запас для использования в различных областях промышленности. На одной из рафинадных фабрик в качестве основы для ферментации используются сахар в виде целлюлозы и лигнин из растений, в результате получается этанол. В качестве биотоплива может использоваться дерево и различные виды трав. На других рафинадных заводах для стандартизации биомассы используется термохимический подход, превращающий массу в более эффективные жидкость или газ.

Исследователи видят будущее биомассы в замене нефти, как источника многих химикатов, используемых в современном мире. Вещи из пластика, краски и клеи можно производить не из нефтепродуктов, а из биомассы.