Биомассная энергия: преимущества, вызовы и будущий потенциал

В мировой энергетике биомасса — распространенный способ выработки электроэнергии из животных отходов, древесных пеллет и др. Несмотря на экологические споры, биомасса считается возобновляемым источником. Дискуссии о том, является ли она «зеленее» других видов, не утихают.

Годами биомасса проявляет себя как надежная альтернатива с большим потенциалом. В Великобритании 45% возобновляемой энергии — биомасса (12% от общего баланса), второе место после ветроэнергетики. Статья: определение, применение, виды, работа, экологический эффект, плюсы/минусы, преобразование в энергию, генерация электроэнергии.

Что такое биомассная энергия?

Биомасса — «органическое вещество». Все, что живо или когда-то жило: отходы животноводства, сельхозотходы, садовые отходы. Возобновляемая энергия биомассы — мощность, получаемая от использования биомассы. Биомасса накапливает солнечную энергию: растения поглощают солнце фотосинтезом. Химическая энергия растений передается животным и людям через пищу.

Растительное и животное сырье: сахарный тростник, кукуруза, древесина, навоз. При использовании как биомассы — называются сырьем (feedstocks).

ЕС и ООН считают биомассу возобновляемой: её можно восстановить посадкой деревьев/растений. Но сжигание создает «углеродный долг» — до 104 лет на реабсорбцию. Всё равно считается возобновляемой, потому что:

• Лесные отходы, опилы, обрезки никогда не иссякнут.
• Леса управляются рационально ради их пользы.

Источники биомассы для энергии:

• Древесина и отходы её переработки — дрова, пеллеты, щепа, опилы мебельных/лесопиленных заводов, черная лигу닌 из целлюлозно-бумажных заводов.
• Сельхозкультуры и отходы — кукуруза, соя, сахарный тростник, мискантус, древесные растения, водоросли, отходы переработки пищи/кормов.
• Биогенные материалы в твердых бытовых отходах — бумага, хлопок, шерсть, пищевые, садовые, древесные отходы.
• Животные отходы и сточные воды.

Применение биомассной энергии

Применение обширно, но сырье дает 3 вида энергии: тепло, электроэнергию, биотопливо (биодизель). Большинство биомассных станций — когенерационные (CHP — Combined Heat and Power): параллельно производят тепло и электричество. Тепло — сжигание сырья, как тысячелетиями.

От мелких печей в домах до крупных электростанций централизованных коммунальных служб. В быте: готовка, отопление. Дрова — основной ресурс, но используют и другое. Современные печи повышают КПД отопления/охлаждения, снижая расход топлива.

В промышленности/бизнесе: отопление помещений, ГВС, генерация электроэнергии. Лесопилены и др. производят органические отходы естественным образом.

В 2020 г. биомасса дала ~4,532 трлн БТЕ (британских терм. единиц) ≈ 4,5 квадриллиона БТЕ ≈ 4,9% первичного потребления США. ~2,101 трлн БТЕ — древесина/производные, ~2,000 трлн — биотопливо (в основном этанол), ~430 трлн — биомасса в бытовых отходах.

Виды биомассных ресурсов

Древесина и древесные отходы

Наиболее частая форма. Тысячелетия сжигали для тепла/пищи. Сегодня крупный источник: 84% древесного топлива в США потребляют промышленность, бизнес, электростанции. Остаток (в основном дрова) — бытовое отопление/готовка.

Основные отходы: кора, опилки, щепа, древесные обрезки. Дают ~2% энергии сегодня. Многие лесозаготовительные/бумажные заводы используют отходы для собственного пара и электричества — экономия на утилизации и покупке энергии.

Твердые бытовые отходы, сваловый газ, биогаз

ТБО — мусор: пищевые отходы, газонокоска, листья. Энергия либо сжиганием ТБО на заводах утилизации (пар → тепло/электричество), либо улавливанием биогаза. На свалках гниение дает метан (биогаз/сваловый газ). Большинство свалок собирают метан как топливо. Фермеры получают биогаз в «дигстерах» из навоза.

Биотопливо

Два основных: этанол и биодизель. Из биомассы, обычно смешивают с нефтепродуктами (бензин, дизель). Могут использоваться чистые. Этанол/биодизель дороже нефти, но чище — меньше загрязнителей воздуха.

Этанол — спирт из сахаров зерновых (кукуруза, сорго, пшеница), картофельных очистков, риса, тростника, свеклы, травы. Ищут способы удешевить через использование всех частей растений. Биодизель — из растительных масел, жиров, отработанных жиров (ресторанный жир). Для дизелей без модификаций. Возобновляемый, безопасный, биоразлагаемый, снижает выбросы большинства загрязнителей.

Экологический эффект биомассы

При сжигании загрязняет воздух, но меньше ископаемого топлива. Не дает серу, но выделяет CO2 (парниковый газ). При росте биомассы фотосинтез захватывает почти эквивалентный объем CO2. Разные ресурсы/способы влияют на экологию по-разному. Дым от дров содержит CO и взвешенные частицы — многие районы запрещают дровяные печи/камины в дни высокого загрязнения. Улавливание свалового газа/биогаза снижает выбросы метана — мощного парникового газа, влияющего на климат.

Преобразование биомассы в энергию

Процессы:

• Прямое сжигание для тепла.
• Термоконверсия для твердого, газообразного, жидкого топлива.
• Химическая конверсия для жидкого топлива.
• Биологическая конверсия для жидкого и газообразного топлива.

Прямое сжигание — самый частый способ. Нагрев зданий/воды, промышленные процессы, генерация на паровых турбинах. Химическая конверсия (трансэтерификация) — превращение масел/жиров в метиловые эфиры жирных кислот → биодизель.

Биологическая: ферментация → этанол, анаэробное переработка → возобновляемый природный газ (биогаз/биометан).

При сжигании выделяется тепло → пар → трубы → турбины → электричество или тепло для домов/промышленности.

Видео о преобразовании биомассы в энергию:

Преимущества и недостатки биомассной энергии

Преимущества:

• Чистый источник энергии.
• Польза для природы и бизнеса.
• Выделяет CO2 и захватывает его обратно для роста.
• Снижает заполнение свалок.
• П вредные отходы превращаются в полезную энергию.
• Выбросы не вредны.
• Полностью натуральна, без побочных эффектов.
• Полный жизненный цикл ресурса.
• Возобновляемые ресурсы.
• Снижает зависимость от ископаемого топлива.
• Разнообразные продукты из биомассы.

Недостатки:

• Биодизель (этанол) сравнительно неэффективен по сравнению с ископаемым топливом.
• Иногда смешивают с ископаемым для лучшей работы.
• Сжигание требует больших площадей.
• Выбросы метана и других газов при сжигании.
• Экологическая деградация при использовании.
• Может быть вредна для природы.

Заключение

ЕС и ООН: биомасса — возобновляемый источник, восстанавливается посадкой деревьев/растений. Биомассная энергия — мощность от использования биомассы. Сырье дает 3 вида энергии: тепло, электроэнергию, биотопливо (биодизель). Рассмотрены определение, применение, виды, работа, плюсы/минусы, преобразование в энергию, генерация электроэнергии.

Надеемся, статья полезна — делитесь с коллегами!