Биоэнергетика: сущность, проблемы использования, перспективы развития в РБ

РЕФЕРАТ

по дисциплине:

"Основы энергосбережения"

на тему:

"Биоэнергетика:  сущность, проблемы использования,  перспективы развития в РБ"

Введение

Энергетика - это область  общественного производства, охватывающая энергетические ресурсы, выработку, преобразование, передачу и использование различных  видов энергии.

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.

Первоначально в качестве возобновляемого источника энергии  человек использовал мускульную силу, как свою, так и животных. В настоящее время используются солнечное излучение, энергия планетарного движения в виде приливов и отливов, энергия химических реакций и  радиоактивного распада в недрах Земли, проявляющаяся в виде геотермальных  источников. К возобновляемым источникам также относится преобразованная  энергия Солнца в виде гидроэнергии, энергии ветра и биомассы.

Согласно прогнозам Мировой  энергетической комиссии о перспективах использования возобновляемых источников энергии главенствующая роль принадлежит  биомассе. К перспективным возобновляемым источникам энергии следует отнести  также гидроэнергию, энергию ветра  и Солнца.

 

Таблица 1. Оценка возможной  доли возобновляемых источников энергии  в мире

Ресурсы возобновляемых источников энергии	2020 г. (min)	2020 г. (max)
	млн т т. у.	% к итогу	млн т т. у.	% к итогу
Биомасса	350	47	800	43
Солнечная энергия	150	20	510	28
Ветровая энергия	120	16	310	17
Геотермальная энергия	60	8	130	7
Малые и мини-ГЭС	70	9	100	5
Итого:	750	100	1850	100

Основной целью реферата является изучить сущность, проблемы использования, а также перспективы  развития биоэнергетики в Республике Беларусь.

Основным методом исследования является анализ специальной литературы и интернет-ресурсов по данному вопросу.

1. Биоэнергетика.  Историческая справка. Сущность  понятия

Проблемы отыскания и  использования соответствующих  видов энергии всегда интересовали людей, однако столь волнующими, как  сегодня они никогда не были. Повышенный интерес к ним понятен. Мировое  потребление энергии стало соизмеримым  с запасами горючих ископаемых - базой современной энергетики. То, что создавалось природой на протяжении многих эпох, расходуется в течение  нескольких десятилетий. На сегодняшний  день это большая проблема, решить которую можно с помощью нетрадиционных способов получения энергии. Одним  из таких является биоэнергетика.

Когда же впервые появилась  биоэнергетика? Ученые связывают появление  биоэнергетики с началом использования  биомассы как источника энергии. Человек стал применять биомассу как источник энергии с тех  пор, как он обнаружил огонь. Но тогда  еще не существовало как такого понятия  биоэнергетики. В 1885 году ученым стали  известны промышленные способы получения  биогаза, который, как указывалось  выше, образуется в процессе биологического разложения биомассы. Можно судить, что именно с этого момента  произошло официальное зарождение биоэнергетики.

Биоэнергетика - это наука, изучающая механизмы и закономерности преобразования энергии в процессах  жизнедеятельности организмов, энергетические процессы в биосфере.

Биомасса - общая масса  растений, микроорганизмов и животных, приходящаяся на единицу площади  или объема их обитания. Численно она  выражается в массе сырого или  сухого вещества (кг/м²; кг/га; кг/м³ и т.д.). Биомассу растений называют фитомассой, животных организмов - зоомассой. В Государственной программе вопросам использования фитомассы, коммунальных отходов, отходов растениеводства, получения биогаза, топливного эталона и биодизельного топлива в качестве возобновляемых ТЭР уделяется серьезное внимание. Общий годовой объем использования в Республике Беларусь этих энергоресурсов к 2010 г. оценивается примерно в 113 тыс. т у. т., а потенциальный запас составляет более 3,7 млн. т у. т. Эти цифры не учитывают использование древесного топлива, отходов деревообработки и лигнина в качестве топлива, потенциальный запас которых оценивается примерно в 7,58 млн. т у. т. Годовое использование к 2010 г. этих видов энергоресурсов планируется в объеме около 3,1 млн. т у. т. [4]

Рис. 2. Система биоэнергетики

Считается, что биомасса, которая является источником получения  биотоплива, станет ключевым возобновляемым источником в будущем, ведь уже сегодня  она дает 14% всей потребляемой энергии  в мире.

Стоит отметить, что для  трех четвертей мирового населения, которое живет в развивающихся  странах, биомасса также является самым  важным источником энергии. Ожидается, что в связи с увеличением  численности населения и истощением ископаемых ресурсов спрос на биомассу в развивающихся странах значительно  увеличится. В среднем, в развивающихся  странах биомасса составляет 38% от всех источников первичной энергии. Эти  цифры свидетельствуют о том, что биоэнергетика уже сейчас имеет большое значение, а в  будущем будет развиваться еще  более интенсивно. [5]

2. 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:

Среди основных энерготехнологических  методов переработки биомассы можно  выделить: термохимический метод; биохимический  метод; агрохимический метод.

2.1 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.

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).

2.2 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).

Основная реакция  превращения сахарозы в этанол имеет  следующий вид:

Дрожжи

C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O 4С₂Н₅OН + 4СO₂.

 

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.

2.3 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.). [7, с. 88-98]

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%.