Биомасса - Biomass

  (Перенаправлено из Экологического ущерба биомассы )
Эта статья о биомассе как возобновляемом источнике энергии. Для использования этого термина в экологии см. Биомасса (экология) .
Пеллеты

Биомасса - это растительный или животный материал, используемый для производства энергии ( электричества или тепла) или в различных промышленных процессах в качестве сырья для ряда продуктов. Это могут быть специально выращенные энергетические культуры (например, мискантус , просо ), древесина или лесные остатки, отходы пищевых культур (пшеничная солома, жмых ), садоводство (дворовые отходы), пищевая промышленность (кукурузные початки), животноводство (навоз, богатый азот и фосфор) или отходы жизнедеятельности человека с очистных сооружений.

Сжигание растительной биомассы высвобождает CO 2 , но она все еще классифицируется как возобновляемый источник энергии в правовых рамках ЕС и ООН, потому что фотосинтез возвращает CO 2 в новые культуры. В некоторых случаях эта рециркуляция CO 2 из растений в атмосферу и обратно в растения может быть даже отрицательной по CO 2 , поскольку относительно большая часть CO 2 перемещается в почву во время каждого цикла.

Совместное сжигание биомассы на угольных электростанциях увеличилось, потому что это позволяет выделять меньше CO 2 без затрат, связанных со строительством новой инфраструктуры. Однако совместное сжигание сопряжено с проблемами, часто наиболее выгодным является обновление биомассы. Переход на топливо более высокого качества можно осуществить различными методами, которые в целом классифицируются как термические, химические или биохимические (см. Ниже).

Сырье для биомассы

Завод биомассы в Шотландии.
Древесные отходы вне электростанции, работающей на биомассе.
Жмых - это оставшиеся отходы после измельчения сахарного тростника для извлечения из него сока.
Энергетическая культура Miscanthus x giganteus , Германия.

Исторически сложилось так, что люди использовали энергию, полученную из биомассы, с тех пор, как люди начали сжигать древесное топливо . Даже в 2019 году биомасса является единственным источником топлива для домашнего использования во многих развивающихся странах. Вся биомасса - это вещество, произведенное биологическим путем, на основе углерода, водорода и кислорода. По оценкам, производство биомассы в мире составляет примерно 100 миллиардов метрических тонн углерода в год, примерно половина - в океане, а половина - на суше.

Древесина и древесные отходы, например ель , береза , эвкалипт , ива , масличная пальма , остаются сегодня крупнейшим источником энергии из биомассы. Он используется непосредственно в качестве топлива или перерабатывается в топливные гранулы или другие виды топлива. Биомасса также включает растительный или животный материал, который можно преобразовать в топливо, волокна или промышленные химикаты . Существует множество видов растений, включая кукурузу , просо , мискантус , коноплю , сорго , сахарный тростник и бамбук . Основными отходами энергетического сырья являются древесные отходы, сельскохозяйственные отходы , твердые бытовые отходы , производственные отходы и свалочный газ . Осадок сточных вод - еще один источник биомассы. В настоящее время ведутся исследования с участием водорослей или биомассы, полученной из водорослей. Другое сырье для биомассы - это ферменты или бактерии из различных источников, выращенные в клеточных культурах или гидропонике .

В зависимости от источника биомассы биотопливо делится на две основные категории:

Биотопливо первого поколения получают из пищевых источников, таких как сахарный тростник и кукурузный крахмал. Сахара, присутствующие в этой биомассе, ферментируются для производства биоэтанола , спиртового топлива, которое служит добавкой к бензину, или в топливном элементе для производства электроэнергии.

В биотопливе второго поколения используются непродовольственные источники биомассы, такие как многолетние энергетические культуры (культуры с низким уровнем затрат) и сельскохозяйственные / муниципальные отходы. Существует огромный потенциал для биотоплива второго поколения, но ресурсы в настоящее время используются недостаточно.

Преобразование биомассы

Тепловые преобразования

См. Также: Электростанция на биомассе
Тюки соломы

В процессах термического преобразования тепло используется в качестве доминирующего механизма для преобразования биомассы в более качественное и практичное топливо. Основными альтернативами являются торрефикация , пиролиз и газификация , они разделены, главным образом, по степени протекания соответствующих химических реакций (в основном контролируемых наличием кислорода и температурой конверсии).

Существуют и другие менее распространенные, более экспериментальные или запатентованные термические процессы, которые могут принести пользу, например гидротермальная модернизация. Некоторые из них были разработаны для использования на биомассе с высоким содержанием влаги, включая водные суспензии, и позволяют преобразовывать их в более удобные формы.

Химическая конверсия

Для преобразования биомассы в другие формы, например, для производства топлива, которое более практично хранить, транспортировать и использовать, или для использования некоторых свойств самого процесса, может использоваться ряд химических процессов. Многие из этих процессов в значительной степени основаны на аналогичных процессах на основе угля, таких как синтез Фишера-Тропша . Биомасса может быть преобразована в различные химические продукты.

Биохимическая конверсия

Поскольку биомасса является природным материалом, в природе разработано множество высокоэффективных биохимических процессов для разложения молекул, из которых состоит биомасса, и можно использовать многие из этих процессов биохимического преобразования. В большинстве случаев микроорганизмы используются для выполнения процесса преобразования: анаэробного сбраживания , ферментации и компостирования .

Гликозидгидролазы - это ферменты, участвующие в разложении основной фракции биомассы, такой как полисахариды, присутствующие в крахмале и лигноцеллюлозе. Термостабильные варианты становятся все более популярными в качестве катализаторов в процессах биологической переработки, поскольку непокорная биомасса часто требует термической обработки для более эффективного разложения.

Электрохимическое преобразование

Биомассу можно напрямую преобразовать в электрическую энергию посредством электрохимического (электрокаталитического) окисления материала. Это может быть осуществлено непосредственно в прямом топливном элементе углерода , прямые топливные элементы жидкости , такой как прямой этанол топливного элемента , в прямой метанола топливный элемент , прямой кислоты топливный элемент муравьиная , A L-аскорбиновая кислота топливных элементов (витамин С топливный элемент), и микробный топливный элемент. Топливо также может потребляться косвенно через систему топливных элементов , содержащую риформинг, который преобразует биомассу в смесь CO и H 2 перед ее потреблением в топливном элементе.

Воздействие на окружающую среду

Надземная биомасса в лесу на гектар

При сгорании углерод из биомассы выбрасывается в атмосферу в виде диоксида углерода (CO 2 ). По прошествии периода времени от нескольких месяцев до десятилетий CO 2, образующийся при сгорании, поглощается из атмосферы растениями или деревьями. Однако способность лесов к хранению углерода в целом может снизиться, если будут применяться деструктивные методы ведения лесного хозяйства.

Все культуры биомассы изолируют углерод . Например, было обнаружено, что содержание органического углерода в почве выше под посевами просо проса, чем под культурными пахотными землями, особенно на глубине менее 30 см (12 дюймов). В отношении Miscanthus x giganteus McCalmont et al. обнаружили, что скорость накопления колеблется от 0,42 до 3,8 тонны на гектар в год, при средней скорости накопления 1,84 тонны (0,74 тонны на акр в год), или 20% от общего количества собираемого углерода в год. Трава поглощает углерод в своей постоянно увеличивающейся корневой биомассе вместе с углеродом, поступающим из опавших листьев. Как правило, многолетние культуры улавливают больше углерода, чем однолетние, потому что рост корней может продолжаться в течение многих лет. Кроме того, многолетние культуры избегают ежегодных процедур обработки почвы (вспашка, копка), связанных с выращиванием однолетних культур. Обработка почвы вызывает аэрацию почвы , что увеличивает скорость разложения углерода в почве , стимулируя популяции почвенных микробов . Кроме того, обработка почвы помогает атомам кислорода (O) в атмосфере присоединяться к атомам углерода (C) в почве, образуя CO2.

ПГ / CO2 / углеродный отрицательный фактор для производственных путей Miscanthus x giganteus.
Взаимосвязь между урожайностью над землей (диагональные линии), органическим углеродом почвы (ось X) и потенциалом почвы для успешного / неудачного связывания углерода (ось Y). По сути, чем выше урожай, тем больше земли можно использовать в качестве инструмента снижения выбросов парниковых газов (включая земли с относительно высоким содержанием углерода).

Простое предложение о том, что биомасса является углеродно-нейтральной, выдвинутое в начале 1990-х годов, было заменено более детальным предложением о том, что для того, чтобы конкретный биоэнергетический проект был углеродно-нейтральным, общий углерод, улавливаемый корневой системой биоэнергетической культуры, должен компенсировать все выбросы из связанного проекта наземной биоэнергетики. Сюда входят любые выбросы, вызванные прямым или косвенным изменением землепользования. Многие биоэнергетические проекты первого поколения не являются углеродно-нейтральными с учетом этих требований. Некоторые из них имеют даже более высокие общие выбросы парниковых газов, чем некоторые альтернативы на основе ископаемого топлива. Транспортное топливо в этом отношении может быть хуже твердого топлива.

Некоторые из них являются углеродно-нейтральными или даже отрицательными, особенно многолетние культуры. Количество секвестрированного углерода и количество выбрасываемых парниковых газов влияют на то, как будут развиваться общие затраты на жизненный цикл парниковых газов для проекта биоэнергетики. В частности, жизненный цикл с отрицательным выбросом парниковых газов / углеродом возможен, если общее накопление углерода под землей более чем компенсирует общие выбросы парниковых газов над землей в течение жизненного цикла. Биомасса выделяет углекислый газ, который был поглощен во время цикла роста, что указывает на то, что выпущенный газ может быть переработан с помощью методов фотосинтеза. Растения, являющиеся источником биомассы, могут быть углеродно-нейтральным источником энергии.

Успешное связывание зависит от участков посадки, поскольку лучшими для связывания являются почвы с низким содержанием углерода. Предположение о том, что ежегодные пахотные земли обеспечивают больший потенциал поглощения углерода в почве, чем пастбища, кажется чрезмерным упрощением, но есть возможность улучшить прогнозы потенциала связывания углерода в почве, используя информацию о начальном запасе углерода в почве в качестве более надежного предиктора ∆C. [изменение количества углерода] по сравнению с предыдущим землепользованием.

Проекты по использованию биомассы на основе лесов подверглись критике за неэффективное сокращение выбросов парниковых газов со стороны ряда экологических организаций, включая Гринпис (который в начале 2000-х годов был одним из первых сторонников биомассы, но изменил свою позицию к концу десятилетия) и Совет по защите природных ресурсов . Экологические группы также утверждают, что могут потребоваться десятилетия, чтобы углерод, высвобождаемый при сжигании биомассы, снова улавливался новыми деревьями. Сжигание биомассы приводит к загрязнению воздуха в виде окиси углерода , летучих органических соединений , твердых частиц и других загрязнителей. В 2009 году шведское исследование гигантской коричневой дымки, которая периодически покрывает большие площади в Южной Азии, показало, что две трети ее образовались в основном в результате приготовления пищи в жилых помещениях и сжигания сельскохозяйственных культур, а одна треть - за счет сжигания ископаемого топлива. Использование древесной биомассы в качестве промышленного топлива приводит к образованию меньшего количества твердых частиц и других загрязнителей, чем при горении, наблюдаемом при лесных пожарах или пожарах на открытых площадках.

По состоянию на 2020 год биомасса составляла 60% возобновляемой энергии Европейского союза и получила широкую критику по поводу ее воздействия на окружающую среду, особенно чрезмерного использования земли и чрезмерных выбросов углерода из-за транспортировки биомассы на большие расстояния, что вызвало пересмотр политики ЕС в отношении биомассы.

Регулирующее требование об использовании определенного количества биомассы в ЕС создало огромный спрос, который не удовлетворяется на местном уровне и удовлетворяется за счет импорта: например, биомасса из Польши экспортируется на электростанции Германии, создавая дефицит в Польше, поэтому предприятия в Польше импортируют ее из далекие места, такие как Россия или Малайзия. Одна электростанция в Польше ежемесячно импортирует 7000 тонн древесины из Республики Коми в России, расположенной в 7000 км. Электростанции Великобритании импортируют более 6 миллионов тонн древесины из США, расположенных на расстоянии 7400 км, а также из Канады, Восточной Европы и Португалии, причем 65% биомассы импортируется. Вопреки распространенному мнению, большая часть древесины, сжигаемой в качестве биомассы, - это не «древесные отходы» от лесопилок и т.д. (которые составляют всего 0,9%), а деревья, выращиваемые специально для этой цели. Крупномасштабные незаконные рубки также представляют собой серьезную проблему в Восточной Европе и России.

Согласно исследованию, проведенному в Великобритании в 2014 году, углеродоемкость биомассы может быть выше, чем у угля.

Средняя удельная поверхностная мощность биомассы составляет 0,08 Вт / м 2, что является одним из самых низких показателей среди промышленных источников энергии.

Смотрите также

Часть серии по
Возобновляемая энергия
Логотип «Возобновляемая энергия» Мелани Меккер-Турсун V1 bgGreen.svg

Ссылки

внешние ссылки