Производство биомассы для энергетических целей: Производство биомассы для энергетических целей

Производство биомассы для энергетических целей

Энергетические
фермы. Этот
термин используется в очень ши­роком
смысле, обозначая производство топлива
(энергии) в качестве основного или
дополнительного продукта
сельскохозяйственного про­изводства
(поля), лесоводства (леса), аквакультуры
(пресные и морские воды), а кроме того,
те виды промышленной и бытовой
деятельности, в результате которых
образуются органические отходы. Основной
целью переработки сырья могло бы быть
исключительно производство энер­гии,
но более выгодно найти наилучшее
соотношение между получени­ем из
различных видов биомассы и энергии, и
биотоплива.

Наиболее
характерный пример энергетических
ферм представля­ют собой предприятия
по выращиванию и комплексной переработке
са­харного тростника. Производство
зависит от сжигания отходов перера­ботки
тростника, необходимого для снабжения
энергией всей техноло­гической цепи.
При надлежащей механизации можно было
бы получить дополнительную энергию
для производства на продажу побочных
про­дуктов (патоки, химикатов, корма
для животных, этилового спирта,
строительных материалов, электроэнергии).
Следует отметить, что эти­ловый спирт
и электроэнергию можно использовать
для выращивания культур и выполнения
транспортных операций.

Развитие
энергетики за счет использования
сельскохозяйственных культур имеет
как достоинства, так и недостатки.

Достоинства:

• Огромные
  потенциальные запасы.

• Разнообразие
  культур.

• Разнообразие
  применения (включая транспорт и
  производство элек­троэнергии).

• Связь
  с существующей агрокультурой и
  лесоводством.

• Поощрение
  интегрированного сельскохозяйственного
  производства.

• Эффективное
  использование побочных продуктов,
  отходов, стоков.

• Улучшение
  состояния среды за счет утилизации
  отходов.

• Использование
  комплексной эффективной переработки
  меньше за­грязняет воду и воздух
  (например снижает содержание серы).

• Ведет
  к развитию сельского хозяйства.

• Расширяет
  возможность экономии по отношению к
  продуктам, тер­ритории, занятости
  специалистов.

• Огромный
  потенциал в тропических странах,
  особенно развиваю­щихся.

• Создание
  агропромышленности, которая будет
  способствовать ре­шению широкого,
  круга задач, включая развитие культуры
  и образо­вания.

Опасности
и трудности:

• Может
  привести к оскудению и эрозии почв.

• Возможность
  конкуренции с производством пищи.

• Использование
  генной инженерии может вызвать появление
  некон­тролируемых организмов.

• Крупномасштабная
  агроиндустрия может оказаться слишком
  слож­ной для эффективного управления.

• Перевозка
  биомассы к перерабатывающим фабрикам
  создаст пере­грузку для транспорта.

• Ошибки
  проектирования и отсутствие замкнутого
  цикла переработки могут привести к
  загрязнению среды.

Одна
из наиболее существенных опасностей
та, что производство энергии станет
конкурировать с производством пищи.
Например, зерно­вые фермы США дают
около 10 % мирового производства хлеба,
а экс­порт более чем 1/3 этого количества
позволяет частично покрыть дефи­цит
целого ряда стран. Крупномасштабное
увеличение объема произ­водства
биотоплива (например, этилового спирта)
по этой причине мо­жет оказать
существенное отрицательное влияние
на мировой рынок пищевых продуктов.
Вторая серьезная опасность — возможность
обед­нения и эрозии почв в результате
интенсификации выращивания
«энер­гетических» культур. Очевидная
стратегия спасения от этих явлений —
выращивание
культур, пригодных и для обеспечения
человека (зерно), и для энергетических
нужд при одновременном сокращении
части уро­жая, скармливаемого животным.

Географическое
распределение.
Ясно, что наибольшим потенциа­лом
для развития концепции энергетических
ферм обладают тропиче­ские страны,
особенно такие, где имеются соответствующие
условия по качеству почв и количеству
выпадающих осадков. Идеи этого
направ­ления для развивающихся стран
кажутся очевидными.

Энергетический
анализ.
Для выращивания и переработки урожая
необходима энергия в форме солнечного
излучения и в форме, пригод­ной для
получения топлива для работы сельхозмашин,
создания этих самых машин, получения
удобрения и т. п. Вторая форма в целом
— не что иное, как энергия брутто —
обобщение всех форм энергии, отличной
от солнечной и затрачиваемой на то,
чтобы обеспечить весь цикл
сель­скохозяйственного производства.

На
практике энергетический анализ и
связанный с ним анализ экономических
факторов получения и переработки
биомассы агропро­мышленным методом
оказываются достаточно сложными. Однако
су­щественным остается то, что
использование для получения тепла и
электроэнергии дешевых отходов биомассы
может иметь решающее значение при
оценке эффективности того или иного
процесса.

Энергетический
анализ — полезный инструмент при
определении затрат энергии
энергопотребляющих и энергопроизводящих
систем, по­скольку он позволяет
выделять технические и технологические
аспекты процессов. Но проблема не только
в этом. Однако окончательный выбор
культуры должен быть основан на оценке
целого ряда конкретных эко­номических
факторов, среди которых первостепенное
значение имеют и необходимость в
создании независимого (от внешнего
рынка) снабже­ния топливом, и сохранение
источника альтернативных продуктов
(про­дуктов питания, например).

ИСО — СТАВКА НА БИОМАССУ

¿Hablas español?

会说中文吗

Теги: Климатические измененияЭнергияОкружающая средаУстойчивое развитие

Устойчивое использование биоэнергии играет неотъемлемую роль в большинстве возможных сценариев сокращения выбросов углекислого газа. В данной статье мы рассмотрим, как стандарты формируют будущее твердого биотоплива.

Согласно докладу Комитета по изменению климата, независимого советника Великобритании в области энергетического перехода, топливо из биомассы будет вносить все более важный вклад в достижение нулевого уровня выбросов.

На первый взгляд, использование топлива из биомассы вместо ископаемого топлива выглядит как панацея и легкая победа. Однако в реальности все гораздо сложнее: в зависимости от того, как выращиваются, перерабатываются и регулируются его компоненты, топливо из биомассы может либо обеспечить экологически устойчивое решение для производства энергии, либо испортить все окончательно.

К счастью, стандарты ИСО могут помочь нам обеспечить устойчивость топлива на основе биомассы и внести значительный вклад в достижение энергетической нейтральности. В данной статье рассказывается о том, как это сделать, на примере стандартов ИСО для твердого биотоплива.

ДЕЛАЯ ВКЛАД В ДОСТИЖЕНИЕ НУЛЕВОГО УРОВНЯ ВЫБРОСОВ

Исходные условия, лежащие в основе экологически устойчивого использования топлива из биомассы, просты: углерод, высвобождающийся в процессе преобразования энергии, перерабатывается растениями в сырье для нового биотоплива. Сложность заключается в том, чтобы сделать это так, чтобы не вытеснить продовольственные культуры с их земель, работать эффективно и значительно сократить выбросы.

Однако, существует несколько проблем. Во-первых, масштаб необходимых изменений огромен. По данным доклада «Глобальные перспективы возобновляемых источников энергии: Энергетическая трансформация 2050» Международного агентства по возобновляемым источникам энергии, для удовлетворения наших энергетических потребностей нам необходимо более чем в два раза увеличить уровнь использования топлива из биомассы. Во-вторых, этот переход должен быть экологически устойчивым. Например, в начале этого года Объединенный исследовательский центр Европейской комиссии (JRC) опубликовал отчет об использовании древесной биомассы для производства энергии. Авторы заявили, что устойчивость биоэнергетики — это «сложный вопрос, на который нет универсальных ответов, но существуют как беспроигрышные, так и проигрышные пути управления лесами для сохранения климата и биоразнообразия».

В отчете JRC также сказано, что «биоэнергетика находится на стыке двух основных экологических кризисов 21 века: биоразнообразия и чрезвычайных ситуаций, вызванных изменением климата. Лесная биоэнергетика способна стать частью решения обоих кризисов, но только при условии экологически устойчивого производства и эффективного использования биомассы». С этой целью такие организации, как Европейская комиссия, разработали критерии устойчивости для биотоплива, а ИСО разрабатывает целый пакет стандартов для топлива из твердой биомассы и устойчивости биоэнергии.

Камин, работающий на биоэтаноле.

НАДЕЖНЫЕ СТАНДАРТЫ

«Биоэнергетика может играть важную роль в сокращении выбросов углекислого газа, развитии экологически безопасного бизнеса и достижении низкоуглеродной экономики», — утверждает Морис Дуек (Maurice Douek), который десятилетиями работал в целлюлозно-бумажном секторе. «Таким образом, использование твердого биотоплива для целей отопления помещений, горячего водоснабжения, производства электроэнергии и тепловой энергии быстро растет во всем мире», — добавляет он. Будучи активным членом технического комитета ИСО/ТК 238 Твердое биотопливо, Дуек является убежденным сторонником стандартов, которые помогут процветанию отрасли.

На национальном уровне правительства во всем мире поощряют переход от ископаемых видов топлива к биотопливу, как это происходит в Канаде. «Одна электростанция недавно была переведена с угля на древесные гранулы. В нескольких канадских провинциях и территориях были установлены системы централизованного теплоснабжения», — рассказывает Дуек.

Каким же образом могут помочь стандарты ИСО для твердого биотоплива? «Различное качество сырья из биомассы и различные области применения твердого биотоплива в виде древесных гранул, щепы и брикетов требуют стандартизации этих видов топлива, как для местного потребления, так и для облегчения международной торговли», — объясняет Дуек. Качество топлива также играет большую роль в минимизации загрязнения воздуха. «По мере разработки руководящих принципов по выбросам в атмосферу все чаще делаются ссылки на стандарты комитета ИСО/ТК 238 по древесному топливу», — добавляет он. Проще говоря, лучшее биотопливо сгорает более эффективно и чисто.

Образец производства биотоплива в Бразилии.

УСТОЙЧИВОЕ РАЗВИТИЕ В ИННОВАЦИЯХ

Стандарты ИСО способствуют инновациям и бизнесу, а также устойчивому развитию. «Стандарты являются добровольными и поддерживают законодательство, где критерии устойчивости указаны также и для твердого биотоплива, например, в европейских законах», — объясняет Эйя Алакангас (Eija Alakangas ) из Финляндии, которая также является членом ИСО/ТК 238. Алакангас 34 года проработала в Техническом исследовательском центре VTT в Финляндии в качестве эксперта по твердому биотопливу, десять лет возглавляла Европейскую сеть биоэкономики и все это время занималась стандартизацией.

Но как твердое биотопливо приносит пользу бизнесу и инновациям? «Древесная щепа — это местное твердое биотопливо, которое используется в небольших установках. Использование древесной щепы поддерживает местное предпринимательство, а также увеличивает использование древесины, полученной в результате прореживания, что способствует росту лесов, а также помогает предотвратить лесные пожары», — добавляет она.

Стандарты для твердого биотоплива, такие как стандарты серии ISO 17225 , поощряют использование древесных отходов. «Крупноствольная древесина не используется для получения энергии, а новые целлюлозные заводы производят энергию из 100% возобновляемых источников, таких как древесные отходы», — описывает Алакангас.

Стандарт ISO 17225 Твердое биотопливо — спецификации и классы топлива определяет допустимое содержание влаги в твердом биотопливе, что впоследствии стимулирует инновации, такие как автоматический отбор проб топлива из биомассы и измерение его влажности. «Содержание влаги является наиболее важным свойством для твердого биотоплива», — объясняет она. «Стандарты ИСО, такие как серия ISO 17225, устанавливают требования к качеству топлива, что поможет гарантировать чистоту сгорания для каждой  из технологий», — добавляет Алакангас. Кроме того, когда в стандартах ИСО указывается происхождение сырья и его источники, это, в свою очередь, способствует устойчивому развитию».

КРУТОЙ ПОДЪЕМ

Однако, путь к коммерческой разработке топлива из биомассы не так уж прост. «На мой взгляд, есть две большие проблемы. Во-первых, мы должны убедиться, что биотопливо явно отличается от ископаемого топлива с точки зрения повышения эффективности сгорания, снижения углеродного следа и выбросов углекислого газа. Поэтому очень важно продолжать разработку новых, усовершенствованных технологий для достижения этих целей», — объясняет Дуек.

«Во-вторых, мы должны убедительно продемонстрировать, что твердое биотопливо оказывает значительно меньшее воздействие на окружающую среду, чем ископаемое топливо», — добавляет он. Поэтому необходимы соответствующие инструменты для проведения анализа жизненного цикла древесной продукции; для оценки влияния изменения земель или землепользования, связанного с лесным хозяйством; а также надежная методология для проведения расчетов углеродного баланса, чтобы точно определить сокращение выбросов парниковых газов и связанные с этим преимущества для замедления изменения климата.

© Marcel Antonisse/Getty

Для продвижения более устойчивой лесной биоэкономики в целом требуется комплексное управление, а критерии устойчивости лесной биоэнергетики зависят от хорошей стандартизации. Технический комитет ИСО/ТК 287, Устойчивые процессы для древесины и изделий из нее, будет рассматривать экологическую устойчивость с более широкой точки зрения, включая всю цепочку поставок. «Цель состоит в том, чтобы вывести лесной сектор на передовые позиции среди устойчивых отраслей промышленности», — заключает Дуек.

Объяснение биомассы — Управление энергетической информации США (EIA)

Биомасса — возобновляемая энергия растений и животных

Биомасса — это возобновляемый органический материал, полученный из растений и животных. Биомасса была крупнейшим источником общего годового потребления энергии в США до середины 1800-х годов. Биомасса продолжает оставаться важным топливом во многих странах, особенно для приготовления пищи и отопления в развивающихся странах. Использование топлива из биомассы для транспорта и производства электроэнергии увеличивается во многих развитых странах как средство предотвращения выбросов двуокиси углерода при использовании ископаемого топлива. В 2021 году биомасса обеспечила почти 5 квадриллионов британских тепловых единиц (БТЕ) ​​и около 5% от общего потребления первичной энергии в Соединенных Штатах.

Биомасса содержит накопленную химическую энергию солнца. Растения производят биомассу посредством фотосинтеза. Биомасса может быть сожжена непосредственно для получения тепла или преобразована в возобновляемое жидкое и газообразное топливо с помощью различных процессов.

• Древесина и отходы деревообработки – дрова, древесные гранулы и щепа, опилки и отходы лесопильных и мебельных производств, черный щелок целлюлозно-бумажных предприятий
• Сельскохозяйственные культуры и отходы – кукуруза, соя, сахарный тростник, просо, древесные растения и водоросли, а также отходы сельскохозяйственной и пищевой промышленности, в основном для производства биотоплива
• Биогенные материалы в твердых бытовых отходах — бумажных, хлопчатобумажных и шерстяных изделиях, а также пищевых, дворовых и древесных отходах
• Навоз животных и человеческие сточные воды для производства биогаза/возобновляемого природного газа

Источник: адаптировано из Национального энергетического образовательного проекта (общественное достояние)

Источник: Управление энергетической информации США (общественное достояние)

Преобразование биомассы в энергию

Биомасса преобразуется в энергию с помощью различных процессов, включая:

• Прямое сжигание (сжигание) для получения тепла
• Термохимическая конверсия для производства твердого, газообразного и жидкого топлива
• Химическая конверсия для производства жидкого топлива
• Биологическая конверсия для производства жидкого и газообразного топлива

Прямое сжигание является наиболее распространенным методом преобразования биомассы в полезную энергию. Всю биомассу можно сжигать непосредственно для обогрева зданий и воды, для производства тепла в промышленных процессах и для выработки электроэнергии в паровых турбинах.

Термохимическая конверсия биомассы включает пиролиз и газификацию . Оба являются процессами термического разложения, при которых сырьевые материалы биомассы нагреваются в закрытых сосудах под давлением, называемых газификаторами , при высоких температурах. В основном они отличаются температурой процесса и количеством кислорода, присутствующего в процессе конверсии.

• Пиролиз включает нагревание органических материалов до 800–900 ^o F (400–500 ^o C) при почти полном отсутствии свободного кислорода. Пиролиз биомассы позволяет производить такие виды топлива, как древесный уголь, бионефть, возобновляемое дизельное топливо, метан и водород.
• Гидроочистка используется для обработки бионефти (полученной путем быстрого пиролиза ) водородом при повышенных температурах и давлениях в присутствии катализатора для производства возобновляемого дизельного топлива, возобновляемого бензина и возобновляемого реактивного топлива.
• Газификация предполагает нагрев органических материалов до 1400–1700 ^o F (800–900 ^o C) с впрыскиванием контролируемых количеств свободного кислорода и/или пара в сосуд для получения газа с высоким содержанием монооксида углерода и водорода, называемого синтез-газом или синтез-газом . Сингаз можно использовать в качестве топлива для дизельных двигателей, для отопления и для выработки электроэнергии в газовых турбинах. Его также можно обрабатывать для отделения водорода от газа, а водород можно сжигать или использовать в топливных элементах. Сингаз может быть дополнительно переработан для производства жидкого топлива с использованием процесса Фишера-Тропша.

Процесс химической конверсии, известный как переэтерификация , используется для преобразования растительных масел, животных жиров и жиров в метиловые эфиры жирных кислот (МЭЖК), которые используются для производства биодизельного топлива.

Биологическая конверсия включает ферментацию для преобразования биомассы в этанол и анаэробное сбраживание для получения возобновляемого природного газа. Этанол используется в качестве автомобильного топлива. Возобновляемый природный газ, также называемый биогазом или биометаном , производится в анаэробных реакторах на очистных сооружениях, а также на молочных и животноводческих предприятиях. Он также образуется на свалках твердых отходов и может быть уловлен ими. Должным образом обработанный возобновляемый природный газ используется так же, как природный газ из ископаемого топлива.

Исследователи работают над усовершенствованием этих методов и разработкой других способов преобразования и использования большего количества биомассы для получения энергии.

Сколько биомассы используется для получения энергии?

В 2021 году биомасса обеспечила около 4 835 триллионов британских тепловых единиц (ТБТЕ), или около 4,8 квадриллионов БТЕ, что составляет около 5% от общего потребления первичной энергии в США. Из этого количества около 2 316 ТБТЕ приходится на биотопливо (в основном этанол), 2 087 ТБТЕ приходится на древесину и биомассу, полученную из древесины, и 431 ТБТЕ приходится на биомассу твердых бытовых отходов и сточных вод, навоз животных и побочные продукты животноводства.

Объемы (в ТБте) и процентные доли от общего потребления энергии биомассы в США по секторам потребления в 2021 году составили:

транспорт — 1477 ТБТЕ — 31%

жилая — 464 ТБТЕ — 10%

электрическая мощность—435 ТБТЕ—9%

коммерческая — 147 ТБТЕ — 3%

На промышленный и транспортный сектор приходится наибольшее количество энергии с точки зрения содержания энергии и наибольшая процентная доля от общего годового потребления биомассы в США. В деревообрабатывающей и бумажной промышленности биомасса используется на комбинированных теплоэлектростанциях для получения технологического тепла и для выработки электроэнергии для собственных нужд. На жидкое биотопливо приходится большая часть потребления биомассы транспортным сектором.

В жилом и коммерческом секторах для отопления используются дрова и древесные гранулы. Коммерческий сектор также потребляет, а в некоторых случаях продает возобновляемый природный газ, произведенный на муниципальных очистных сооружениях и на полигонах отходов.

В секторе электроэнергетики отходы древесины и биомассы используются для выработки электроэнергии для продажи другим секторам.

Соединенные Штаты являются нетто-экспортером энергии биомассы

С точки зрения содержания энергии, в 2021 году Соединенные Штаты экспортировали больше энергии биомассы, чем импортировали. В 2021 году Соединенные Штаты были нетто-экспортером биотоплива в целом.

Топливо из уплотненной биомассы (древесные пеллеты и другое топливо из уплотненной биомассы) в последние годы стало экспортным товаром США. В 2021 г. США экспортировали около 8 млн т древесных топливных пеллет (см. Таблицу 8).

Последнее обновление: 2 июня 2022 г., самые последние данные доступны на момент обновления; данные за 2021 год предварительные.

Основы энергии биомассы | NREL

Энергия биомассы или «биоэнергия» — это энергия растений и растительных материалов.

Текстовая версия

Биомасса используется с тех пор, как люди начали сжигать древесину для приготовления пищи и хранения
тепло. Сегодня древесина по-прежнему является крупнейшим источником энергии из биомассы. Другие источники включают
продовольственные культуры, травянистые и древесные растения, отходы сельского или лесного хозяйства, богатые нефтью
водоросли, органическая составляющая коммунальных и промышленных отходов. Даже пары
со свалок (которые содержат метан, основной компонент природного газа) можно использовать
как источник энергии из биомассы.

Биомасса может быть использована для производства топлива, энергии и продуктов, которые в противном случае производились бы из ископаемого топлива.

Видение NREL заключается в разработке технологий для биоперерабатывающих заводов, которые будут преобразовывать биомассу в ряд ценных видов топлива, химикатов, материалов и
продукции — так же, как это делают нефтеперерабатывающие и нефтехимические заводы.

Биоэнергетические технологии

Биотопливо

Биотопливо – это транспортное топливо, такое как этанол и биодизель, полученное путем преобразования
биомассы в жидкое топливо для удовлетворения транспортных потребностей. Узнайте больше о биотопливе.

Биоэнергетика

Технологии биоэнергетики преобразуют возобновляемое топливо из биомассы в тепло и электроэнергию с использованием
один из трех процессов: горение, бактериальное разложение и преобразование в газообразное/жидкое топливо.

Биопродукты

Помимо электричества и топлива, биомасса также может быть преобразована в химические вещества для производства пластмасс и других продуктов, которые обычно изготавливаются из
нефть.

Преимущества биомассы

Биомасса может дать множество преимуществ.

Сокращение выбросов парниковых газов

Использование энергии биомассы может значительно сократить выбросы парниковых газов.
При сжигании биомассы выделяется примерно такое же количество углекислого газа, как при сжигании ископаемого топлива.
топлива. Однако ископаемое топливо выделяет углекислый газ, захваченный фотосинтезом, миллионы
лет назад — по существу «новый» парниковый газ. Биомасса, с другой стороны, высвобождает
углекислый газ, который в значительной степени уравновешивается углекислым газом, захваченным в собственном
роста (в зависимости от того, сколько энергии было потрачено на выращивание, сбор и переработку топлива).
Однако исследования показали, что вырубка лесов для выращивания биомассы приводит к
штраф, который окупается десятилетиями, поэтому лучше всего, если биомасса будет выращиваться на ранее
расчищенные земли, такие как малоиспользуемые сельскохозяйственные угодья.

Снижение зависимости от иностранной нефти

Использование биомассы может снизить зависимость от иностранной нефти, поскольку биотопливо является единственным
доступны возобновляемые жидкие транспортные топлива.

Поддержка сельскохозяйственной и лесной промышленности США

Энергия биомассы поддерживает сельскохозяйственную и лесную промышленность США.