1.1: Системи перетворення біоенергії

Серхіо Капареда

Кафедра біологічної та сільськогосподарської інженерії

Техаський університет A&M

Коледж-Стейшн, Техас, Сполучені Штати Америки

Ключові умови

Біодизель	Піроліз	Енергетичний баланс
Біоетанол	газифікація	Економічна оцінка
Біогаз	горіння	Проблеми сталого розвитку

Змінні

• A = ануїтет або сума платежу за період
• η _e = загальна ефективність перетворення
• n = загальна кількість платежів або періодів
• P = початковий основний капітал або сума кредиту
• R = норма прибутковості або облікова ставка
• r = процентна ставка за період

Вступ

У цьому розділі розглядається важливість аналізу енергетичного балансу та економічної життєздатності систем перетворення біомаси. В принципі, енергія, яка використовується для виробництва, перетворення та використання біомаси, повинна бути меншою, ніж енергетичний вміст кінцевого продукту. Наприклад, одним з найбільших енергетичних компонентів для вирощування біомаси є добриво (Pimentel, 2003), тому цей компонент повинен бути включений в аналізи енергетичних систем. У цьому розділі також представлені деякі шляхи перетворення біомаси та описуються різні продукти та супутні продукти перетворення, з акцентом на техніко-економічні показники для оцінки доцільності конкретної системи перетворення. Оцінка стійкості палива, матеріалів та супутніх продуктів, отриманих з біомаси, включає, серед іншого, три ключові компоненти: енергетичний баланс, вплив на навколишнє середовище та економічну вигоду. Цей розділ присвячений, перш за все, енергетичному балансу та економічним питанням, що впливають на біоенергетичні системи.

Результати

Прочитавши цю главу, ви повинні мати можливість:

• • Диференціювати декілька загальних систем та шляхів перетворення біоенергії та визначити деякі проблеми, пов'язані з їх енергетичним балансом та економічною життєздатністю
• • Розрахувати основні маси та енергетичний баланс певної системи перетворення біоенергії
• • Розрахуйте основні економічні параметри, щоб отримати уявлення про загальну економічну життєздатність

Поняття

Основними комерційними видами палива, що використовуються у світі сьогодні, є природний газ, бензин (бензин), авіаційне паливо, дизельне паливо, мазут та тверде паливо, таке як вугілля. Ці комерційні викопні види палива можуть бути замінені біопаливом та твердим паливом, отриманим з біомаси, використовуючи технології перетворення. Існують конкретні ресурси біомаси, які добре підходять для кожної технології перетворення. Наприклад, цукрові культури (цукрова тростина та солодке сорго) є хорошою сировиною для перетворення біоетанолу; олійні культури (соя та ріпакова олія) є ідеальною сировиною для виробництва біодизеля; а лігноцелюлозна біомаса (наприклад, деревні відходи, гній тварин або трави) є основним субстратом для виробництва біогазу. Системи теплового перетворення перетворюють усі інші ресурси біомаси в цінні продукти.

Заміна цих первинних видів палива альтернативами на біологічній основі є одним із способів вирішення проблеми енергетичної стійкості. Тепло та електроенергія, необхідні у всьому світі, також можуть вироблятися шляхом перетворення біомаси за допомогою термохімічних процесів перетворення, таких як піроліз та газифікація, для отримання синтез-газу (або також називається синтез-газ, коротша версія). Синтез-газ можна спалювати для отримання тепла і може бути ретельно очищений від смоли і використовуватися в двигуні внутрішнього згоряння для отримання механічної або електричної енергії. Майбутні світові вимоги до інших основних потреб енергії та енергії можуть бути задоволені за допомогою широкого спектру ресурсів біомаси, включаючи олійні та цукрові культури, гній тварин, рослинні залишки, тверді побутові відходи (ТПВ), паливну деревину, водні рослини, такі як мікроводорості, та спеціалізоване енергетичне землеробство для виробництва енергії. Три первинні продукти термічного перетворення - твердий біо-вугілля, рідина та синтез-газ.

Система перетворення енергії біомаси може виробляти один або більше з чотирьох основних продуктів: тепло, електроенергія, паливо та сировина. Мета будь-якого процесу перетворення - досягти максимально можливої ефективності перетворення за рахунок мінімізації втрат. Ефективність перетворення енергії для будь-якого виду продукції може бути розрахована як:

\[ \text { Energy Conversion Efficiency }(\%)=\frac{\text { Energy Output }(\mathrm{MJ})}{\text { Energy Input }(\mathrm{MJ})} \times 100 \% \label{1} \]

Існує три основні шляхи перетворення біомаси (рис.\(\PageIndex{1}\)): фізико-хімічний, біологічний та тепловий. Фізико-хімічна конверсія - це використання хімічних речовин або каталізаторів для перетворення при навколишніх або злегка підвищених температурах. Біологічним є використання специфічних мікробів або ферментів для отримання цінних продуктів. Термохімічне перетворення відбувається при підвищеній температурі (а іноді і тиску) для перетворення. Продукти перетворення біомаси можуть замінити звичайні хімічні речовини, отримані з викопних ресурсів (наприклад, молочну кислоту), паливо (наприклад, дизель) та матеріал (наприклад, гіпс). Цей розділ присвячений енергії, отриманої шляхом біоконверсії.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Шляхи перетворення ресурсів біомаси в енергію.

Виробництво біодизеля

Рафіновані рослинні масла і жири перетворюються в біодизель, сумісний з дизельним паливом, шляхом фізико-хімічної конверсії за допомогою простого каталітичного процесу з використанням метанолу (CH ₃ OH) і гідроксиду натрію (NaOH) при злегка підвищеній температурі. Процес називається переетерифікацією. Рослинні олії також називають тригліцеридами, оскільки їх хімічна структура складається з гліцерину, прикріпленого до трьох молекул жирних кислот ефірними зв'язками. Коли ефірні зв'язки розриваються каталізатором, гліцерин виробляється і з'єднання жирних кислот перетворюється в його форму метилового ефіру, що є технічним терміном для біодизеля. Поєднання метанолу та гідроксиду натрію призводить до утворення сполуки під назвою метоксид натрію (CH ₃ onA), яка є найпоширенішим комерційним каталізатором виробництва біодизеля. Основним балансом маси для процесу є:

100 кг рослинного масла + 10 кг каталізаторів → 100 кг біодизеля+10 кг гліцерину

Енергетичний баланс залежить від конкретної конструкції об'єкта. Щоб продукт біодизеля вважався життєздатним, енергія в біодизелі повинна перевищувати енергію, що використовується для виробництва рослинного масла, що використовується для процесу. У комерційній системі процес переетерифікації розбивається на кілька етапів (рис.\(\PageIndex{2}\)). Метанол і каталізатори відновлюються після всіх етапів, щоб мінімізувати витрату каталізатора. Сирий гліцерин також відновлюється на кожному етапі, щоб мінімізувати використання надлишку метанолу. Залишок каталізатора - кількість повинна бути розрахована точно - потім вводиться на останньому етапі процесу. Ця реакція останнього етапу мінімізує нереакційні моногліцериди (або залишки гліцерину, який все ще має жирну кислоту, прикуту до нього через ефірний зв'язок). Якщо використовується соєва олія, отриманий біодизельний продукт називається соєвим метиловим ефіром, найпоширенішим продуктом біодизеля у Сполучених Штатах. В Європі ріпакова (ріпакова) олія є найбільш поширеною сировиною, яка виробляє ріпаковий метиловий ефір. Гліцериновий побічний продукт додатково очищається для поліпшення його комерційної цінності.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Схема комерційного процесу виготовлення біодизельного палива.

Виробництво біоетанолу

Біоетанол, сумісний з бензином або бензином, виробляється з цукрових, крохмалистих або лігноцелюлозних культур з використанням мікробів або ферментів. Цукор з сільськогосподарських культур легко перетворюється на етанол за допомогою дріжджів (наприклад, Saccharomyces cerevisiae) або інших подібних мікробів, тоді як крохмалисті культури потребують ферментів (наприклад, амілази), які перетворюють крохмаль у цукор, а дріжджі потім діють на цукри для отримання біоетанолу. Лігноцелюлозні культури потребують подібних ферментів (наприклад, ферментів, що виробляються Trichoderma reesei) для розщеплення целюлози на прості цукри. Основний баланс маси для перетворення рослинних цукрів з біомаси в етанол (C ₂ H ₆ O) також дає тепло:

\(\mathrm{C}_{6} \mathrm{H}_{12} \mathrm{O}_{6}+\text { yeast } \rightarrow 2 \mathrm{C}_{2} \mathrm{H}_{6} \mathrm{O}+2 \mathrm{CO}_{2}(+\text { heat })\)

Найбільш поширеною сировиною для виробництва біоетанолу в США є суха подрібнена кукурудза (кукурудза; зеа майс). В процесі (рис.\(\PageIndex{3}\)) сухі кукурудзяні ядра подрібнюють, потім до порошкоподібного матеріалу додають воду при нагріванні (або клейстеризації), щоб зварити крохмаль і розщепити його за допомогою ферменту амілази (оцукрювання). Цей процес перетворює крохмаль в цукру. Отриманий продукт (переважно глюкоза) потім перетворюється в біоетанол за допомогою дріжджового бродіння протягом 3-5 днів з балансом маси:

\(2 \mathrm{C}_{6} \mathrm{H}_{10} \mathrm{O}_{5}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}+\text { amylase } \rightarrow \mathrm{C}_{12} \mathrm{H}_{22} \mathrm{O}_{11}\)

або

\(\mathrm{C}_{12} \mathrm{H}_{22} \mathrm{O}_{11}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}+\text { invertase } \rightarrow 2 \mathrm{C}_{6} \mathrm{H}_{12} \mathrm{O}_{6}\)

У цьому поданні складні молекули крохмалю представлені повторюваними одиницями полімерів глюкози [(C ₆ H ₁₀ O ₅) _n] з n - будь-якою кількістю ланцюгів. Фермент амілаза перетворює цей полімер в прості сполуки, такі як сахароза (C ₁₂ H ₂₂ O ₁₁), дисахарид, що має всього дві молекули глюкози. Як варіант, фермент інвертаза використовується для розщеплення сахарози на цукор глюкози. Дріжджі, такі як комерційні дріжджі Етанол Червоний (розповсюджується Fermentis з Lesaffre, Франція і продаються по всьому світу) діють на цукровий продукт для перетворення цукру в біоетанол. Отриманий продукт (бульйон) називають пивом, оскільки вміст алкоголю в ньому дуже близький до 10%. Тверду порцію дистиляторів називають зерном, яке зазвичай сушать і згодовують тваринам. Пиво переганяють для отримання твердих речовин (відомих як дно або ще дно) і для відновлення 90-95% біоетанолу (зазвичай 180-190 доказ), який потім очищається за допомогою молекулярних сит. (Молекулярне сито - це кристалічна речовина з порами ретельно відібраних молекулярних розмірів, які дозволяють проходити, в даному випадку, тільки молекули етанолу.) Кінцевий відокремлений і очищений продукт потім можна змішувати з бензином або використовувати окремо.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Схема комерційного процесу виготовлення біоетанолу за допомогою сухого помелу.

Виробництво біогазу

Біогаз, який складається переважно з метану (CH ₄; також називається природним газом) та вуглекислого газу (CO ₂), виробляється з лігноцелюлозної біомаси мікробами в анаеробних умовах. Відповідні мікроби зазвичай зустрічаються в шлунках жуйних тварин (наприклад, корів). Ці мікроби перетворюють складні целюлозні матеріали в органічні кислоти за допомогою гідролізу або ферментації; ці великі органічні кислоти додатково перетворюються на простіші органічні кислоти (наприклад, оцтові кислоти) та водневий газ. Водень і деякі органічні кислоти, що включають CO ₂, додатково перетворюються в CH ₄ і CO ₂ як дихальні гази цих мікробів. Біогаз (CO ₂ + CH ₄) такий же, як природний газ (CH ₄), якщо компонент CO ₂ видаляється. Природний газ є загальним паливом, одержуваним шляхом переробки сирої нафти.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Схематичне зображення різних конструкцій високоефективних біогазових котлів.

Існують різні конструкції високошвидкісних анаеробних котлів для виробництва біогазу (рис.\(\PageIndex{4}\)), які зазвичай використовуються на очисних спорудах у всьому світі. Простіші варильні апарати використовують анаеробні фільтри з висхідним і нижнім потоком, основні киплячі шари, розширені шари та анаеробні контактні процеси. Однією з популярних конструкцій з Нідерландів є висхідний потік анаеробного мулу ковдру (або UASB) (Letingga et al., 1980). Удосконалення UASB включають анаеробний псевдозріджений шар і розширений шар гранульований мул ковдри конструкції реактора. Високошвидкісні системи зазвичай зустрічаються в Європі, але їх мало в США. Більшість біогазових установок в США просто покриті лагунами.

Піроліз біомаси

Піроліз - це процес термічного перетворення при підвищених температурах при повній відсутності кисню або окислювача. На малюнку 1.1.5 показані виходи і застосування піролізу. Первинними продуктами є твердий біо-вугілля, рідкий та газоподібний синтез-газ. Співвідношення цих супутніх продуктів залежать від температури, часу утримання та типу використовуваної біомаси. Якість і величина виробів також залежать від використовуваного реактора. Простими правилами процесів піролізу біомаси є:

1. 1. Вихід твердого біо-вугілля (або деревного вугілля) максимізується при найнижчій температурі піролізу та найдовшому часі перебування.
2. 2. Вихід рідини зазвичай максимальний при температурах від 400° C до 600° C.
3. 3. Синтез-газ, або синтез-газ, максимізується при найвищій робочій температурі. Основними компонентами синтез-газу є окис вуглецю (СО) і водень (Н ₂). Інші складові гази включають вуглеводні з нижчою молекулярною масою, такі як CH _{4, етилен (C 2 H 4}) та етан (C ₂ H ₆).

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Виходи та застосування піролізу біомаси.

Біо-вугілля може використовуватися як поправка до ґрунту для забезпечення вуглецю та поживних речовин при внесенні до сільськогосподарських угідь. Високовуглецевий біо-вугілля також може бути модернізований до активованого вугілля, дуже високо цінного адсорбенту матеріалу для процесів очищення води та стічних вод. Найвище значення для біо-вугілля досягається, коли вуглець очищається від усіх неорганічних речовин для отримання графенових продуктів, які є одними з найтвердіших матеріалів, виготовлених з вуглецю.

Якість рідкого продукту (біомасла) підвищується або покращується з коротким часом перебування, наприклад, в системах піролізу з псевдозрідженим шаром, але не за допомогою шнекових піролізаторів. Шнекові піролізатори зазвичай мають тривалий час перебування. Короткий час перебування породжує менш в'язке біомасло, яке легко модернізувати на біопаливо (бензин або дизель) за допомогою каталізаторів. Біо-масло з процесу піролізу має широкий спектр застосування (рис.\(\PageIndex{5}\)). Цінні хімічні речовини можуть бути витягнуті; незмінене біомасло може бути модернізовано за допомогою каталітичних процесів для генерації транспортного палива; і може бути спільно спалений в двигуні для виробництва електроенергії або в котлі для отримання тепла.

Синтез-газ може просто спалюватися, оскільки він виробляється для отримання тепла. Однак синтез-газ може знадобитися очистити від смоли перед використанням в двигуні внутрішнього згоряння. Для отримання електричної енергії цей двигун внутрішнього згоряння пов'язаний з генератором.

Газифікація біомаси

Газифікація - це часткове теплове перетворення біомаси для отримання синтез-газу. У старих підручниках цей газ також називають синонімом «видобувний газ». Синтез-газ можна спалювати для отримання тепла або очищати від смоли і використовувати в двигуні внутрішнього згоряння для виробництва електроенергії. Синтез-газ також може використовуватися як сировина для отримання біо-бутанолу з використанням мікробів, які також виробляють біопаливні субпродукти. Існують численні типи та конструкції газифікаторів, включаючи системи з фіксованим шаром (газифікатори з висхідною, вниз або поперечною тягою) та системи рухомого шару (системи газифікації з псевдозрідженим шаром).

Система газифікації з псевдозрідженим шаром показана на рис\(\PageIndex{6}\). Біомаса безперервно подається у великий бункер для біомаси. Реактор з псевдозрідженим шаром містить матеріал шару, як правило, вогнетривкий пісок, для перенесення тепла, необхідного для реакції. Співвідношення повітря до палива регулюється таким чином, щоб кількість повітря була нижчою за стехіометричну вимогу для згоряння (тобто згоряння є неповним) для забезпечення виробництва синтез-газу замість тепла і водяної пари. Тверда речовина, що залишилася після часткового теплового перетворення, - це високовуглецевий біовугілля, який видаляється за допомогою серії циклонів. Найпростішим застосуванням цієї системи є отримання тепла шляхом спалювання синтез-газу. Якщо потрібна електрична потужність, то синтез-газ повинен бути очищений від смоли для використання в двигуні внутрішнього згоряння для вироблення електроенергії. Ефективність перетворення систем газифікації зазвичай становить менше 20%. Середнє значення, яке слід використовувати для швидкої оцінки випуску, становить близько 15% загальної ефективності перетворення.

спалювання біомаси

Пряме спалювання біомаси було традиційною практикою протягом століть; спалювання деревини для отримання тепла для приготування їжі є прикладом. Спалювання є найбільш ефективним процесом теплового перетворення для цілей виробництва тепла і електроенергії. Однак не так багато продуктів з біомаси можна спалювати через високий вміст золи та води в більшості сільськогосподарських продуктів біомаси. Зольний компонент може плавитися при більш високих температурах горіння, в результаті чого виникають явища, звані зашлакованістю і забрудненням. Розплавлена зола утворює шлак, який накопичується на транспортуючих поверхнях (фоли) при охолодженні.

Економічна оцінка біоенергетичних систем

Комерційні біоенергетичні об'єкти знецінюються щороку. Точної оцінки значень амортизації немає, але потенційний інвестор може використовувати цей параметр для економії на капітальних витратах щороку від виручки комерційного об'єкта таким чином, що в кінці терміну експлуатації об'єкта інвестор готовий інвестувати в високоприбуткові проекти.

Існує ряд простих методів, які інженери можуть використовувати для аналізу економічного амортизації біоенергетичних об'єктів. Базова економічна оцінка потрібна на початку проектування системи, щоб з'ясувати доцільність до значних капітальних інвестицій. Оцінка економічної доцільності починається з аналізу постійних (або капітальних) витрат і змінних (або експлуатаційних) витрат (Watts and Hertvik, 2018). Фіксовані витрати включають капітальну вартість таких активів, як об'єкти переробки біомаси, земля, обладнання та транспортні засоби, а також амортизація об'єктів та обладнання, податки, житло, страхування та відсотки на позикові гроші. Змінні витрати - це щоденні або щомісячні експлуатаційні витрати на виробництво продукту з біомаси. Змінні витрати пов'язані з сировиною та хімікатами, ремонтом та обслуговуванням, водою, паливом, комунальними послугами, енергією, робочою силою, управлінням та утилізацією відходів. \(\PageIndex{7}\)На малюнку показана взаємозв'язок між цими двома основними економічними параметрами. Постійні витрати не змінюються в залежності від часу та випуску, тоді як змінні витрати збільшуються з часом та виходом продукту. Загальна вартість проекту - це сума постійних і змінних витрат. Змінні витрати на одиницю продукції зменшуються зі збільшенням обсягу випуску продукції, тому рентабельність продукту може залежати від виробленої кількості.

Малюнок\(\PageIndex{6}\): Принципова схема газифікатора з псевдозрідженим шаром.

Малюнок\(\PageIndex{7}\): Взаємозв'язок між капітальними витратами (CAPEX) та операційними витратами (OPEX) для біоенергетичного проекту.

Для оцінки економічних переваг біоенергетичного проекту зазвичай використовуються деякі інші економічні параметри (Стаут, 1984), включаючи чисту поточну вартість; коефіцієнт витрат на вигоду, період окупності, аналіз точки беззбитковості та внутрішню норму прибутковості. Аналізи повинні враховувати взаємозв'язок між часом і вартістю грошей. Основними рівняннями оцінки теперішньої та майбутньої вартості інвестицій є:

\[ \text { Present Value }=\mathrm{PV}=\mathrm{FV} \times \frac{1}{(1+R)^{n}} \label{2} \]

\[ \text { Future Value }=\mathrm{FV}=\mathrm{PV} \times(1+R)^{n} \label{3} \]

де R = норма прибутковості або облікова ставка (десяткова)

n = кількість періодів (без одиниць)

Внутрішня норма прибутковості - дисконтована ставка, яка робить чисту поточну вартість всіх грошових потоків від конкретного проекту рівною нулю. Чим вище внутрішня норма прибутковості, тим економічніше бажаний проект. Чиста приведена вартість (Рівняння 1.1.4) - це різниця між поточною вартістю надходжень грошових коштів та поточною вартістю грошових відтоків. Позитивна чиста приведена вартість означає, що прибуток від проекту перевищує очікувані витрати. Коефіцієнт витрат на вигоду (Рівняння 1.1.5) - це співвідношення між перевагами проекту та витратами. Бажані значення більше 1. Період окупності (Рівняння 1.1.6) - це тривалість часу, необхідного для відшкодування вартості інвестицій.

PV = поточна вартість грошового потоку

FV = майбутня вартість грошового потоку

NPV = чиста поточна вартість

BCR = коефіцієнт витрат на вигоду

PBP = термін окупності

BEP = точка беззбитковості

IRR = внутрішня норма прибутковості

DCFROR = дисконтований грошовий потік прибутку, інша назва IRR

SYD = цифра суми років, метод амортизації

\[ \text { Net Present Value }=\mathrm{NPV}=\sum_{\mathrm{n}=1}^{\mathrm{N}} \frac{\text { cash inflow }}{(1+\mathrm{i})^{\mathrm{n}}}-\text { cash outflow } \label{4} \]

\[ \text { Benefit Cost Ratio }=\mathrm{BCR}=\frac{\text { project benefits }}{\text { project costs }} \label{5} \]

\[ \text { Payback Period }=\mathrm{PBP}(\text { years })=\frac{\text { project costs }}{\text { annual cash inflows }} \label{6} \]

При оцінці фіксованої вартості проекту основними складовими витрат є амортизація і відсотки за позиковими грошима. Існує безліч способів оцінки амортизації об'єкта. Двома найбільш поширеними та простими методами є прямолінійна амортизація (рівняння 1.1.7) та метод розрядної амортизації суми років (SYD) (Рівняння 1.1.8).

\[ \text { Straight Line Depreciation }(\$)=\frac{\text { Principal-Salvage Value }}{\text { Life of Unit }} \label{7} \]

\[ \text { SYD Depreciation(\$) }=\text { Depreciation Base } \times \frac{\text { Remaining Useful Life }}{\text { Sum of Years' Digits }} \label{8} \]

У рівнянні 1.1.8 амортизаційна база - це різниця між початковою капітальною вартістю ($) та залишковою вартістю активу ($). Сума цифр років - це серія сум: 1, 2, 3, до n, де n - термін корисного використання активу в роках, як показано в Рівнянні 1.1.9:

\[ \text { Sum of Years' Digits }=\mathrm{SYD}=\frac{n(n+1)}{2} \label{9} \]

Інша велика частина капітальних витрат - відсотки на позикові гроші. Зазвичай це відсоток (процентна ставка), що стягується банком виходячи з суми кредиту. Керівне рівняння без включення залишкової вартості (Рівняння 1.1.10) схоже на розрахунок амортизації для суми кредиту:

\[ \text { Annuity }=A=P \times\left(\frac{r \times(1+r)^{n}}{(1+r)^{n}-1}\right) \label{10} \]

де

A = ануїтет або сума платежу за період ($)

P = початковий основний капітал або сума кредиту ($)

r = процентна ставка за період (%)

n = загальна кількість платежів або період (без одиниць)

Існує багато інструментів, що використовуються для економічної оцінки енергетичної системи, але одним з найпопулярніших є HOMER Pro (або гібридна оптимізаційна модель для відновлення енергії), розроблена Пітером Лілієнталем з Міністерства енергетики США (USDOE) з 1993 року (Lilienthal and Lambert, 2011). Модель включає системний аналіз та оптимізацію для енергосистем, підключених до мережі, для віддаленого, автономного та розподіленого застосування відновлюваних джерел енергії. Він має три потужні інструменти для моделювання енергетичних систем, оптимізації та аналізу економічної чутливості (Capareda, 2014). Програмне забезпечення поєднує інженерно-економічні аспекти енергетичних систем. Цей тип інструменту використовується для планування та проектування комерційних систем, але його прості рівняння можуть бути використані спочатку для оцінки фундаментальної життєздатності проекту перетворення біомаси.

Проблеми сталого розвитку в системах перетворення енергії біомаси

Міністерство енергетики США (USDOE) та Міністерство сільського господарства США (USDA) визначають стійке біопаливо як такі, які є «економічно конкурентоспроможними, зберігають природно-ресурсну базу та забезпечують соціальне благополуччя». Збереження ресурсної бази вказує на збереження енергії, тобто вироблене паливо повинно мати більше енергії, ніж загальна енергія, яка використовується для виробництва палива. Одним з найбільш поширених показників стійкості використання біомаси є використання енергії протягом усього життєвого циклу виробництва. Для цієї оцінки використовуються два заходи: коефіцієнт чистої енергії (NER) (Рівняння 1.1.11) та баланс чистого енергії (NEB) (Рівняння 1.1.12). NER повинен бути більшим за 1, а NEB повинен бути позитивним, щоб система вважалася стійкою з енергетичної точки зору.

\[ \mathrm{NER}=\frac{\text { Energy Content of Fuel }(\mathrm{MJ})}{\text { Energy Required to Produce the Biofuel }(\mathrm{MJ})} \label{11} \]

 

Теплотворність біопалива визначається як кількість тепла, що виробляється при повному згорянні палива, вимірюється як одиниця енергії на одиницю маси.

Додатки

Інженери, призначені для проектування, експлуатації та управління комерційним біодизельним заводом, повинні вирішити, яку робочу систему прийняти. Найдешевшим і поширеним є використання самопливу для поділу біодизеля (зазвичай верхнього шару) і гліцерину (нижнього шару). Прикладом цього комерційного операційного об'єкта є завод біодизеля на 3 мільйони галонів на рік (MGY) (11,36 мл/рік) в Дейтоні, штат Техас, експлуатується компанією AgriBiofuels, LLC. Цей об'єкт почав експлуатацію в 2006 році і знаходиться в експлуатації до цих пір. Відновлення біодизеля для цього об'єкта трохи нижче, ніж у вдосконалених систем розділення, керованих комп'ютером, за допомогою центрифуг. Цей об'єкт також не дотримується ідеального технологічного потоку (показаного на малюнку 1.1.2), який використовується багатьма іншими комерційними об'єктами. Таким чином, можна було б очікувати, що ефективність їх конверсії та відновлення біодизеля будуть нижчими.

Виробництво біодизеля є ефективним процесом перетворення біомаси. Ідеальним рівнянням балансу маси, представленим раніше, є:

100 кг рослинного масла + 10 кг каталізаторів → 100 кг біодизеля+10 кг гліцерину

Співвідношення показує, що еквівалентна маса біодизеля виробляється на кожну одиницю використаної маси рослинного масла, але на цьому шляху є втрати, і інженери повинні враховувати ці втрати при проектуванні комерційних об'єктів. У комерційному біодизельному обладнанні процес переетерифікації розділений на кілька реакторів (наприклад, рис.\(\PageIndex{2}\)). Однак, щоб заощадити на капітальних витратах, деякі керівники заводу просто ділять процес на два етапи. Поділ гліцерину і біодизельного палива - теж питання, з яким зіткнеться інженер. Ефективні системи сепарації, які використовують центрифуги, коштують дорого порівняно з фізичним розділенням, і це впливає на загальну економічність об'єкта. Якщо доступний початковий капітал обмежений, інвестори, як правило, вибирають більш дешеве фізичне розділення сили тяжіння замість використання центрифуг. Crown Iron Works (у Блейні, штат Міннесота) продає недорогі біодизельні установки, які використовують гравітаційне розділення, тоді як GEA Wesfalia (Oelde, Німеччина) продають більш дорогі біодизельні установки, які використовують сепарацію центрифугою. Остання, дорога, система більш ефективна при розділенні гліцерину і біодизельного палива і може бути вигідною в довгостроковій перспективі, дозволяючи об'єкту продавати гліцеринові продукти з мінімальним забрудненням. Інженер може порівнювати ці системи з точки зору витрат і ефективності. Зрештою, рівняння 1.1.2 використовується для проектування та визначення розмірів комерційного заводу для визначення щоденної, щомісячної або щорічної потреби в рослинній олії. Це означає, що інженер повинен визначити площу сільськогосподарських угідь, необхідну як для об'єкта, так і для постачання біомаси. Існують стандартні таблиці врожайності олійних культур, які використовуються. Наприклад, найвищий урожай олії припадає на пальмову олію, при цьому виробництво олії понад 7018 кг на гектар порівняно з 2,245 ц/га для соєвої олії (Capareda, 2014).

Проектування, будівництво та експлуатація комерційного біоетанолу також вимагає знань, перш за все, про тип сировини для використання. На відміну від біодизельного заводу, де у менеджера можуть бути різні варіанти використання численних видів рослинних олій без зміни конструкції, біоетанольний завод досить обмежений використанням певної сировини. Основним вибором є цукрові культури, крохмалисті культури або лігноцелюлозна біомаса. Конструкції для цих трьох різних видів сировини не однакові; використання лігноцелюлозної біомаси в якості сировини є найбільш складним. Найпростішими є цукрові культури, але солодкий сік деградує дуже швидко, і тому більшість комерційно діючих біоетанольних заводів у США використовують крохмалисті культури, такі як кукурудза. Зерна кукурудзи можна висушувати, подрібнювати та зберігати в мішках для подальшого перетворення, не втрачаючи своєї потенції. Прикладами комерційних заводів біоетанолу з використанням лігноцелюлозної сировини є ті, що будуються POET (Сіу-Фоллс, Південна Дакота) в Емметсбурзі, штат Айова, з використанням кукурудзяних качанів (25 MGY або 94,6 мл/рік), а інший Dupont (Вілмінгтон, штат Делавер) в штаті Невада, штат Айова, з використанням кукурудзяної печі (30 МГР або 113,6 мл/рік).

Біоетанол — ефективний біопаливний продукт. Інженери повинні знати про енергетичні та масові баланси, необхідні для виробництва біопалива, хоча для процесів також використовуються інші відходи. Оскільки потенційна врожайність біоетанолу з сільськогосподарських культур змінюється, конструкція розрахована на конкретну сировину. Найбільший потенційний вихід біоетанолу виходить з топінамбура (Helianthus tuberosus) (11,219 л/га). Порівняйте це з кукурудзою (кукурудза, Zea mays) при звітній врожайності всього 2,001 л/га (Capareda, 2014) і сорго (сорго spp.) очерет (4674 л/га) або зерно (1,169 л/га).

Хоча врожайність є важливою, розташування проекту також є важливим фактором вибору ресурсу для виробництва біоетанолу або біодизеля. Наприклад, топінамбур має найвищий вихід біоетанолу, але росте лише в помірних умовах. Коли біоетанольний бізнес почав бум в США приблизно в 2013 році, виникла проблема з утилізацією побічного продукту процесу, дистиляторів зерна. У ці початкові періоди ці побічні продукти просто утилізувалися з дуже мінімальною вторинною обробкою (наприклад, корми для тварин) або на сміттєзвалище. Зараз з'явилися варіанти вторинної валоризації (тобто для підвищення ціни або вартості первинного продукту), такі як подальша рекуперація енергії та як сировина для таких продуктів, як плівки та мембрани. Ключовими питаннями для інженерів є визначення розмірів рослин та визначення добових, тижневих та щомісячних потреб у ресурсах для вихідної сировини, які можуть бути розраховані за допомогою рівнянь 1.1.3, 1.1.4 та 1.1.5, модифікованих для неефективності на практиці.

Зростаюча кількість тваринницьких споруд скористалася додатковою енергією, отриманою в результаті анаеробного перетравлення гною шляхом перетворення їх лагун на установки з виробництва біогазу. У США крита лагуна все ще є переважною конструкцією біогазового котла. Операція дуже проста, оскільки мікроорганізми, необхідні для виробництва біогазу, вже існують у шлунках жуйних тварин. Ключовими питаннями для інженерів є калібрування (на основі кількості тварин), показники рекуперації енергії, визначення розмірів об'єктів виробництва електроенергії (двигунів), виробництво шламу та енергія, що залишилася в мулі та економічна доцільність. Зростає інтерес до проектування систем, які використовують мул для піролізу для відновлення якомога більшої кількості енергії з вихідної сировини. Коли ці додаткові процеси прийняті, відновлення енергії з відпрацьованої біомаси поліпшується і менше загальних відходів. Хоча мул є відмінним джерелом поживних речовин для сільськогосподарських культур, його енергетичну цінність слід оцінювати проти його цінності добрив. Фінансово енергетичний випадок, ймовірно, виграє, але для оцінки найбільш бажаного варіанту з точки зору сталого розвитку знадобиться цілісний аналіз.

Економічність установки на біопаливі залежить від ціни вихідної сировини, що використовується. Наприклад, 85% витрат на виробництво біодизельного палива припадає на вартість вихідної сировини. Як потенційний кандидат на виробництво біодизеля, якщо ціна рафінованої рослинної олії збігається з ціною дизельного палива, перетворювати рослинну олію в біопаливо неекономічно. Решта 15% зазвичай становить вартість каталізаторів, використовуваних для процесу перетворення (Capareda, 2014). Якщо біодизель виготовляється з будь-якого рафінованого рослинного масла, вартість переробки є найбільшою складовою процесу конверсії. Вартість хімічних речовин і каталізаторів разом зазвичай становить приблизно $0,06/л ($0.22/gal). Хімічні речовини або каталізатори не є обмежуючими факторами при виготовленні біодизеля. Це твердження стосується і біопалива в цілому. Ці виробничі витрати не є значною частиною витрат на виробництво біопалива. Біодизельні каталізатори досить дешеві і рясні. Зазвичай вони не вичерпаються і не стають занадто дорогими, оскільки виробництво збільшується.

У процесі виробництва біоетанолу на вартість палива біоетанолу також в основному впливає ціна використовуваної вихідної сировини, такої як кукурудза, а також ферменти, використовувані для процесу. У процесі також використовуються значні обсяги води, але тільки мінімальна електроенергія. Наприклад, на кожні 3,785 л (1 галон) виробленого біоетанолу потрібно 1,98 м ³ (70 футів ³) природного газу та 155,5 л (41 галон) води (Capareda, 2014). Використання електроенергії становить близько 0,185 кВт·год/л (0,7 кВтг/гал). Отже, якщо вартість електроенергії становить $0.10/kWh, то можна буде витратити лише близько 0,0158/л (0,07/гал). Природний газ використовується для нагрівання пива та відновлення чистого біоетанолу. Через рясне використання води цей вхід води повинен бути перероблений, щоб процес був ефективним та ефективним. Нинішній галузевий стандарт виробництва біоетанолу з зерна становить близько 416,4 до 431,2 л/тонну (2,8—2,9 гал/бушель). Новіша сировина для виробництва біоетанолу повинна перевищувати цю величину.

Економіка виробництва електроенергії за допомогою теплового перетворення, такого як піроліз або газифікація, залежить від продажу електричної енергії. Якщо електростанція МВт, що використовує біомасу, працює безперервно протягом року, електроенергія повинна продаватися за $0.12/кВт-год, щоб досягти валового доходу в розмірі 1 млн доларів. Попередня економічна оцінка економічної віддачі від газифікації для енергооб'єкта може бути завершена шляхом коригування собівартості реалізації. Нарешті, економіка виробництва біопалива з ресурсів біомаси також залежить від ціни сирої нафти від комерційних дистриб'юторів та імпортерів. Біодизель та біоетанол змішуються з комерційним дизельним паливом та бензином і коштують аналогічно. При ціні на сиру нафту нижче 100 доларів за барель, собівартість виробництва біодизеля та біоетанолу також повинна бути менше 100 доларів за барель.

Рисунок\(\PageIndex{8}\): Схема вкладених категорій відновлюваних видів палива США за стандартами відновлюваних видів палива.

Необхідно вирішити питання стійкості виробництва та використання палива. Багато біопалива, виробленого з ресурсів біомаси в США, зараз класифікуються відповідно до їх потенційних скорочень парникових газів і стандартизовані відповідно до категорій стандарту відновлюваних видів палива (RFS) (Рисунок\(\PageIndex{8}\)). Як показано, целюлозне біопаливо - головним чином біоетанол та біодизель (також кодується як D3/D7 відповідно), що надходить з лігноцелюлозної біомаси, мають зареєстроване скорочення парникових газів на 60% порівняно з дизельним паливом на основі біомаси, яке має лише 50% потенціал скорочення парникових газів (також кодується як D4). Біодизель з рослинних олій та етанолу з кукурудзи мають менший потенціал скорочення викидів парникових газів, ніж целюлозне біопаливо та дизельне паливо на основі біомаси Код D6 призначений для відновлюваних видів палива в цілому, виробленого з відновлюваної біомаси і використовується для заміни кількості викопного палива, присутнього в транспортному паливі, опалювальному паливі або реактивному паливі (наприклад, кукурудзяний етанол), а також не підпадає під жодну з інших категорій. Код D5 призначений для вдосконаленого біопалива, крім етанолу, отриманого з кукурудзяного крохмалю (етанолу цукрової тростини) та біогазу з інших котлів відходів.

Хоча коефіцієнт чистої енергії (NER) та чистий енергетичний баланс (NEB) є важливими, їх потрібно поєднувати з оцінками викидів CO ₂ і, можливо, із землекористуванням, щоб зрозуміти основи стійкості використання ресурсів біомаси. Проста оцінка життєвого циклу (ДМС) вугілля та біомаси для виробництва електроенергії (Mann and Spath, 1999) повідомила про викиди 1 022 г CO ₂ на кВт-год електроенергії, виробленої вугіллям, порівняно з лише 46 г CO ₂ /кВт-год електроенергії біомасою. Всупереч думці, що використання біомаси матиме нульові чисті викиди CO ₂, насправді існує деяка кількість CO ₂ виробляється на кожен кВт-год виробленої електроенергії. Важливо також визнати конкуруючі використання землі та біомаси суспільством (рис.\(\PageIndex{9}\)). З одного боку, біомаса використовується для харчових продуктів і кормів (харчовий ланцюг), а з іншого - для матеріалів та енергії (біоекономіка). Усі види використання повинні враховувати зміни клімату, продовольчу безпеку, виснаження ресурсів та енергетичну безпеку. Країнам по всьому світу необхідно створити баланс використання ресурсів біомаси для покращення навколишнього середовища. Майбутні інженери повинні вміти оцінювати використання ресурсів біомаси для виробництва матеріалів та біопалива, а також пов'язати це зі зміною клімату та енергетичною безпекою, не виснажуючи і без того обмежені ресурси.

Міністерство енергетики США створило ієрархію матеріалів і продуктів з ресурсів біомаси (рис.\(\PageIndex{10}\)). На вершині піраміди знаходяться високоцінні тонкі хімічні речовини, такі як ванілін і похідні фенолу, вартістю понад $6500 за тонну. Похідні фенолу можуть бути додатково перетворені на дорогі мастильні матеріали (Maglinao et al., 2019). Далі йдуть високоцінні вуглецеві волокна, такі як графен, за якими слідують фенольні речовини. Існують також нові продукти, такі як 100% друковані інтегральні плати на основі біомаси, розроблені IBM (International Business Machines Corporation, Armonk, NY). Біопаливо знаходиться в середині піраміди, вартістю близько 650 доларів за тонну, з простим відновленням енергії шляхом спалювання на дні.

Рисунок\(\PageIndex{9}\): Роль ресурсів біомаси для сталого низьковуглецевого майбутнього.

Рисунок\(\PageIndex{10}\) Ієрархія використання біомаси від високоцінних, малооб'ємних додатків (зверху) до низькоцінних, великих обсягів додатків (знизу).

Приклади

Інженери, які керують біопереробними заводами, повинні знати про енергетичні та масові баланси для визначення розподілу ресурсів, а також ефективності перетворення для покращення роботи заводу. Процес оцінки включає прості розрахунки ефективності конверсії та визначення економічної доцільності біопереробного заводу.

Приклад\(\PageIndex{1}\)

Приклад 1: Розрахунки ефективності конверсій

Проблема:

Ідеального балансу маси і енергії досягти складно. Керівники заводу повинні вміти оцінювати, наскільки близькі їхні операції порівняно з ідеальними умовами. Найпоширенішою проблемою, з якою стикається керівник заводу, є визначення ефективності перетворення рафінованої рослинної олії в біодизель. Цей приклад показує, як експлуатується фактична установка і наскільки вона близька до ідеального балансу маси. Енергетичний вміст рафінованої олії каноли становить 39,46 МДж/кг, а біодизеля ріпакової олії в лабораторії вимірювали 40,45 МДж/кг. Під час фактичного запуску лише близько 95% біодизеля виробляється з цього рафінованого ріпакового масла замість ідеального 100% масового виходу.

Визначте ефективність перетворення енергії цього об'єкта від перетворення енергії рафінованої ріпакової олії в паливну енергію в біодизелі.

Рішення

1. 1. Енергія вихідного біодизельного продукту одиниці маси розраховується з використанням 95% масового виходу біодизеля наступним чином:
2. \( \text { Biodiesel Output }(\mathrm{MJ})=\frac{40.45 \mathrm{MJ}}{\mathrm{kg}} \times 0.95 \mathrm{~kg} \text { Biodiesel }=38.43 \mathrm{MJ}=36,424 \mathrm{Btu} \)
3. 2. Використовуючи рівняння 1.1.1, ефективність перетворення на одиницю ваги становить:
4. \( \text { Conversion Efficiency }(\%)=\frac{38.43 \mathrm{MJ}}{39.46 \mathrm{MJ}} \times 100 \%=97.4 \% \)

Виробництво біодизеля є, мабуть, одним з найбільш ефективних шляхів перетворення рослинної олії в біопаливо, маючи дуже близьку до 100% ефективність перетворення енергії.

Приклад\(\PageIndex{2}\)

Приклад 2: Розміри комерційних біодизельних установок

Проблема:

Планування будівництва комерційного біодизельного заводу вимагає проведення інвентаризації необхідних вхідних ресурсів. У цьому прикладі інженер повинен визначити кількість соєвої олії, необхідної (л/рік) для побудови та експлуатації заводу біодизеля 3.785-мільйона літрів (1 мільйон галонів на рік, MGY). Щільність соєвої олії та його еквівалентного біодизеля (також називається соєвим метиловим ефіром) такі:

• Щільність біодизеля сої = 0,88 кг/л
• Щільність соєвої олії = 0,917 кг/л

Розраховуйте потреби в соєвій олії щодня та щомісяця.

Рішення

1. 1. 3,785 мільйона літрів біодизельного продукту перетворюється в одиниці його маси як:
2. \( \text { Biodiesel Mass Requirement }\left(\frac{\text { tonnes }}{\text { year }}\right)=\frac{3.785 \times 10^{6} \mathrm{~L}}{\text { year }} \times 0.88 \frac{\mathrm{kg}}{\mathrm{L}} \times \frac{\text { tonne }}{1000 \mathrm{~kg}}=3330.8 \frac{\text { tonnes }}{\text { year }}=3,671.6 \frac{\text { tonnes }}{\text { year }} \)
3. 2. Ця маса біодизеля 3,330,8 тонн на рік тоді еквівалентна масі соєвої олії, необхідної для заводу. Ця одиниця повинна бути перетворена в об'ємні одиниці для торгівлі рослинними оліями, як:
4. \( \text { Soybean Oil Volume Requirement} \left(\frac{\mathrm{L}}{\text { year }}\right)=\frac{3,330.8 \text { tonnes }}{\text { year }} \times \frac{1,000 \mathrm{~kg}}{1 \text { tonne }} \times \frac{\mathrm{L}}{0.917 \mathrm{~kg}}=3,632,279 \frac{\mathrm{L}}{\text { year }}=959,651 \frac{\text { gallons }}{\text { year }} \)
5. 3. Так, щорічна потреба в соєвій олії для цього біодизельного заводу становить понад 3,6 млн літрів (0,96 млн галонів). Щомісячні та щоденні потреби розраховуються як:
6. \( \text { Soybean Oil Mass Requirement }\left(\frac{\mathrm{L}}{\text { month }}\right)=\frac{3,632,279 \mathrm{~L}}{\text { year }} \times \frac{1 \text { year }}{12 \text { months }}=302,689 \frac {\mathrm{L}} {\text { month }}=79,971 \frac{\text { gallons }}{\text { month }} \)

Крім того, це значення потреби в соєвій олії також може бути використано для оцінки необхідних посівних площ для соєвої олії, якщо є дані про врожайність соєвої олії на акр. Наприклад, зареєстрована врожайність соєвої олії близько 2,245 кг/га (2000 фунтів/акр) (Capareda, 2014) призведе до того, що приблизно 1,483,6 га (3664 ac), необхідні для виділених соєвих земель для цілорічного використання цієї рослини.

Приклад\(\PageIndex{3}\)

Приклад 3: Енергетичний баланс у відновленні біоетанолу

Проблема:

Біо-етанол може бути отриманий з солодкого сорго шляхом бродіння його цукрів. Солодкий сік сорго ферментується за допомогою дріжджів (Saccharomyces cerevisiae). Отриманий ферментований продукт, званий пивом, має близько 10% біоетанолу. Більш високий відсоток етанолу необхідний для використання двигуна і може бути відокремлений від цього ферментованого продукту за допомогою простого процесу дистиляції. Рідкий ферментований продукт просто нагрівають, поки пари біоетанолу не випаруються (близько 80° C, температура випаровування чистого етанолу), і ця пара конденсується або зріджується в простому конденсаторі. У системах сільського рівня паливна дрова використовується для нагрівання котла, куди поміщається ферментований матеріал.

Схема виробництва етанолу на сільському рівні на основі солодкого сорго має наступні дані для серії експериментів. У першому експерименті оператор не пам'ятав про кількість паливної деревини, яка використовується для утилізації висококонцентрованого етанолу, і використовувала занадто багато, близько 20 кг відпрацьованих паливних дров для котла. Крім того, котел не утеплювався під час цього запуску. У другому експерименті оператор ізолював котел і був дуже обережний у використанні паливних дров для регулювання температури котла нижче температури кипіння чистого етанолу. Було використано всього близько 10 кг паливних дров, приблизно половина початкового експерименту. Припустимо, що енергія паливної деревини становить 20 МДж/кг, а нагрівальна здатність етанолу становить близько 18 МДж/л В обох експериментах було використано 120 літрів рідкого ферментованого матеріалу (пива) і відновлено 13 літрів висококонцентрованого етанолу. Обговоріть енергетичний баланс для кожного експерименту.

Рішення

1. 1. У першому експерименті оператор використовував близько 400 МДж вхідної енергії і виробляв 13 літрів етанолу з енергетичним вмістом 234 МДж:
2. \( \text { Energy from the Fuel Wood }=20 \mathrm{~kg} \text { fuel wood } \times \frac{20 \mathrm{MJ}}{\mathrm{kg}}=400 \mathrm{MJ} \)
3. \( \text { Energy from the Ethanol }=13 \mathrm{~L} \times \frac{18 \mathrm{MJ}}{\mathrm{L}}=234 \mathrm{MJ} \)
4. Зрозуміло, що оператор використовував більше енергії з паливної деревини, ніж у відновленого етанолу, демонструючи нестійкий процес.
5. 2. Другий експеримент використовував лише близько 200 МДж вхідної енергії деревини, що трохи менше енергії з виробленого етанолу 234 МДж.
6. \( \text { Energy from the Fuel Wood }=10 \mathrm{~kg} \text { fuel wood } \frac{20 \mathrm{MJ}}{\mathrm{kg}}=200 \mathrm{MJ} \)
7. При дбайливому використанні паливної деревини, більше енергії з біоетанолу відновлюється в результаті відносно ефективного процесу рекуперації.

Зауважте, що існують інші обсяги енергії, витрачаються на посадку, збирання та транспортування сировини сорго, і цей експеримент становить лише одну частину життєвого циклу виробництва, відновлення та використання біоетанолу.

Приклад\(\PageIndex{4}\)

Приклад 4: Виробництво та використання біогазу з гною тварин

Проблема:

Проклеювання біогазової установки - одне завдання, яке покладається на інженера, який експлуатує комерційну біогазову установку. Одним із поширених розрахунків є визначення електричної потужності, виробленої з гною, зібраного з молочного підприємства на 500 голов. Як правило, потрібно електричне живлення протягом 8 годин на день. Ефективність теплового перетворення двигуна внутрішнього згоряння становить приблизно 25% при ефективності механічного перетворення в електричне 80%. Виявлено, що питомий вихід метану становить 0,23 м ³ біога/кг летких твердих речовин на добу (Hamilton, 2012; ASABE Standard D384.2). Кожна зріла молочна корова виробляє в середньому 68 кг гною на голову на добу з відсотком 7,5 летючих твердих речовин. Енергетичний вміст біогазу склав 24,2 МДж/м ³ (650 БТЕ/фут ³).

Розмір генератора, який буде використовуватися для цього об'єкта.

Рішення

1. 1. Кількість метану, виробленого з 500-голового об'єкта, розраховується наступним чином:
2. \( \text { Biogas }\left(\frac{\mathrm{m}^{3}}{\text { day }}\right)=500 \text { head } \times \frac{68 \mathrm{~kg} \text { wet manure }}{\text { head per day }} \times \frac{0.075 \mathrm{~kg} \mathrm{VS}}{\mathrm{kg} \text { wet manure }} \times \frac{0.23 \mathrm{~m}^{3} \text { biogas }}{\mathrm{kg} \mathrm{VS}}=586.5 \frac{\mathrm{m}^{3}}{\text { day }} \)
3. 2. Теоретичне виробництво електроенергії розраховується наступним чином:
4. \( \text { Power }(k W)=\frac{586.5 \mathrm{~m}^{3}}{\text { day }} \times \frac{1 \text { day }}{8 \mathrm{hrs}} \times \frac{24,200 \mathrm{~kJ}}{\mathrm{~m}^{3}} \times \frac{1 \mathrm{hr}}{3600 \mathrm{~s}} \times \frac{\mathrm{kW}}{\mathrm{kJ} / \mathrm{s}}=492.8 \mathrm{~kW} \)
5. 3. Фактична потужність, вироблена на основі 25% ККД двигуна і 80% механіко-електричної ефективності розраховується наступним чином:
6. \( \text { Actual Power }(\mathrm{kW})=492.8 \mathrm{~kW} \times 0.25 \times 0.80=98.6 \mathrm{~kW} \)

Буде потрібно генератор з розміром, близьким до 100 кВт вихідної потужності.

Приклад\(\PageIndex{5}\)

Приклад 5: Основні баланси енергії піролізу біомаси та маси

Проблема:

Теплове перетворення відпрацьованої біомаси в корисну енергію є загальним розрахунком для інженера. Цей простий приклад - перетворення шкаралупи кокосового горіха (відпрацьованої біомаси) у біо-вугілля (корисне паливо). В експерименті інженер використав 1 кг шкаралупи кокосового горіха і піролізував її при температурі 300°С, виміряний енергетичний вміст цієї високоенергетичної щільності біомаси становив 20,6 МДж/кг. Піролізний експеримент виробляв близько 0,80 кг біо-вугілля. Теплотворність біо-вугілля вимірювали 22 МДж/кг. У цьому низькотемпературному процесі піролізу були отримані мінімальні тверді речовини та газоподібні продукти. Визначте загальну ефективність перетворення (η _е) для процесу перетворення біо-вугілля, а також розрахуйте кількість енергії, що зберігається в біовугілля, і енергії, втраченої в процесі.

Рішення

1. 1. Рівняння 1.1.1 використовується безпосередньо для оцінки ефективності перетворення для виробництва біо-вугілля.
2. \( \text { Energy Conversion Efficiency }(\%)=\frac{\text { Energy Output }(\mathrm{MJ})}{\text { Energy Input }(\mathrm{MJ})} \times 100 \% \)(Рівняння\(\PageIndex{1}\))
3. Спочатку розрахуйте сумарну енергію біо-вугілля на одиницю кг піролізованого матеріалу як:
4. \( \text { Bio-char Energy }(\mathrm{MJ})=0.80 \mathrm{~kg} \times \frac{22 \mathrm{MJ}}{\mathrm{kg}}=17.6 \mathrm{MJ} \)
5. 2. Загальна ефективність перетворення (η _е) потім розраховується наступним чином:
6. \( \eta_{\mathrm{e}}=\frac{17.6 \mathrm{MJ}}{20.6 \mathrm{MJ}} \times 100 \%=85.4 \% \)
7. Ця величина також вказує на відсоток енергії, що зберігається в біовугілля.
8. 3. Енергія, втрачена в процесі, - це просто різниця між початковою енергією біомаси та енергією, що зберігається в біо-вугіллі наступним чином:
9. \( \text { Energy } \operatorname{Loss}(\mathrm{MJ})=20.6 \mathrm{MJ}-17.6 \mathrm{MJ}=3 \mathrm{MJ} \)
10. 4. Ця втрата енергії еквівалентна 14,6%, різниця між 100% і ефективністю перетворення процесу 85,4%.

Зверніть увагу на високий вихід твердого біо-вугілля при цій температурі піролізу, з мінімальним виходом рідкого і газоподібного синтез-газу, які вважаються втратами в цей момент. Однак при набагато більш високих температурах піролізу утворюється більше рідких і газоподібних синтез-газів. Приклад 1.1.6 показує унікальність процесу піролізу при генерації більш широкого спектру супутніх продуктів. Повні енергетичні та масові баланси процесу також можуть бути оцінені для оцінки загальної ефективності перетворення.

Приклад\(\PageIndex{6}\)

Приклад 6: Основні баланси енергії піролізу біомаси та маси

Проблема:

Інженер провів експеримент з піролізу 1,23 кг біомаси сорго (теплоємність = 18,1 МДж/кг) при температурі 600°С в шнековому піролізаторі. Першочерговим завданням експерименту було визначення енергії, що міститься в різних супутніх продуктах процесу. Вхідна енергія включає, що від двигуна шнека (5 ампер, 220 В) і трубчастої печі (2400 Вт). Час тестування становило 12 хвилин. Дані, зібрані в ході експериментів, та інші пов'язані з цим параметри, необхідні для виконання повних енергетичних та масових балансів, такі:

• Кількість виробленого біо-вугілля = 0,468 кг
• Обсяг виробленої біоолії = 225 мл
• Щільність = 1,3 г/мл
• Обсяг виробленого синтез-газу = 120 л
• Теплотворна здатність біо-вугілля = 23,99 МДж/кг
• Теплоцінність = 26,23 МДж/кг

Показники нагрівання вироблених синтез-газів, а також їх склад наведені в таблиці нижче.

	Первинні гази
	Н 2	СН 4	КО
% Вихідність	20%	10%	15%
Щільність (кг/м ^3)	0.0899	0.656	1.146
HV (МДж/кг)	142	55.5	10.112

Визначте енергетичні та масові баланси для цього процесу та повідомте, скільки енергії міститься в кожному з супутніх продуктів, а також загальну ефективність перетворення.

Рішення

1. 1. Намалюйте схему повного процесу балансу маси та енергії, як на малюнку\(\PageIndex{11}\).
2. 2. Обчисліть енергію, що міститься в вихідній біомасі, як:
3. \( \text { Biomass Energy }(\mathrm{MJ})=1.23 \mathrm{~kg} \times \frac{18.1 \mathrm{MJ}}{\mathrm{kg}}=22.26 \mathrm{MJ} \)
4. 3. Розрахуйте вхідну енергію від печі так:
5. \( \text { Thermal Energy }(\mathrm{MJ})=2.4 \mathrm{~kW} \times \frac{12 \mathrm{hr}}{60} \times \frac{3.6 \mathrm{MJ}}{1 \mathrm{kWh}}=1.728 \mathrm{MJ} \)
6. 4. Обчисліть вхідну енергію від шнека так:
7. \( \text { Auger Energy }(\mathrm{MJ})=220 \mathrm{~V} \times 5 \mathrm{~A} \times \frac{\mathrm{kW}}{1,000 \mathrm{VA}} \times \frac{12 \mathrm{hr}}{60} \times \frac{3.6 \mathrm{MJ}}{1 \mathrm{kWh}}=0.792 \mathrm{MJ} \)
8. 5. Обчисліть енергію, що міститься в біо-вугіллі, як:
9. \( \text { Bio-char Energy }(\mathrm{MJ})=0.468 \mathrm{~kg} \times \frac{23.99 \mathrm{MJ}}{\mathrm{kg}}=11.23 \mathrm{MJ} \)
10. 6. Розрахуйте енергію, що міститься в біомаслі, як:
11. \( \text { Energy }(\mathrm{MJ})=225 \mathrm{~mL} \times \frac{26.23 \mathrm{MJ}}{\mathrm{kg}} \times \frac{1.3 \mathrm{~g}}{\mathrm{~mL}} \times \frac{\mathrm{kg}}{1000 \mathrm{~g}}=7.67 \mathrm{MJ} \)
12. 7. Загальний енергетичний вміст синтез-газу - це сума енергії в складових газах. Як зазначено, було вироблено близько 120 л синтез-газу з 20% Н ₂ (24 л), 10% CH ₄ (12 л) і 15% СО (18 л). Отриманий енергетичний вміст біомасла розраховується як:
13. \( \mathrm{H}_{2}(\mathrm{MJ})=24 \mathrm{~L} \times \frac{0.0899 \mathrm{~kg}}{\mathrm{~m}^{3}} \times \frac{1 \mathrm{~m}^{3}}{1,000 \mathrm{~L}} \times \frac{142 \mathrm{MJ}}{\mathrm{kg}}=0.306 \mathrm{MJ} \)
14. \( \mathrm{CH}_{4}(\mathrm{MJ})=12 \mathrm{~L} \times \frac{0.0656 \mathrm{~kg}}{\mathrm{~m}^{3}} \times \frac{1 \mathrm{~m}^{3}}{1,000 \mathrm{~L}} \times \frac{55.5 \mathrm{MJ}}{\mathrm{kg}}=0.437 \mathrm{MJ} \)
15. \( \mathrm{CO}(\mathrm{MJ})=18 \mathrm{~L} \times \frac{1.145 \mathrm{~kg}}{\mathrm{~m}^{3}} \times \frac{1 \mathrm{~m}^{3}}{1,000 \mathrm{~L}} \times \frac{10.112 \mathrm{MJ}}{\mathrm{kg}}=0.208 \mathrm{MJ} \)
16. Загальний енергетичний вміст синтез-газу становить:
17. \( \text { Syngas }(\mathrm{MJ})=0.306 \mathrm{MJ}+0.437 \mathrm{MJ}+0.208 \mathrm{MJ}=0.951 \mathrm{MJ} \)
18. Більша частина енергії все ще зберігається в біо-вугілля (11,23 МДж), за ним слідують біомасло (7,67 МДж) та синтез-газ (0,951 МДж).
19. 8. Енергетичний баланс становить:
20. \( \text { Input Energy }(\mathrm{MJ})=22.2 \mathrm{MJ}+1.73 \mathrm{MJ}+0.792 \mathrm{MJ}=24.722 \mathrm{MJ} \)
21. \( \text { Output Energy }(\mathrm{MJ})=11.23 \mathrm{MJ}+7.67 \mathrm{MJ}+0.951 \mathrm{MJ}=19.851 \mathrm{MJ} \)
22. 9. Обчисліть ефективність перетворення як:
23. \( \text { Conversion Efficiency }(\%)=\frac{\text { Output }}{\text { Input }} \times 100 \%=\frac{19.851}{24.722} \times 100 \%=80.3 \% \)

Малюнок\(\PageIndex{11}\): Розподіл маси і енергії з усіх продуктів процесу піролізу.

Приклад\(\PageIndex{7}\)

Приклад 7: Сьогоднішня та майбутня вартість інвестицій у об'єкт біоенергетичних систем

Проблема:

Інвестор депонував $1,100,000 в банку в 2007 році, а не інвестував його в комерційний біодизельний завод. Визначте його передбачувану майбутню вартість у 2018 році, використовуючи рівняння поточної вартості, припускаючи банківську норму прибутковості 2,36%. Порівняйте це з інвестуванням грошей у експлуатацію біодизельного заводу з прибутком 11 року у розмірі 2 млн доларів.

Рішення

1. 1. Це простий розрахунок майбутнього значення за допомогою рівняння 1.1.3:
2. \( \mathrm{FV}=\mathrm{PV} \times(1+r)^{n} \)(Рівняння\(\PageIndex{3}\))

де FV = майбутня вартість грошового потоку ($)

PV = поточна вартість грошового потоку ($)

r = норма прибутковості або облікова ставка (десяткова)

n = кількість періодів (без одиниць)

\( \text { Future Value }=\$ 1,100,000 \times(1+0.0236)^{11}=\$ 1,421,758 \)

1. 2. Якщо інвестувати в банк, майбутня вартість через 11 років становила б близько 1,4 млн доларів порівняно з прибутковістю 2 млн доларів від інвестування в біодизельний завод. У цьому прикладі інвестування 1,1 млн доларів у біодизельне підприємство принесло більше цінності, ніж вкладення грошей у банк.

Приклад\(\PageIndex{8}\)

Приклад 8: Амортизація установки на біодизелі

Проблема:

Інженера попросили повідомити про щорічну амортизацію для біодизельного заводу, початкова вартість активів якого становить 1,100,000 доларів. Термін служби об'єкта становить 20 років, а залишкова вартість всього обладнання та активів на кінець цього терміну експлуатації становить 10% від початкової вартості капіталу об'єкта. Використовуйте метод прямолінійних та сумарних цифр для розрахунків амортизації. Опишіть річні варіації амортизації для кожного методу.

Рішення

Метод прямолінійних використовує рівняння 1.1.7:

\( \text { Straight Line Depreciation }(\$)=\frac{\text { Principal-Salvage Value }}{\text { Life of Unit }} \)(Рівняння\(\PageIndex{7}\))

\( =\frac{\$ 1,100,000-\$ 110,000}{20}=\$ 50,000 / \text { year } \)

Щорічна амортизація після першого року становить 50 000 доларів на рік.

Метод суми цифр спочатку обчислює суму цифр наступним чином:

(1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8 + 9 + 10 + 11 + 12 + 13 + 14 + 15 + 16 + 17 + 18 + 19 + 20) = 210

Коефіцієнт оцінки амортизації за рік 1 використовує зворотний порядок — термін експлуатації об'єкта в чисельнику і суму цифр в знаменнику з роком 1, що має коефіцієнт 20/210 і так далі.

\( \text { Year } 1 \text { Depreciation }(\$)=\frac{20}{210} \times(\$ 1,100,000-\$ 110,000)=\$ 94,285 \)

\( \text { Year } 2 \text { Depreciation }(\$)=\frac{19}{210} \times(\$ 990,000)=\$ 89,571 \)

\( \text { Year } 3 \text { Depreciation }(\$)=\frac{18}{210} \times(\$ 990,000)=\$ 84,857 \)

Продовжуйте обчислення для років з 4 по 19, використовуючи роки з 17 по 2 в чисельнику.

\( \text { Year } 20 \text { Depreciation }(\$)=\frac{1}{210} \times(\$ 990,000)=\$ 4,714 \)

Зауважте, що в обох методах кінцева вартість активів проекту приблизно дорівнює заданій вартості запасів. Якщо дані були побудовані, швидке зниження вартості протягом перших кількох років методом суми цифр зазвичай відображає фактичну амортизацію багатьох об'єктів.

Приклад\(\PageIndex{9}\)

Приклад 9: Розрахунок чистої поточної вартості, коефіцієнта витрат на вигоду, періоду окупності та внутрішньої норми прибутку для установки на біодизелі

Проблема:

Інженера можна попросити оцінити ряд проектів для оцінки потреб у фінансуванні. Порівняльні економічні показники можуть використовуватися для порівняння однієї проектної пропозиції з іншою. Загальними показниками є чиста поточна вартість (NPV), коефіцієнт витрат на вигоду (BCR), період окупності (PBP) та внутрішня норма прибутковості (IRR). 1 892 500 л/рік (півмільйона галонів на рік) біодизельний завод з початковою капітальною вартістю 1,100,000 доларів та 10% вартості порятунку має такі базові дані:

Вартість капіталу (CC)	1 100 000 доларів	Вартість ремонту та обслуговування	3% від вартості капіталу	Біодизельний завод Вартість за мільйон л	$581,241 /МЛ ($2,200,000/МГ)
Інтерес	7,5%	Податки та інси.	2% від КК	Конв. Ефф.	99%
Життя	20 років	Трудові	8 год/день	Вартість робочої сили	15 $/год
Рослинна олія Ціна	$0.13/л (0,50/галон)	Операція	365 днів/рік	Один менеджер	$60 000 на рік
Вартість обробки	$0.13/л (0,50/галон)	Персонал	6 повний робочий день	Продам	$0,53 літра (2,00 $/галон)
Гліцерин	10% прибутковість	Гліцерин	0.18/л (0,7/галон)	Біодизель	1,873,575 л (495,000 галів)
Податковий кредит	28%	Дисконтна ставка	2,36%	Амортизація	Пряма лінія
Залишкова вартість	10% від початкової вартості капіталу

Дані можуть бути використані для обчислення деяких даних економічних показників:

• Середньорічний валовий дохід за проектом з податковим кредитом = $1,314,506
• Середній річний чистий дохід за проектом з податковим кредитом = $279 305
• Середня дисконтована чиста вигода на рік = $220 614
• Середні знижки на рік = $817 670
• Середня дисконтована валова допомога = 1 038 284 доларів США

Використовуйте ці дані для розрахунку NPV, BCR, PBP та IRR.

Рішення

1. 1. Обчисліть NPV з рівняння 1.1.4,
2. \( \mathrm{NPV}=\sum_{\mathrm{n}=1}^{\mathrm{N}} \frac{\text { cash inflow }}{(1+\mathrm{i})^{\mathrm{n}}}-\text { cash outflow } \)(Рівняння\(\PageIndex{4}\))
3. або просто отримати різницю між середньорічними пільгами зі знижкою та середньорічними зниженими витратами:
4. \( \mathrm{NPV}=\$ 1,038,284-\$ 817,670=\$ 220,614 \)
5. Значення NPV позитивне. Значить, проект економічно доцільний.
6. 2. BCR - це співвідношення між дисконтованими вигодами та зниженими витратами, як показано:
7. \( \mathrm{BCR}=\frac{\text { project benefits }}{\text { project costs }} \)(Рівняння\(\PageIndex{5}\))
8. \( =\frac{\$ 1,0.38,284}{\$ 817,670}=1.27 \)
9. BCR більше 1, також показуючи, що проект є здійсненним.
10. 3. PBP - це співвідношення початкових капітальних витрат і середньорічного дисконтованого чистого доходу:
11. \( \text { PBP }(\text { years })=\frac{\text { project costs }}{\text { annual cash inflows }} \)(Рівняння\(\PageIndex{6}\))
12. \( =\frac{\$ 1,100,000}{\$ 220,614}=5 \text { year } \)
13. 4. Щоб розрахувати внутрішню норму прибутковості, порівняйте дисконтовані чисті вигоди протягом усього життя проекту з передбачуваним коефіцієнтом дисконтування (дисконтною ставкою). Вручну це метод проб і помилок, за допомогою якого передбачувана ставка дисконтування призводить до чистих вигод більше нуля (позитивний) і менше нуля (негативний). Ставка дисконтування, де чиста вигода точно дорівнює нулю, - це внутрішня норма прибутку за проектом.

    Наприклад, якщо наведені вище дані кодуються в електронній таблиці, а передбачувана ставка дисконтування становить 30%, чиста вигода зі знижкою оцінюється в −173 882 дол. США, що є від'ємним значенням. Однак, коли використовується ставка дисконтування 20%, дисконтована чиста вигода розраховується як $260 098, позитивне значення. Отже, внутрішня норма прибутку повинна бути між цими передбачуваними значеннями (тобто між 20% і 30%). За співвідношенням і пропорцією (побудова цих значень в X-Y декартових координатах, як грошовий потік, і порівняння меншого трикутника з більшим трикутником, X є дисконтованим коефіцієнтом вище 20% і Y чиста вигода в $), внутрішня норма прибутку потім обчислюється наступним чином:

14. \( \frac{\mathrm{X}}{\$ 260,098}=\frac{(30 \%-20 \%)}{(\$ 260,097+\$ 173,882)} \)

15. \( X=6 \% \)

16. \( \mathrm{IRR}=20 \%+6 \%=26 \% \)

17. Таким чином, IRR повинен бути близько 26%, позитивне значення і вище банківської процентної ставки 7,5%. Проект тоді оголошується економічно доцільним з використанням цього параметра. (Примітка: При обчисленні за допомогою електронної таблиці значення IRR будуть дещо відрізнятися від цього ручного методу).

Приклад\(\PageIndex{10}\)

Приклад 10: Визначення коефіцієнта чистого енергетичного балансу та чистого енергетичного балансу для кукурудзяного етанолу з вторинною переробкою та без них

Проблема:

Для оцінки достоїнства перетворення біомаси в паливо відповідно до рекомендацій USDA можна використовувати коефіцієнт чистої енергії (NER) та чистий енергетичний баланс (NEB) для об'єкта. Численні дослідження, проведені USDA для виробництва етанолу кукурудзи від мокрого помелу та сухого помелу, встановили базові дані.

Загальна енергія, що використовується для кожного процесу, без урахування використання супутніх продуктів в якості джерел додаткової енергії:

• Загальна енергія, що використовується для процесу сухого фрезерування = 19,404 МДж/л
• Загальна енергія, що використовується для процесу мокрого фрезерування = 20,726 МДж/л
• Теплотворна здатність виробленого етанолу = 21,28 МДж/л

Загальна енергія, що використовується для кожного процесу, коли всі продукти системи використовуються для забезпечення енергетичних потреб об'єкта:

• Загальна енергія, що використовується для процесу сухого фрезерування = 15,572 МДж/л
• Загальна енергія, що використовується для процесу мокрого фрезерування = 16,482 МДж/л
• Теплотворна здатність виробленого етанолу = 21,28 МДж/л

Визначте, чи краще використовувати мокре або сухе подрібнення, і чи краще використовувати субпродукти в якості джерела енергії всередині об'єкта.

Рішення

1. 1. NER обчислюється за допомогою рівняння 1.1.11:
2. \( \mathrm{NER}=\frac{\text { Energy Content of Fuel }(\mathrm{MJ})}{\text { Energy Required to Produce the Biofuel }(\mathrm{MJ})} \)(Рівняння\(\PageIndex{11}\))

Для процесу сухого млина,\( \mathrm{NER}=\frac{21.28 \mathrm{MJ} / \mathrm{L}}{19.404 \mathrm{M} / \mathrm{L}}=1.10 \)

Для процесу мокрого млина,\( \mathrm{NER}=\frac{21.28 \mathrm{MJ} / \mathrm{L}}{20.726 \mathrm{M} / \mathrm{L}}=1.03 \)

1. Процес сухого млина має вищий NER, ніж процес мокрого млина.
2. 2. NEB обчислюється за допомогою рівняння 1.1.12:
3. \( \text { NEB = Biofuel Heating Value(MJ) - Energy Required to Produce the Biofuel(MJ) } \)(Рівняння\(\PageIndex{12}\))
4. Для процесу сухого млина,\( \mathrm{NEB}=21.28 \frac{\mathrm{MJ}}{\mathrm{L}}-19.404 \frac{\mathrm{J}}{\mathrm{L}}=1.876 \)
5. Для процесу мокрого млина,\( \mathrm{NEB}=21.28 \frac{\mathrm{MJ}}{\mathrm{L}}-20.726 \frac{\mathrm{J}}{\mathrm{L}}=0.554 \)
6. Процес сухого фрезерування кращий, ніж процес мокрого фрезерування відповідно до NER і NEB, коли побічні продукти не використовуються для постачання енергії.
7. 3. NER для процесу сухого млина з розподілом субпродуктів є:
8. \( \mathrm{NER}=\frac{21.28 \mathrm{MJ} / \mathrm{L}}{15.572 \mathrm{M} / \mathrm{L}}=1.37 \)
9. NER для процесу мокрого млина, коли вторинні продукти використовуються повторно, це:
10. \( \mathrm{NER}=\frac{21.28 \mathrm{MJ} / \mathrm{L}}{16.482 \mathrm{M} / \mathrm{L}}=1.29 \)
11. 4. NEB для процесу сухого млина, коли субпродукти використовуються повторно для процесу, є:
12. \( \mathrm{NEB}=21.28 \frac{\mathrm{MJ}}{\mathrm{L}}-15.572 \frac{\mathrm{J}}{\mathrm{L}}=5.708 \)
13. NEB для процесу мокрого млина, коли побічний продукт повторно використовується для процесу, є:
14. \( \mathrm{NEB}=21.28 \frac{\mathrm{MJ}}{\mathrm{L}}-16.482 \frac{\mathrm{J}}{\mathrm{L}}=4.798 \)
15. Процес сухого фрезерування залишається кращим варіантом, і як NER, так і NEB вказують на те, що побічні продукти повинні використовуватися як частина конструкції системи.

Зображення Кредити

Малюнок 1. Капареда С. (CC By 4.0). Шляхи перетворення ресурсів біомаси в енергію.

Малюнок 2. Капареда С. (CC By 4.0). Схема комерційного процесу виготовлення біодизельного палива.

Малюнок 3. Капареда С. (CC By 4.0). Схема комерційного процесу виготовлення біоетанолу методом сухого помелу.

Малюнок 4. Капареда С. (CC By 4.0). Схематичне зображення різних конструкцій високоефективних біогазових котлів.

Малюнок 5. Капареда С. (CC By 4.0). Виходи та застосування піролізу біомаси.

Малюнок 6. Капареда С. (CC By 4.0). Принципова схема газифікатора з киплячим шаром.

Малюнок 7. Капареда С. (CC By 4.0). Взаємозв'язок між капітальними витратами (CAPEX) та операційними витратами (OPEX) для біоенергетичного проекту.

Малюнок 8. Капареда С. (CC By 4.0). Схема вкладених категорій відновлюваних видів палива США за стандартами відновлюваних видів палива.

Малюнок 9. Капареда С. (CC By 4.0). Роль ресурсів біомаси для сталого низьковуглецевого майбутнього.

Малюнок 10. Капареда С. (CC By 4.0). Ієрархія використання біомаси від високоцінних, малооб'ємних додатків (зверху) до низькоцінних, великих обсягів (знизу).

Малюнок 11. Капареда С. (CC By 4.0). Розподіл маси і енергії з усіх продуктів процесу піролізу.

Посилання

Капареда С. Введення в перетворення енергії біомаси. Бока-Ратон, Флорида: CRC Прес. https://doi.org/10.1201/b15089.

Гамільтон, Д. Вміст органічних речовин у стічних водах та гною, BAE 1760. Стіллуотер: Служба розширення кооперативу в Оклахомі.

Леттінга, Г., ван Вельсен, А.Ф., Хобма, С.В., де Зеєв, В., і Клапвейк, А. (1980). Використання концепції реактора ковдри з висхідним потоком (USB) для біологічного очищення стічних вод, особливо для анаеробної обробки. Біотех. Біоенг. , 22 (4), 699-734. доі.орг/10.1002/біт.260220402.

Лілієнталь, П., Ламберт Т. ГОМЕР. Модель оптимізації мікропотужності. Початок роботи посібник для спадщини HOMER. Верс. 2.68. Боулдер, Колорадо та Голден, Колорадо: Гомер Енергія та NREL USDOE.

Маглінао, Р.Л., Воскресіон, Е.П., Кумар, С., Маглінао, А.Л., Капареда, С., & Мозер, Б.Р. (2019). Шляхи гідродезоксигенації-алкілювання для синтезу стійкого покращувача мастила з рослинних олій та фенолів, отриманих лігніну. Інд. англ. Хім. Рез., 1-50. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.8b05188.

 

Піментель Д. Етанол палива: Енергетичний баланс, економіка та вплив на навколишнє середовище негативні. Природний ресурс. Рез., 12 (2), 127-134. https://doi.org/10.1023/A:1024214812527.

Стаут, Б.А. 1984. Використання та управління енергією в сільському господарстві. Белмонт, Каліфорнія: Бретон Публ.

Уоттс, С., і Хертвік, Дж. (2018). Капітальні витрати та операційні витрати для ІТ та хмари: в чому різниця? Блог «Бізнес ІТ», випуск 2 січня. Отримано з https://www.bmc.com/blogs/capex-vs-opex/.