5.3: Енергія біомаси
- Page ID
- 28785
Енергія біомаси - це енергія, що зберігається в матеріалах біологічного походження, таких як рослини та тварини. Енергія біомаси є найдавнішим джерелом енергії, що використовується людиною. Поки промислова революція не спонукала до переходу на викопне паливо в середині 18 століття, енергія біомаси була домінуючим у світі джерелом палива. Він включає пряме спалювання твердої біомаси для забезпечення енергією для опалення, приготування їжі та навіть вироблення електроенергії. Найпоширенішим джерелом прямого горіння є деревина, але енергія також може генеруватися спалюванням гною тварин (гною), трав'янистої рослинної сировини (недеревного), торфу (частково розкладеної рослинної та тваринної тканини) або переробленої біомаси, такої як деревне вугілля (деревина, яка була частково спалена для отримання вугільної речовина). Біомаса також може бути перетворена на рідке біопаливо, яке використовується для живлення транспортних засобів, таких як етанол з кукурудзи, залишки цукрової тростини та сої або навіть використовується кулінарна олія для біодизеля. Енергія біомаси також може бути в газоподібній формі, наприклад метан. В даний час близько 12 відсотків світової енергії надходить з біомаси (рис.\(\PageIndex{2}\)). Біомаса найчастіше використовується як джерело палива в багатьох країнах, що розвиваються, але зі зниженням доступності викопного палива та зростанням цін на викопне паливо біомаса все частіше використовується як джерело палива навіть у розвинених країнах.
5.3.1: Пряме спалювання твердої біомаси
Використання деревини та деревного вугілля, виготовленого з деревини, для опалення та приготування їжі може замінити викопне паливо і може призвести до зниження викидів CO 2. Якщо деревину збирають з лісів або лісових ділянок, які потрібно проріджувати, або з міських дерев, які все одно падають або потребують вирубки, то використання її для біомаси не впливає на ці екосистеми. Однак деревний дим містить шкідливі забруднювачі, такі як чадний газ та тверді частинки. Для опалення будинку він є найбільш ефективним і найменш забруднюючим при використанні сучасної дров'яної печі або заміні вставки, які призначені для виділення невеликої кількості твердих частинок. Однак у місцях, де дрова та деревне вугілля є основними паливами для приготування їжі та опалення, наприклад, в індустріалізованих країнах, деревина може бути заготовлена швидше, ніж дерева можуть рости, що призводить до вирубки лісів.
9Біомаса також використовується у більших масштабах, де малі електростанції працюють на біомасі, такій як тріска (рис.\(\PageIndex{1}\)). Наприклад, Центральна державна лікарня, Мілледжвілл, штат Джорджія, має установку для спалювання тріски, яка була найсучаснішою системою, доступною для свого часу та працює сьогодні. Університет Колгейт в Гамільтоні, штат Нью-Йорк, мав дров'яний котел з середини 1980-х, який обробляє близько 20 000 тонн місцевої та стійко заготовленої деревної тріски, що еквівалентно 1,17 мільйона галонів (4,43 мільйона літрів) мазуту, уникаючи 13,757 тонн викидів та заощаджуючи університет понад 1,8 мільйона доларів витрат на опалення. Парогенеруюча дров'яна установка університету в даний час задовольняє більше 75 відсотків потреб кампуса в тепло і побутової гарячої води. Для отримання додаткової інформації про це натисніть тут Colgate University.
.png)
Відходи різних галузей промисловості та процесів, таких як тирса пиломатеріалів, мул паперової фабрики, відходи двору, вівсяні лушпиння з заводу з переробки вівсяних пластівців, деревне сміття від лісозаготівлі, органічні відходи з відгодівлі та залишки сільськогосподарських культур також можуть бути використані для енергії. Відходи в енергетичні процеси набирають поновлений інтерес, оскільки вони можуть вирішити відразу дві проблеми: 1) утилізація відходів у міру зменшення потужності полігону та 2) виробництво енергії з відновлюваного ресурсу. У Сполучених Штатах було побудовано кілька заводів для спалювання міських відходів біомаси та використання енергії для виробництва електроенергії. Багато з впливу на навколишнє середовище подібні до впливу вугільного заводу, як забруднення повітря, утворення золи тощо Оскільки джерело палива менш стандартизоване, ніж вугілля та небезпечні матеріали можуть бути присутніми у твердих побутових відходах (ТПВ), або сміття, спалювальні установки та електростанції відходів до енергії повинні очистити стікові гази шкідливих матеріалів. EPA США регулює ці рослини дуже суворо і вимагає встановлення пристроїв проти забруднення. Якщо вони не містяться, відходи розподіляються в багатьох екосистемах. Зола цих рослин може містити високі концентрації різних металів, які були присутні в вихідних відходах. Якщо зола досить чиста, її можна переробляти як покриття полігону ТПВ або будувати дороги, цементний блок та штучні рифи. Крім того, під час спалювання при високій температурі багато токсичних хімічних речовин можуть розпастися на менш шкідливі сполуки.
5.3.2: Газова біомаса
Органічний матеріал може бути перетворений на метан, основний компонент природного газу, шляхом анаеробного розкладання або бродіння - процесу, який використовує анаеробні бактерії. Метан - відносно чисте паливо, яке ефективно згорає. Він може утворюватися з будь-яких органічних відходів, таких як комунальні стічні води та сміття, гній для худоби, кухонні та садові обрізки. Фактично, муніципальні звалища є активними ділянками виробництва метану, що щорічно сприяє метану в атмосфері та глобальному потеплінню. Цей газ може і в даний час захоплюється численними звалищами навколо Сполучених Штатів, які спалюють його для вироблення електроенергії на електростанціях або постачання в будинки для опалення. Електроенергія може замінити електроенергію, вироблену спалюванням викопного палива, і призвести до чистого скорочення викидів CO 2. Спалювання метану, виробленого з гною, забезпечує більше тепла, ніж спалювання самого гною, а мул, що залишився від бактеріального перетравлення, є багатим добривом, що містить здорові бактерії, а також більшість поживних речовин, що спочатку знаходяться в гною. Основний вплив на навколишнє середовище відбувається від будівництва самого заводу. Спалювання метану виділяє CO 2, і хоча CO 2 є парниковим газом, його потенціал глобального потепління набагато нижчий, ніж у метану (див. Розділ 7). Крім того, оскільки цей метан, якщо з органічних відходів, що виникають в результаті поточних процесів фотосинтезу, він вважається вуглецево-нейтральним, на відміну від CO 2 з викопного палива.
5.3.3: Рідке біопаливо
Біопаливо - це транспортне паливо, що виробляється з рослинних джерел і використовується для живлення транспортних засобів. Найбільш поширеними з них є етанол і біодизель. Етанол, також відомий як етиловий спирт або зерновий спирт, виробляється шляхом ферментації таких культур, як кукурудза, цукрова тростина та інші культури, а потім змішується зі звичайним бензином. Як добавка, етанол знижує залежність від звичайної нафти і підвищує ефективність згоряння бензину, зменшуючи викиди забруднюючих речовин. У Бразилії, яка має значну галузь етанолу на основі цукрової тростини, весь продаваний бензин містить 25 відсотків алкоголю, а понад 70 відсотків автомобілів, що продаються щороку, можуть працювати або на етанолі, або на бензині. Етанол-бензинові суміші горять чистіше, ніж чистий бензин, але є більш леткими і, таким чином, мають більш високі «випарні викиди» з паливних баків і дозуючого обладнання. Ці викиди сприяють утворенню шкідливого, наземного озону і смогу. Бензин вимагає додаткової обробки для зменшення викидів випарів перед змішуванням з етанолом.
Біодизель, який по суті є рослинною олією, також може бути отриманий з широкого спектру рослинних джерел, включаючи ріпак, соняшник та сою, і може використовуватися в більшості звичайних дизельних двигунів. Біодизель також може бути виготовлений з відпрацьованої рослинної олії і виробляється на дуже місцевій основі. Оскільки він горить чистіше, ніж його аналог на основі нафти, біодизель може зменшити забруднення від важких транспортних засобів, таких як вантажівки та автобуси. Порівняно з нафтовим дизелем, спалювання біодизеля виробляє менше оксидів сірки, твердих частинок, чадного газу та незгорілих та інших вуглеводнів, але більше оксиду азоту.
Розрахунок чистої енергії або CO 2, що генерується або зменшується в процесі виробництва біопалива, має вирішальне значення для визначення його впливу на навколишнє середовище. Біопаливо може бути отримано з частин рослин, які не використовуються в їжу (целюлозна біомаса), тим самим зменшуючи цей вплив. Целюлозна сировина етанолу включає місцеві прерійні трави, швидко зростаючі дерева, тирсу і навіть макулатуру. Крім того, в деяких куточках світу були вирубані великі площі природної рослинності та лісів для вирощування цукрової тростини для етанолу та сої та пальмових олійних дерев для виготовлення біодизеля. Це не стійке землекористування.
Енергія біомаси може вважатися вуглецево-нейтральною, оскільки рослини, які використовуються для їх виготовлення (наприклад, кукурудза та цукрова тростина для етанолу, або соєві боби та пальмова олія для біодизеля) приймають СО 2 з атмосфери шляхом фотосинтезу, коли вони ростуть і можуть компенсувати СО 2 виробляється при згорянні. Якщо біомаса не спалюється для отримання енергії, вуглець, що міститься в біомасі, все одно повернеться в атмосферу як CO 2, коли організми гинуть і розкладаються для завершення циклу. Таким чином, спалювання біомаси не призводить до нового додаткового CO 2 в атмосфері, а навпаки, повертає вуглець, який надійшов з атмосфери і використовується для виробництва біомаси в першу чергу. З іншого боку, спалювання викопного палива вводить новий вуглець в атмосферу, який раніше зберігався глибоко в земній корі і залишився б там, якби ми (люди) не витягували його.
5.3.4: Вплив енергії біомаси на навколишнє середовище
Основною проблемою біомаси є визначення того, чи дійсно вона є більш стійким варіантом. Енергетичний вміст деяких джерел енергії з біомаси може бути не таким високим, як викопне паливо, тому для отримання тієї ж енергії потрібно спалювати більше. Для отримання енергії часто потрібна енергія, а біомаса є одним із прикладів, коли обробка, щоб зробити її, не може бути компенсована енергією, яку вона виробляє. Якщо використовуються традиційні монокультурні культури, такі як кукурудза або соя, їм потрібна велика кількість викопного палива для виробництва добрив, запуску сільськогосподарських машин та доставки палива на ринки, тому це біопаливо не завжди забезпечує значну чисту економію енергії над бензином та дизельним паливом. У таких випадках біопаливо не може бути вуглецево-нейтральним, оскільки процес виробництва біопалива призводить до збільшення кількості CO 2 в атмосферу, ніж той, що видаляється зростаючими культурами. Навіть якщо вплив на навколишнє середовище є чистим позитивним, наприклад, якщо відновлювані джерела енергії використовуються для виготовлення біопалива, необхідно враховувати економічні та соціальні наслідки вирощування рослин на паливо. Земля, добрива, вода та енергія, що використовуються для вирощування біопаливних культур, можуть бути використані для вирощування продовольчих культур. Конкуренція землі за паливо проти продуктів харчування може підвищити ціну на продукти харчування, що негативно позначається на суспільстві. Це також може зменшити постачання продовольства та збільшити недоїдання та голод у всьому світі.
Дерева, які вирубують на дрова, часто не пересаджують. Для сталого використання потрібно висаджувати одне дерево на кожне зрубане. Якщо взяти занадто багато біомаси, це може зменшити внесок лісів та пасовищ у екосистемні послуги. Ліси та луки допомагають виводити СО 2 з атмосфери за допомогою фотосинтезу, а втрата фотосинтетичної активності призводить до збільшення кількості CO 2 в атмосфері та сприяє глобальному потеплінню, оскільки CO 2 є парниковим газом. Спалювання біомаси безпосередньо (деревина, гній тощо) призводить до високого забруднення твердих частинок (див. Розділ 6 про забруднення повітря), виробляє CO 2 і позбавляє ґрунт поживних речовин, які він зазвичай отримував би від розкладання органічної речовини. Отже, кожен тип джерела енергії з біомаси повинен бути оцінений на його повний життєвий цикл, щоб визначити, чи дійсно він сприяє стійкості та зменшенню впливу на навколишнє середовище.