Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

18.6: Біопаливо (Енергія біомаси)

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    3839

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Біопаливо (енергія біомаси) містить енергію, вироблену з організмів, таких як відходи тварин, рослини або водорості. Це ще одна непряма форма сонячної енергії. Біопаливо має багато застосувань. Їх спалюють безпосередньо або спочатку перетворюють на етанол (часто за допомогою бактерій і грибків) для вироблення електроенергії. Тепло від згоряння виробляє пар і перетворює турбіну для живлення генератора. Біодизель пропонує альтернативу нафтохімії для заправки автомобілів. Біопаливо навіть використовувалося для живлення малих літаків (рис.\(\PageIndex{a}\)). Крім того, спалювання дров або соломи забезпечує опалення.

    Винищувач військово-морського флоту під назвою «Зелений шершень» приймає політ
    Малюнок\(\PageIndex{a}\): Тестовий політ «Зеленого Шершня», винищувача ВМС, частково живиться від біопалива. Зображення ВМС США (суспільне надбання).

    На відміну від викопного палива, біопаливо є вуглецево-нейтральним (рис.\(\PageIndex{b}\)). Викопне паливо зберігає вуглець, який був захоплений організмами мільйони років тому. Коли ми їх спалюємо, вуглекислий газ виділяється набагато швидше, ніж його видаляли. Біопаливо видаляє вуглекислий газ з атмосфери зовсім недавно, і вони утворюються протягом більш коротких часових проміжків. При спалюванні біопалива цей нещодавно видалений вуглекислий газ викидається назад в атмосферу.

    Запас нафти і природного газу і електростанція. Горіння виділяє вуглекислий газ в атмосферу.Ферма виробляє біопаливо, яке спалюється. Процес є вуглецево-нейтральним, як видалення, так і додавання вуглекислого газу в атмосферу.
    Малюнок\(\PageIndex{b}\): Викопні види палива, такі як нафта та природний газ, містять вуглець, який зберігається під землею мільйони років. Спалювання (спалювання) цих викопних палив виділяє вуглекислий газ в атмосферу, сприяючи зміні клімату. При вирощуванні біопалива вони захоплюють вуглекислий газ за допомогою фотосинтезу. Спалювання їх або їх продуктів для тепла, транспортування або вироблення електроенергії виділяють цей вуглекислий газ, який був тільки недавно захоплений. З цієї причини біопаливо вважається вуглецево-нейтральним. Зображення, створені Мелісою Ха з NETL/DOE (суспільне надбання) та publicdomainvectors.org (публічне надбання).

    Ще однією перевагою біопалива є те, що їх можна виробляти на місцевому рівні і культивувати в різних місцях. З іншого боку, вони займають простір, який інакше можна було б використовувати для виробництва продуктів харчування. Щоб ще більше ускладнити ситуацію, характеристики, які роблять вид рослин ідеальним для біопалива (наприклад, стійкість до шкідників та швидкозростаючі), також є характеристиками, які допомагають інвазивним видам процвітати. Необхідно подбати про утримання цих видів, якщо вони вирощуються за межами рідних ареалів.

    Спалювання твердих побутових відходів (див. Нижче) або відходів тваринного походження як біопалива зменшує відходи та виробляє електроенергію одночасно. Однак, на відміну від більшості видів відновлюваної енергії, спалювання біопалива забруднює повітря. (Вивільнений вуглекислий газ не є проблемою, оскільки біопаливо є вуглецево-нейтральним, але інші забруднювачі повітря також виділяються.) Насправді забруднення повітря в приміщенні від пожеж, що використовуються для приготування їжі всередині будинку, є основною причиною смерті в країнах, що розвиваються.

    Кожен тип біомаси повинен бути оцінений на предмет екологічного та соціального впливу, щоб визначити, чи дійсно він сприяє стійкості та зменшенню впливу на навколишнє середовище. Наприклад, вирубка великих масивів лісів лише для виробництва енергії не є стійким варіантом, оскільки наші енергетичні потреби настільки великі, що ми швидко знищимо ліси світу, знищуючи критичне середовище існування. Щоб біомаса була стійким варіантом, вона, як правило, повинна надходити з відходів, таких як тирса пиломатеріалів, мул паперової фабрики, відходи двору або вівсяні лушпиння з заводу з переробки вівсяних пластівців, гній худоби або сміття. Ці матеріали в іншому випадку просто накопичувалися або розкладалися б. Нижче більш детально розглянуто кілька прикладів використання біопалива, включаючи конкретні переваги та недоліки типу використання.

    Спалювання деревини

    Використання деревини та деревного вугілля, виготовленого з деревини, для опалення та приготування їжі може замінити викопне паливо і може призвести до зниження викидів вуглекислого газу. 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 (див. Забруднення повітря).

    Для опалення будинку він найбільш ефективний і найменш забруднює при використанні сучасної дров'яної печі або камінної топки, 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, у країнах, що розвиваються, деревина може бути заготовлена швидше, ніж дерева можуть рости, що призводить до вирубки лісів (рисунок\(\PageIndex{c}\)). Найбільша частка використання біопалива припадає на традиційну біомасу, здебільшого паливні дрова, зібрані для побутового приготування їжі та опалення, часто без урахування стійкої заміни.

    Чотири етапи виробництва деревного вугілля в Уганді. Перший - вирубка лісів.
    Малюнок\(\PageIndex{c}\): Виробництво деревного вугілля в Уганді. (А) Дерева, вирубані на деревне вугілля. (Б) Шматки дров. (C) Дерев'яні колоди читаються для спалювання деревного вугілля. (D) Вугілля упаковане та готове до продажу. Зображення та підпис (модифіковані) від Bamwesigye та ін. Сталий розвиток 2020, 12 (20), 8337. (CC-BY)

    Біомаса може використовуватися на малих електростанціях. Наприклад, Colgate College мав дров'яний котел з середини 1980-х років (малюнок\(\PageIndex{d}\)). За один рік він переробив приблизно 20 000 тонн місцевої та стійко зібраної 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 на витрати на опалення. Парогенеруюча дров'яна установка університету в даний час задовольняє більше 75% потреб кампусу в тепло та гарячій воді.

    На фотографії зображена купа тріски, яка є різновидом біомаси
    Малюнок\(\PageIndex{d}\): Деревна тріска є одним із прикладів біопалива, яке можна спалювати для отримання електроенергії. Джерело: Ульріхюльріх

    Тверді побутові відходи

    Тверді побутові відходи (ТПВ) широко відомі як сміття і можуть створювати електроенергію, спалюючи його безпосередньо або спалюючи метан, що утворюється при його розкладанні. Відходи в енергетичні процеси набирають поновлений інтерес, оскільки вони можуть вирішити відразу дві проблеми: утилізація відходів і виробництво енергії з відновлюваного ресурсу. Багато з впливу на навколишнє середовище подібні до впливу вугільної установки: забруднення повітря, утворення золи тощо Оскільки джерело палива менш стандартизоване, ніж вугілля, а небезпечні матеріали можуть бути присутніми в ТПВ, сміттєспалювальні заводи та енергетичні установки повинні очищати гази від шкідливих матеріалів. Агентство з охорони навколишнього середовища в США регулює ці рослини дуже суворо і вимагає установки пристроїв проти забруднення. Крім того, під час спалювання при високій температурі багато токсичних хімічних речовин можуть розпастися на менш шкідливі сполуки. 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, цементні блоки та штучні рифи (схожі на коралові рифи, але побудовані людьми).

    Звалищний газ (біогаз)

    Звалищний газ (біогаз) - це свого роду людський «біогенний» газ, про який говорилося вище (рисунок\(\PageIndex{e}\)). Метан утворюється в результаті біологічних процесів на очисних спорудах, сміттєзвалищах, анаеробному компостуванні та системах поводження з гноєм худоби. Цей газ захоплюється і спалюється для отримання тепла або електроенергії. Електроенергія може замінити електроенергію, вироблену спалюванням викопного палива, зменшуючи викиди вуглекислого газу. Єдиний вплив на навколишнє середовище - це будівництво самого заводу, подібного до впливу заводу на природному газі.

    Збір, переробка та використання звалищного газу
    Малюнок\(\PageIndex{e}\): Збір та переробка звалищного газу для отримання метану для багаторазового використання. Спочатку звалищний газ збирають з полігону газової свердловини. Система вертикальних і горизонтальних трубопроводів похована на полігоні твердих побутових відходів. Потім звалищний газ обробляється та обробляється для використання (повітродувка/факель/очищення). Потенційні кінцеві види використання включають промислове/інституційне використання, декоративно-прикладне мистецтво, трубопровідний газ та транспортне паливо. Зображення та підпис (модифіковані) з програми пропаганди метану на полігоні звалища/EPA (суспільне надбання).

    Біоетанол та біодизель

    Біоетанол та біодизель - це рідке біопаливо, вироблене з рослин, як правило, сільськогосподарських культур. Біоетанол можна легко ферментувати з соку цукрової тростини, як це робиться в Бразилії. Крім того, його можна ферментувати з розщепленого кукурудзяного крохмалю, як це робиться в основному в Сполучених Штатах.

    Необхідно враховувати економічні та соціальні наслідки вирощування рослин на паливо, оскільки земля, добрива 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, збільшуючи недоїдання та голод у всьому світі. Крім того, в деяких куточках світу були вирубані великі площі природної рослинності та лісів, щоб виростити цукрову тростину для біоетанолу та сої та пальмових олійних дерев для виготовлення біодизеля. Це не стійке землекористування. Отримане біопаливо з частин рослин, які не використовуються в їжу, таких як стебла, зменшує їх вплив на навколишнє середовище. Біодизель може бути виготовлений з відпрацьованого рослинного масла і виробляється на дуже місцевій основі. Порівняно з дизельним паливом, нафтохімічним, отриманим із сирої нафти, спалювання біодизеля виробляє менше оксидів сірки, твердих частинок, чадного газу та незгорілих та інших вуглеводнів, але воно виробляє більше оксиду азоту (див. Забруднення повітря).

    Рідке біопаливо зазвичай замінює нафту і використовується для живлення транспортних засобів (рис.\(\PageIndex{f}\)). Хоча етанол-бензинові суміші горять чистіше, ніж чистий бензин, вони також є більш летючими і, таким чином, мають більш високі «випарні викиди» з паливних баків і дозуючого обладнання. Ці викиди сприяють утворенню шкідливого, наземного озону та смогу (див. Забруднення повітря). Бензин вимагає додаткової обробки для зменшення викидів випарів перед змішуванням з етанолом.

    У передній частині автобуса написано: «Програма сої Небраски», а в автобусному шатрі написано «Центр міста».
    Малюнок\(\PageIndex{f}\): Автобус, що курсує на соєвому біодизелі. Зображення та підпис (модифіковані) з Міністерства енергетики США (публічне надбання).

    Атрибуція

    Модифікований Мелісою Ха з відновлюваної енергії та викликів та наслідків використання енергії з екологічної біології Метью Р. Фішер (ліцензований відповідно до CC-BY)