Тема 1 Биомасата като възобновяем енергиен източник
РЕЗЮМЕ
В настоящата тема се дава дефиниция на биомаса, която в последствие се използва за енергийни цели, т.е. служи като основен възобновяем енергиен източник. Изяснява се въпроса, защо биомасата има нулев принос към парниковия ефект на Земята. Разглежда се наличната биомаса в България -откъм горски и земеделски площи. Представено е голямото разнообразие от видове биомаса, които представляват интерес от гледна точка на използването им за енергийни цели, като: дървесина от горско то стопанство, енергийни земеделски култури /бързорастящи дървесни видове,енергийни тревисти растения/, селскостопански отпадъци, индустриални отпадъци /хартия, стърготиини, талаш и др./, градските отпадъци /твърди и течни фракции/.
Дадени са възможните начини за оползотворяване на биомасата за енергиййни цели, а именно:
- Прякото изгаряне с и без преработка на дървесината и растенията /дърва,трески, пелети ,брикети/
- Индиректното изгаряне /хим. преобразуване/ след преобразуване на биомасата в течни или газоообразни горива /биогаз, биоетанол, биодизел/.
Представено е и бъдещето участие на биомасата в енергийния ни сектор до 2020 год.
В края на раздела са обобщени екологичните и икономическите предимства, които предизвиква използването на биомасата за енергийни цели.
1. Същност на биомасата
Биомасата е всичко, което възниква в процеса на непрекъснат кръговрат в природата като резултат от сложните химически процеси. Появата на биомасата е възможна само при наличие на слънце, вода и минерални вещества.
Биомасата е субстанция с високо съдържание на макромолекулни органични съединения от групата на захаридите /въглехидратите/, олигозахаридите, протеините, протеидите и липидите.
В растенията протича физико-химичен процес наречен фотосинтеза. При наличието на слънчева светлина растенията преобразуват въглеродния диоксид и водата в глюкоза и кислород. Кислородът се отделя в атмосферата, след което се използва за дишане от живите организми. От прост монозахарид на глюкозата се образуват по-сложни полизахариди. Впоследствие полизахаридите изграждат клетъчната стена на растителността -биомасата.
В общ вид същността на фотосинтезата се свежда до следната реакция:
която протича при наличие на слънчева светлина и хлорофил в растенията.
2. Наличие на биомаса в България
В България е налице голям потенциал за използване на биомасата като енергиен източник, като се вземе предвид, че 33 % от територията на страната са горски площи и около 60 % са земеделски обработваеми земи [2,4,7]. Това дава предпоставки за добив на големи количества биомаса, които могат да бъдат използвани за производство на електрическа и топлинна енергия. Биологичните възможности на горите предполагат възможност за устойчив прираст в рамките на 4,5-4,6 m3 / (ха.год.) и гарантиран постоянен добив [7].
Освен в горите, биомаса за енергийни цели може да се добива и на земеделски площи. Земеделските култури, които се използват за тази цел трябва да отговарят на определени критерии. За разлика от селскостопанските култури, при които основният акцент се поставя върху добива на продукцията, при културите от този тип приоритетите са многоцелеви. Освен високите добиви тук са важни разработване на необработваемите площи, предотвратяване ерозията на почвата, ограничаване разпространението на опасни плевели [5] и създаването на работни места.
3. Видове биомаса
Съществува голямо разнообразие от видове биомаса, но тези, които представляват интерес от гледна точка на използването им за енергийни цели са [4]:
- дървесина -дърво за огрев, отпадна дървесина от горското стопанство и горско - стопанските работи;
- енергийните земеделски култури като:
- бързорастящи дървесни видове (върбови, тополови и др.)
- енергийни тревисти растения (щир, посят коноп, слез, бяла комонига, пъстра зайчина, киселец за фураж, овсига, тръстикови храсти, власатка, слонска трева и др. [5,6]
● селскостопанските отпадъци:
- твърди отпадъци -от земеделски култури: слама, царевични стъбла и др.
- течни отпадъци -животински и др.
● индустриални отпадъци:
- твърди (хартия, талаш, стърготини -дървообработване, мебелна промишленост, производство на строителна дограма и др.)
- течни (от хранително вкусовата промишленост и др.)
● градски отпадъци:
- твърди (органични твърди фракции от домакинствата, търговски сектор и заведенията за обществено хранене -над 70% от нетретираните отпадъци подлежат на биологично разпадане)
- течни (отпадни води)
● утайките от градските пречиствателни станции
4. Начини на оползотворяване на биомасата
Биомасата може да се използва за енергийни цели чрез:
● Пряко изгаряне
- без преработка -дърва за огрев
- след надробяване -дървесни кори и трески (за отопление и комбинирано производство на топлина и ел. енергия)
- след механично пресоване -дървесни брикети и пелети (за отопление)
По този начин се оползотворява най-вече дървесината и нейните производни. Калоричността /топлотворната способност/ на обикновената дървесина е около 12-15 MJ/kg, а на производните й като дървесни пелети и брикети -17-18 MJ/kg.
● Индиректно изгаряне
- след преработка в газообразни горива -биогаз, сметищен газ, канализационен газ. С най-голямо значение е биогазът, който се получава при анаеробно разграждане на биомаса. Той има състав: метан - 50÷70 % въглероден диоксид - 30÷40 % и др. газове. Един куб. метър биогаз е еквивалентен на около 0,6 л. дизелово гориво или около 6,4 kWh. Разновидност на биогаза е сметищния газ, който се генерира при разлагането на отпадъците в сметищата. Характеризира се с малко по-ниска концентрация на метан (до 54%). Канализационният газ се получава в резултат на анаеробна преработка на канализационните утайки.
- след преработка в течни горива (сурово растително масло, биоетанол, биометанол, биодизел)
Биоалкохолите са подходящи алтернативни източници на топлинна енергия за бензиновите двигатели, а биодизеловото гориво за дизеловите двигатели.
Етиловият алкохол /биоетанол/ се получава по химичен път или чрез микробиологичен синтез. Използването на етанола в автомобилите вместо бензин, води до намаляване разхода на горивна течност, а отделните газове съдържат 60 пъти по-малко СО. Може да се използва и смес от бензин и етанол (съотношение 9:1) -газохол. За производството на биодизел (използва се процеса транс-естерификация) се използват рапично, слънчогледово, соево и други растителни масла. Биодизелът може да се използва без конструктивни изменения в дизеловите двигатели.
Интерес представляват и чистите растителни масла, получени само с механично пресоване и използването им като биогорива.
Тази опростена технология дава възможност на земеделските ферми сами да произвеждат гориво за машините си.
- след термохимично разлагане -пиролиза, газификация /пиролизни котли/
При процеса пиролиза биомасата се разлага, като се нагрява до висока температура от порядъка на 450 - 600°С в безкислородна среда. При така създадените условия се получава пиролизен газ, който може да се използва за горене. От 1 m3 дървесина се получава: 80 kg пиролизен газ, 140-180 kg дървени въглища (кокс) и 280-400 kg течни горива и съединения (метанол, ацетон).
Пиролизата е най-простия и един от най-старите методи за обработка на едно гориво с цел получаване на по-добро.
Процесът на газификация на биомаса представлява термохимична преработка на биомасата в резултат, от която се получава горим газ, наричан „карбуриран газ”, дървесен газ или синтезен газ. Процесът протича при температури 800-1300°С. Полученият горим газ се състои от СО, Н2, СН4, СО2. Газът може да се използва като газообразно гориво за газови котли и турбини, двигатели с вътрешно горене и др.
За прегледност на фиг.1.1 са дадени визуално методите за енергийно оползотворяване на биомасата и съответно получаваните енергийни продукти.
Фиг. 1.1 Принципна схема за енергийно оползотворяване на биомаса
Фиг 1.2 Участие на биомасата в националния енергиен баланс / по данни на Асоциацията за Енергийно Оползотворяване на Биомасата/
Табл. 1.1 Прогноза за дела на биомасата до 2020 г., хил.тне
5. Предимства на биомасата
- Оползотворяване на отпадъци от дърводобива и дървопреработката, които водят до замърсяване на водите и почвите, до пожари в горите, запълване на сметищата и депата за битови отпадъци.
- Икономически ефект от превръщането ва дървесните отпадъци във вид на пелети и брикети за отопление
- Екологичен ефект от използването на биомасата за енергийни цени. Тя има «нулев» принос към най-масовия парников газ СО2, колкото е бил погълнат при образуването на биомасата.
- Намаляване на количествата на отделените емисии във въздуха.
- Постигане на икономически и социален ефект от създаване на работни места за оползотворяване на биомасата за енергийни цели.
- Спасяване на хиляди кубически метра гора от изсичане чрез оползотворяване на отпадъчната биомаса
- Използването на биодизелови горива допринася за намаляване на общото замърсяване на атмосферния въздух и свързаното с това вредно влияние върху здравето на хората.
- Биоразграждането (разграждане в природни условия) на биогоривата е 4 пъти по-голямо от това на дизеловите горива. Чистите биодизелови горива се разграждат от 80-85% във вода за 28 дни [3]. Употребата на биодизеловите горива като добавка към дизеловите горива увеличава скоростта на тяхното разграждане.
- Биогоривата (биодизел и биоетанол) са нетоксични и безопасни.
- Биогоривата съдържат пренебрежително малки количества сяра, което намалява опасността от киселинни дъждове.
- При работа на дизеловите двигатели с биодизел се отделят по-малко изгорели газове с неприятна миризма и се редуцира шумът.
Увеличаване използването на биомаса за енергийни цели ще доведе до икономия на електроенергия и течни горива и ще увеличи възможностите за износ на стоки от България, а също и до намаляване на енергийната зависимост на страната.
Основни понятия:
Биомаса, дървесина, бързорастящи дървесни видове, енергийни тревисти растения, земеделски и градски отпадъци, утайки, шлам, пряко изгаряне, пиролиза, газификация, биогаз, биодизел
Литература
1. Бенев А., Енергия от биомаса, сп. Наука, 4/2008, 32 стр.
2. Берановски И., К. Сърдечни, Я.Труска, Енергия от биомаса, Топлотехника за бита 4 /2007 (фигурата)
3. Възможностите за използване на биомасата в България, Доклад на министерството на енергетиката и енергийните ресурси, 2005
4. Георгиев Р., Развитие на енергийната ефективност и възобновяемите източници на енергия в областта на аграрното производство, Научна конференция с международно участие „Обща селскостопанска политика на ЕС 2020 и развитие на аграрното производство в България”, май 2012, Тр.у-т.
5. Коцоуркова Д., И. Мрквичка, Алтернативно оползотворяване на тревна биомаса, Топлотехника за бита, 8/2006.
6. Крнов З., Алтернативни твърди биогорива за малките източници на отопление, Топлотехника за бита, 5/2004.
7. Милков М., Попов Д., Производство на електрическа и топлинна енергия при използване на биомаса, Топлотехника за бита 2/2009.
