Биоэнергетика -Bioenergy
Биоэнергетика – это энергия, получаемая из биомассы , состоящей из недавно живых (но уже мертвых) организмов, в основном растений. Типы биомассы, обычно используемые для биоэнергетики, включают древесину, продовольственные культуры, такие как кукуруза, энергетические культуры и отходы лесов, дворов или ферм. МГЭИК (Межправительственная группа экспертов по изменению климата) определяет биоэнергетику как возобновляемую форму энергии. Биоэнергетика может либо смягчить (т.е. уменьшить), либо увеличить выбросы парниковых газов . Также существует соглашение о том, что локальное воздействие на окружающую среду может быть проблематичным.
Терминология
Поскольку технически биомасса может использоваться непосредственно в качестве топлива (например, древесные бревна), некоторые люди используют термины «биомасса» и «биотопливо» как синонимы. Однако чаще всего слово биомасса просто обозначает биологическое сырье, из которого сделано топливо. С другой стороны, слово биотопливо часто зарезервировано для жидкого или газообразного топлива, используемого для транспорта.
Входные материалы
На сегодняшний день древесина и древесные отходы являются крупнейшим источником энергии из биомассы. Древесина может использоваться в качестве топлива напрямую или перерабатываться в пеллеты или другие виды топлива. В качестве топлива можно использовать и другие растения, например, кукурузу , просо , мискантус и бамбук . Основным сырьем для отходов являются древесные отходы, сельскохозяйственные отходы , твердые бытовые отходы и отходы производства . Модернизация сырой биомассы до топлива более высокого качества может быть достигнута различными методами, в широком смысле классифицируемыми как термические, химические или биохимические:
В процессах термической конверсии тепло используется в качестве основного механизма превращения биомассы в более качественное и практичное топливо. Основными альтернативами являются торрефикация , пиролиз и газификация , они разделены в основном степенью, в которой разрешено протекание вовлеченных химических реакций (в основном контролируемых наличием кислорода и температурой конверсии).
Многие химические преобразования основаны на установленных процессах на основе угля, таких как синтез Фишера-Тропша . Как и уголь, биомасса может быть преобразована в различные товарные химические вещества.
В природе развились биохимические процессы для разрушения молекул, из которых состоит биомасса, и многие из них можно использовать. В большинстве случаев для проведения конверсии используют микроорганизмы. Эти процессы называются анаэробным сбраживанием , ферментацией и компостированием .
Приложения
Биомасса для отопления
Биотопливо для транспорта
В зависимости от источника биомассы биотопливо можно разделить на две основные категории, в зависимости от того, используются ли пищевые культуры или нет:
Биотопливо первого поколения (или «традиционное») производится из пищевых источников, выращенных на пахотных землях, таких как сахарный тростник и кукуруза . Сахара, присутствующие в этой биомассе, ферментируются для производства биоэтанола , спиртового топлива, которое служит добавкой к бензину, или в топливных элементах для производства электроэнергии. Биоэтанол производится путем ферментации , в основном из углеводов , образующихся в сахарных или крахмалистых культурах, таких как кукуруза , сахарный тростник или сладкое сорго . Биоэтанол широко используется в США и Бразилии . Биодизель производится из масел, например, рапса или сахарной свеклы, и является наиболее распространенным биотопливом в Европе.
Биотопливо второго поколения (также называемое «усовершенствованным биотопливом») использует непищевые источники биомассы, такие как многолетние энергетические культуры и сельскохозяйственные отходы/отходы. Сырье, используемое для производства топлива, либо растет на пахотных землях , но является побочным продуктом основной культуры, либо выращивается на малоплодородных землях. Отходы промышленности, сельского хозяйства, лесного хозяйства и домашних хозяйств также можно использовать для производства биотоплива второго поколения, используя, например, анаэробное сбраживание для получения биогаза , газификацию для производства синтетического газа или прямое сжигание. Целлюлозная биомасса , полученная из непищевых источников, таких как деревья и травы, разрабатывается в качестве сырья для производства этанола, а биодизельное топливо можно производить из остатков пищевых продуктов, таких как растительные масла и животные жиры.
Производство жидкого топлива
Сравнение с другими видами возобновляемой энергии
Требования к земле
Плотность производства энергии на поверхности сельскохозяйственных культур будет определять, сколько земли требуется для производства. Средняя поверхностная плотность мощности в течение жизненного цикла для производства биомассы, ветра, гидро- и солнечной энергии составляет 0,30 Вт/м 2 , 1 Вт/м 2 , 3 Вт/м 2 и 5 Вт/м 2 , соответственно (мощность в виде тепла для биомасса и электроэнергия для ветра, гидро и солнца). Плотность поверхностной мощности в течение жизненного цикла включает землю, используемую всей вспомогательной инфраструктурой, производством, добычей полезных ископаемых и выводом из эксплуатации.
Согласно другой оценке, эти значения составляют 0,08 Вт/м 2 для биомассы, 0,14 Вт/м 2 для гидроэнергии, 1,84 Вт/м 2 для ветра и 6,63 Вт/м 2 для солнечной энергии ( средние значения, при этом ни один из возобновляемых источников не превышает 10 Вт/м 2 ).
Связанные технологии
Биоэнергетика с улавливанием и хранением углерода (BECCS)
Технология улавливания и хранения углерода может использоваться для улавливания выбросов биоэнергетических установок. Этот процесс известен как биоэнергетика с улавливанием и хранением углерода (BECCS) и может привести к чистому удалению углекислого газа из атмосферы. Однако BECCS также может привести к чистым положительным выбросам в зависимости от того, как материал биомассы выращивается, собирается и транспортируется. Развертывание BECCS в масштабах, описанных в некоторых путях смягчения последствий изменения климата, потребует преобразования больших объемов пахотных земель.
Биоэнергетика с улавливанием и хранением углерода (BECCS) — это процесс извлечения биоэнергии из биомассы , а также улавливания и хранения углерода , тем самым удаляя его из атмосферы . BECCS может быть « технологией отрицательных выбросов » (NET). Углерод в биомассе поступает из двуокиси углерода, вызывающей парниковый эффект (CO 2 ), который извлекается из атмосферы биомассой по мере ее роста. Энергия («биоэнергия») извлекается в полезных формах (электричество, тепло, биотопливо и т. д.), поскольку биомасса утилизируется путем сжигания, ферментации, пиролиза или других методов преобразования.
Некоторая часть углерода в биомассе преобразуется в CO 2 или биоуголь , который затем может храниться путем геологической секвестрации или внесения в почву, соответственно, обеспечивая удаление двуокиси углерода (CDR).
Потенциальный диапазон отрицательных выбросов от BECCS оценивается от нуля до 22 гигатонн в год. По состоянию на 2019 год пять объектов по всему миру активно использовали технологии BECCS и улавливали примерно 1,5 миллиона тонн CO 2 в год . Широкое внедрение BECCS сдерживается стоимостью и доступностью биомассы.Аспекты климата и устойчивости
Воздействие биоэнергетики на климат значительно варьируется в зависимости от того, откуда поступает сырье для биомассы и как оно выращивается. Например, при сжигании древесины для получения энергии выделяется углекислый газ; эти выбросы можно значительно компенсировать, если вырубленные деревья заменить новыми деревьями в хорошо управляемом лесу, поскольку новые деревья будут поглощать углекислый газ из воздуха по мере своего роста. Однако создание и выращивание биоэнергетических культур может привести к вытеснению естественных экосистем , деградации почв и потреблению водных ресурсов и синтетических удобрений. Приблизительно одна треть всей древесины, используемой в качестве топлива, заготавливается неэкологичным образом. Биоэнергетическое сырье обычно требует значительного количества энергии для сбора, сушки и транспортировки; использование энергии для этих процессов может привести к выбросу парниковых газов. В некоторых случаях воздействие изменений в землепользовании , культивации и переработке может привести к более высоким общим выбросам углерода для биоэнергетики по сравнению с использованием ископаемого топлива.
Использование сельскохозяйственных угодий для выращивания биомассы может привести к тому, что для выращивания продовольствия будет доступно меньше земли . В Соединенных Штатах около 10% автомобильного бензина было заменено этанолом на основе кукурузы , для которого требуется значительная часть урожая. В Малайзии и Индонезии вырубка лесов для производства пальмового масла для биодизеля привела к серьезным социальным и экологическим последствиям , поскольку эти леса являются важными поглотителями углерода и средой обитания для различных видов. Поскольку фотосинтез захватывает лишь небольшую часть энергии солнечного света, для производства определенного количества биоэнергии требуется большое количество земли по сравнению с другими возобновляемыми источниками энергии.
Биотопливо второго поколения , которое производится из непищевых растений или отходов, снижает конкуренцию с производством продуктов питания, но может иметь другие негативные последствия, включая компромиссы с заповедными зонами и местное загрязнение воздуха. Относительно устойчивые источники биомассы включают водоросли , отходы и сельскохозяйственные культуры, выращенные на почве, непригодной для производства продуктов питания. Если источником биомассы являются сельскохозяйственные или бытовые отходы, их сжигание или преобразование в биогаз обеспечивает способ утилизации этих отходов.Воздействие на окружающую среду
Биоэнергетика может либо смягчить (т.е. уменьшить), либо увеличить выбросы парниковых газов . Также существует соглашение о том, что локальное воздействие на окружающую среду может быть проблематичным. Например, повышенный спрос на биомассу может создать значительное социальное и экологическое давление в местах производства биомассы. Воздействие в первую очередь связано с низкой поверхностной удельной мощностью биомассы. Низкая поверхностная плотность мощности приводит к тому, что для производства такого же количества энергии требуются гораздо большие площади суши по сравнению, например, с ископаемым топливом.
Перевозка биомассы на большие расстояния подвергалась критике как расточительная и неустойчивая, и в Швеции и Канаде были протесты против экспорта лесной биомассы.
Масштабы и будущие тенденции
В целом расширение производства биоэнергии в 2020 году сократилось на 50%. Китай и Европа — единственные два региона, которые сообщили о значительном увеличении в 2020 году, добавив 2 ГВт и 1,2 ГВт биоэнергетических мощностей соответственно.
Почти все имеющиеся отходы лесопиления уже используются для производства пеллет, поэтому возможности для расширения нет. Для значительного расширения биоэнергетического сектора в будущем необходимо, чтобы большая часть заготовленной балансовой древесины направлялась на заводы по производству пеллет. Однако заготовка балансовой древесины (прореживание деревьев) устраняет возможность старения этих деревьев и, следовательно, максимизирует их способность удерживать углерод. По сравнению с балансовой древесиной отходы лесопиления имеют более низкие чистые выбросы: «Некоторые виды исходного сырья из биомассы могут быть углеродно-нейтральными, по крайней мере, в течение нескольких лет, включая, в частности, отходы лесопиления. сбора урожая, и если их сжечь как отходы или оставить гнить, то в любом случае выброс углерода в атмосферу».
По стране
Смотрите также
Рекомендации
Источники
- Пишваи, Мир Саман; Мохсени, Шаян; Байрамзаде, Самира (2021). «Обзор сырья биомассы для производства биотоплива». Проектирование и планирование цепочки поставок биомассы в биотопливо в условиях неопределенности . Эльзевир. doi : 10.1016/b978-0-12-820640-9.00001-5 . ISBN 978-0-12-820640-9. S2CID 230567249 .
- Ахтар, Али; Крепль, Владимир; Иванова, Татьяна (05.07.2018). «Комбинированный обзор сжигания, пиролиза и газификации биомассы». Энергия и топливо . Американское химическое общество (ACS). 32 (7): 7294–7318. doi : 10.1021/acs.energyfuels.8b01678 . ISSN 0887-0624 . S2CID 105089787 .
- Лю, Гуанцзянь; Ларсон, Эрик Д.; Уильямс, Роберт Х .; Кройц, Томас Г .; Го, Сянбо (20 января 2011 г.). «Производство топлива и электроэнергии Фишера-Тропша из угля и биомассы: анализ производительности и затрат». Энергия и топливо . Американское химическое общество (ACS). 25 (1): 415–437. дои : 10.1021/ef101184e . ISSN 0887-0624 .
- Национальные академии наук, инженерии и медицины (2019 г.). Технологии отрицательных выбросов и надежное улавливание: программа исследований . дои : 10.17226/25259 . ISBN 978-0-309-48452-7. PMID 31120708 . S2CID 134196575 . Архивировано из оригинала 25 мая 2020 года.
- Центральный климат (23 октября 2015 г.). "Криминальное чтиво, сериал" . Проверено 12 февраля 2022 г. .
- IFL Science (14 марта 2016 г.). «Британские электростанции сжигают древесину из лесов США - для достижения цели по возобновляемым источникам энергии» .
- Альянс защитников леса (2021 г.). «В защиту лесов и против шведской модели лесного хозяйства: письмо политикам ЕС» .
- STAND.earth (2021-03-23). «Карта рисков: девственные леса и места обитания карибу, находящиеся под угрозой, перекрываются с предварительно оцененными зонами вывоза древесных гранул для Pinnacle / Drax в Британской Колумбии» .
- Тестер, Джефферсон (2012). Устойчивая энергетика: выбор между вариантами . Массачусетский технологический институт Пресс . ISBN 978-0-262-01747-3. OCLC 892554374 .
- Смил, Вацлав (2017а). Энергетические переходы: глобальные и национальные перспективы . Издательство Прегер . ISBN 978-1-4408-5324-1. OCLC 955778608 .
- МГЭИК (2014 г.). Эденхофер, О .; Пичс-Мадруга, Р.; Сокона, Ю.; Фарахани, Э.; и другие. (ред.). Изменение климата, 2014 г.: смягчение последствий изменения климата: вклад Рабочей группы III в Пятый оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-1-107-05821-7. OCLC 892580682 . Архивировано из оригинала 26 января 2017 года.
- Всемирная организация здравоохранения (2016 г.). Сжигание возможностей: чистая бытовая энергия для здоровья, устойчивого развития и благополучия женщин и детей (PDF) . ISBN 978-92-4-156523-3. Архивировано (PDF) из оригинала 13 июня 2021 г.