Энергетический урожай - Energy crop

Департамент окружающей среды, продовольствия и сельского хозяйства энергетических культур схема плантацию в Соединенном Королевстве. Энергетические культуры такого типа могут использоваться на обычных электростанциях или специализированных установках для выработки электроэнергии, снижая количество выбросов углекислого газа, получаемых из ископаемого топлива .

Энергетические культуры - это недорогие и неприхотливые в уходе культуры, выращиваемые исключительно для производства энергии путем сжигания (а не для пищевых продуктов). Урожай перерабатывается в твердое, жидкое или газообразное топливо , такое как пеллеты, биоэтанол или биогаз. Топливо сжигается для выработки электроэнергии или тепла.

Растения обычно делятся на древесные и травянистые . Древесные растения включают иву и тополь , травянистые растения включают Miscanthus x giganteus и Pennisetum purpureum (оба известны как слоновья трава ). Травянистые культуры, хотя физически меньше деревьев, хранят под землей примерно в два раза больше CO 2 (в виде углерода) по сравнению с древесными культурами.

Посредством биотехнологических процедур, таких как генетическая модификация, можно манипулировать растениями для получения более высоких урожаев. Относительно высокая урожайность также может быть получена при использовании существующих сортов . Однако некоторые дополнительные преимущества, такие как снижение сопутствующих затрат (т. Е. Затрат во время производственного процесса) и меньшее потребление воды, могут быть достигнуты только при использовании генетически модифицированных культур .

CO 2 нейтралитет

ПГ / CO 2 / углеродный отрицательный фактор для производственных путей Miscanthus x giganteus .
Взаимосвязь между урожайностью над землей (диагональные линии), органическим углеродом почвы (ось X) и потенциалом почвы для успешного / неудачного связывания углерода (ось Y). По сути, чем выше урожай, тем больше земли можно использовать в качестве инструмента снижения выбросов парниковых газов (включая земли, относительно богатые углеродом).

Количество секвестрированного углерода и количество выбрасываемых парниковых газов будут определять, будет ли общая стоимость жизненного цикла парниковых газов для биоэнергетического проекта положительной, нейтральной или отрицательной. В частности, жизненный цикл с отрицательным выбросом парниковых газов / углеродом возможен, если общее накопление углерода под землей более чем компенсирует общие выбросы парниковых газов над землей в течение жизненного цикла. Whitaker et al. оценить , что для Miscanthus × Гигантеуса , углеродной нейтральности и даже негатива находится в пределах досягаемости. По сути, урожайность и связанное с ней связывание углерода настолько высоки, что с лихвой компенсируют как выбросы от хозяйственной деятельности, так и выбросы при преобразовании топлива и транспортные выбросы. На графике показаны два CO 2- отрицательных пути образования мискантуса x giganteus , представленные в граммах CO 2 -эквивалентов на мегаджоуль. Желтые ромбы представляют средние значения.

Следует отметить, что успешное связывание зависит от участков посадки, поскольку лучшими для связывания являются почвы с низким содержанием углерода. Разнообразие результатов, отображаемых на графике, подчеркивает этот факт.

Milner et al. утверждают, что в Великобритании ожидается успешная секвестрация пахотных земель на большей части территории Англии и Уэльса, с неудачной секвестрацией в некоторых частях Шотландии из-за уже богатых углеродом почв (существующих лесных массивов). Кроме того, в Шотландии относительно низкие урожаи в этом более холодном климате затрудняют достижение отрицательного эффекта CO 2 . Почвы, уже богатые углеродом, включают торфяники и спелые леса. Пастбища также могут быть богаты углеродом, и Milner et al. далее утверждают, что наиболее успешное связывание углерода в Великобритании происходит под улучшенными лугами.

На нижнем графике отображается расчетная урожайность, необходимая для достижения отрицательного содержания CO 2 для различных уровней существующей углеродной насыщенности почвы.

Многолетний, а не однолетний характер посевов мискантуса означает, что ежегодное существенное накопление углерода под землей может продолжаться в неизменном виде. Отсутствие ежегодной вспашки или перекопки означает отсутствие повышенного окисления углерода и стимуляции популяций микробов в почве, и, следовательно, отсутствие ускоренного преобразования органического углерода в CO 2 в почве каждую весну.

Типы

Твердая биомасса

Слоновая трава ( Miscanthus giganteus ) - экспериментальная энергетическая культура.

Твердая биомасса, часто гранулированная , используется для сжигания на тепловых электростанциях либо отдельно, либо совместно с другими видами топлива. В качестве альтернативы он может использоваться для производства тепла или комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ).

В сельском хозяйстве с короткими поросльями (SRC) быстрорастущие породы деревьев, такие как ива и тополь , выращиваются и собираются короткими циклами от трех до пяти лет. Эти деревья лучше всего растут в условиях влажной почвы. Не исключено влияние на местные водные условия. Следует избегать создания вблизи уязвимых водно-болотных угодий .

Газовая биомасса (метан)

Целые культуры, такие как кукуруза , суданская трава , просо , донник белый и многие другие, можно перерабатывать в силос, а затем превращать в биогаз . Анаэробные варочные котлы или биогазовые установки могут быть напрямую дополнены энергетическими культурами после того, как они были силосованы в силос. Самым быстрорастущим сектором немецкого биофардинга является область «Возобновляемые источники энергии» на почти 500 000 га (1 200 000 акров) земли (2006 г.). Энергетические культуры также можно выращивать для повышения урожайности газа, если сырье имеет низкую энергетическую ценность, например, навоз и испорченное зерно. Подсчитано, что в настоящее время выработка энергии от биоэнергетических культур, преобразованных с помощью силоса в метан, составляет около 2  ГВт-ч / км 2 (1,8 × 10 10  БТЕ / кв. Миль ) в год. Небольшие предприятия смешанного земледелия с животными могут использовать часть своих площадей для выращивания и преобразования энергетических культур и обеспечивать потребности всей фермы в энергии, занимая примерно одну пятую площадей. Однако в Европе и особенно в Германии этот быстрый рост произошел только при значительной государственной поддержке, как в немецкой системе бонусов за возобновляемые источники энергии . Подобные разработки по интеграции растениеводства и производства биоэнергии с использованием силоса и метана почти полностью игнорировались в Северной Америке, где политические и структурные проблемы и продолжающийся огромный толчок к централизации производства энергии затмили позитивные изменения.

Жидкая биомасса

Биодизель

Кокосы, высушенные на солнце в Кожикоде , Керала, для изготовления копры, сушеного мяса или ядра кокоса . Кокосовое масло, извлеченное из него, сделало копру важным сельскохозяйственным товаром для многих стран-производителей кокосов. Он также дает кокосовый жмых, который в основном используется в качестве корма для домашнего скота.
Чистый биодизель (B-100), изготовленный из соевых бобов

Производство биодизеля из энергетических культур в Европе неуклонно росло в последнее десятилетие, в основном сосредоточенное на рапсе, используемом для производства масла и энергии. Производство масла / биодизеля из рапса только в Германии составляет более 12 000 км 2 , а за последние 15 лет оно увеличилось вдвое. Типичный выход масла в виде чистого биодизеля составляет 100 000 л / км 2 (68 000 галлонов США / кв. Миль; 57 000 имп. Гал / кв. Мил.) Или выше, что делает биодизельные культуры экономически привлекательными при условии использования устойчивых севооборотов, сбалансированных по питательным веществам и предотвращающих распространение такой болезни, как кила . Урожайность биодизеля из сои значительно ниже, чем у рапса.

Типичное масло, экстрагируемое по массе
Обрезать Масло %
копра 62
касторовое семя 50
кунжут 50
ядро арахиса 42
ятрофа 40
рапс 37
пальмовое ядро 36
семена горчицы 35 год
подсолнечник 32
пальмовый плод 20
соя 14
семена хлопка 13

Биоэтанол

Двумя ведущими непродовольственными культурами для производства целлюлозного биоэтанола являются просо и гигантский мискантус . В Америке существует озабоченность по поводу целлюлозного биоэтанола, поскольку сельскохозяйственная структура, поддерживающая биометан, отсутствует во многих регионах, и нет системы кредитов или бонусов. Следовательно, много частных денег и надежд инвесторов возлагается на рыночные и патентоспособные инновации в ферментном гидролизе и аналогичных процессах. Травы также являются энергетическими культурами для биобутанола .

Биоэтанол также относится к технологии использования в основном кукурузы (семян кукурузы) для производства этанола непосредственно путем ферментации. Однако в определенных полевых условиях и условиях процесса этот процесс может потреблять столько же энергии, сколько и энергетическая ценность производимого им этанола, поэтому он не является устойчивым. Новые разработки в области преобразования барды (называемой бардой дистилляторов или DGS) в биогаз выглядят многообещающими как средство улучшения низкого энергетического коэффициента этого типа процесса биоэтанола.

Использование энергетических культур в разных странах

В Швеции часто используют иву и коноплю .

В Финляндии трава канарской тростника является популярной энергетической культурой.

Использование энергетических культур на тепловых электростанциях

См. Также: Биомасса § Тепловые_конверсии

Существует несколько методов уменьшения загрязнения и сокращения или устранения выбросов углерода электростанциями, работающими на ископаемом топливе . Часто используемый и рентабельный метод - переоборудовать установку для работы на другом топливе (например, энергетических культурах / биомассе). В некоторых случаях торрефикация биомассы может принести пользу электростанции, если энергетические культуры / биомасса являются материалом, который будет использовать преобразованная электростанция на ископаемом топливе. Кроме того, при использовании энергетических культур в качестве топлива и при внедрении производства биоугля тепловая электростанция может даже стать углеродно-отрицательной, а не просто углеродно-нейтральной. Повышение энергоэффективности угольной электростанции также может снизить выбросы.

Биотопливо и устойчивость

В последние годы биотопливо стало более привлекательным для многих стран в качестве возможной замены ископаемого топлива. Поэтому понимание устойчивости этого возобновляемого ресурса очень важно. Использование биотоплива дает множество преимуществ, таких как сокращение выбросов парниковых газов , более низкая стоимость, чем ископаемое топливо, возобновляемые источники энергии и т. Д. Эти энергетические культуры можно использовать для выработки электроэнергии. Доказано, что древесная целлюлоза и биотопливо в сочетании со стационарным производством электроэнергии очень эффективны. За последние 5 лет мировое производство биотоплива увеличилось на 109%, и ожидается, что этот показатель вырастет еще на 60% для удовлетворения наших потребностей (по данным Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) / Продовольствия и сельского хозяйства Организация (ФАО)).

Прогнозируемое увеличение использования / потребности в энергетических культурах вызывает вопрос о том, является ли этот ресурс устойчивым. Увеличение производства биотоплива связано с проблемами, связанными с изменениями в землепользовании, воздействием на экосистему (почву и водные ресурсы), и усугубляет конкуренцию за использование земельного пространства для выращивания энергетических культур, продуктов питания или кормовых культур. Растения, которые лучше всего подходят для производства биоэнергетического сырья, должны быть быстрорастущими, давать высокие урожаи и требовать очень мало энергии для роста и сбора урожая и т. Д. Использование энергетических культур для производства энергии может быть выгодным из-за их углеродной нейтральности. Он представляет собой более дешевую альтернативу ископаемому топливу, но при этом чрезвычайно разнообразен по видам растений, которые можно использовать для производства энергии. Но вопросы, касающиеся стоимости (дороже, чем другие возобновляемые источники энергии), эффективности и пространства, необходимого для поддержания производства, должны быть рассмотрены и улучшены, чтобы обеспечить повсеместное применение биотоплива.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки