Использование биомассы для выработки энергии. Схемы (эскизы) установок

Аннотация

Аннотация:
Данная работа посвящена анализу использования биомассы в качестве источника возобновляемой энергии, что актуально в контексте глобальных экологических и энергетических вызовов современности. Основная тема исследования включает определение биомассы, историю её использования, современные технологии и перспективы в энергетике.
Проблемы объекта заключаются в экологической и экономической сложности использования биомассы, включая конкуренцию за земельные ресурсы, потенциальное ухудшение качества воды и почв, а также необходимость в значительных начальных инвестициях и разработке стимулирующих политик.

Введение
Введение в тему использования биомассы как источника возобновляемой энергии начинается с осознания экологических и экономических вызовов современности, связанных с традиционными источниками топлива. Переход к альтернативным источникам энергии приобретает все большую актуальность на фоне изменения климата, дефицита ресурсов и стремления к снижению уровня загрязнения окружающей среды. Биомасса, составляющая основу биоэнергетики, представляет собой органические материалы, получаемые из растений, животных и микроорганизмов, которые, будучи возобновляемыми, могут служить альтернативой ископаемым видам топлива, таким как нефть и уголь.

ГЛАВА 1: ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОМАССЫ ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭНЕРГИИ
1.1 Определение биомассы и её значение в контексте энергетики
В контексте энергетики, термин "биомасса" относится к любому органическому материалу, который может быть использован для производства энергии. Этот материал может включать в себя растения, древесину, сельскохозяйственные отходы, животные отходы и т.д. Биомасса служит источником возобновляемой энергии, что означает, что она является частью круговорота углерода в природе и может быть воспроизведена в течение короткого времени. Это отличает её от ископаемых топлив, таких как нефть и уголь, которые требуют миллионов лет для образования исходных материалов и являются невозобновляемыми ресурсами.
Значение биомассы в контексте энергетики заключается в её способности предоставлять энергию в различных формах, включая тепло, электричество и топливо для транспорта. Это делает биомассу важным компонентом для диверсификации источников энергии, что помогает уменьшить зависимость от нестабильных или невозобновляемых источников энергии. Более того, использование биомассы для производства энергии может снизить выбросы парниковых газов, таких как диоксид углерода, поскольку процесс сжигания биомассы в большинстве случаев считается углеродо-нейтральным, при условии правильного управления лесами и сельскохозяйственными угодьями.
Биомасса включает в себя разнообразный органический материал, полученный из растений, животных, микроорганизмов и их продуктов жизнедеятельности. Этот материал может быть использован для производства энергии различными способами, включая сжигание, биологическое переработку и химическую конверсию. Важно отметить, что биомасса имеет потенциал как для прямого, так и для косвенного использования в энергетике.
1.2 История и развитие использования биомассы в энергетике
Использование биомассы как источника энергии имеет долгую историю, уходящую корнями в древность. Ещё на заре цивилизации люди использовали биомассу для получения тепла и света. В качестве топлива применялись древесина, торф, растительные отходы и другие органические материалы.
С развитием технологий и промышленности использование биомассы для получения энергии стало более эффективным и разнообразным. В XIX веке были разработаны первые паровые машины, работающие на биомассе. В XX веке появились более совершенные технологии, такие как газификация и пиролиз, позволяющие получать из биомассы горючие газы и жидкие топлива.
Очень мощный импульс развитию технологии задал процесс открытия анаэробного гниения, после того как в конце 19 века было сделано открытие, что таким образом можно очищать сточные воды. В 1897 г. в больнице для больных проказой г. Бомбей (Индия) построили первую установку, газ которой использовали для освещения, а в 1907 г. для питания двигателя на производство электроэнергии [1].
Под термином "биомасса" подразумеваются органические материалы, образующиеся в растениях в результате фотосинтеза и способные быть использованными для получения энергии. Это включает все формы растительности, а также растительные отходы сельского хозяйства, деревообрабатывающей и других видов промышленнос. В более широком смысле, биомассой могут также считаться бытовые и промышленные отходы, не обязательно растительного происхождения, но которые могут быть эффективно использованы для производства энергии с применением аналогичных принципов.
Из 1 м3 биогаза можно произвести от 2 до 3 кВт⋅ч электроэнергии. Технологий генерирования электроэнергии, полученной из биомассы при ее газификации, несколько. Для выработки электроэнергии может использоваться такое электрогенерирующее оборудование: газотурбинные установки, паротурбинные установки, газодизельные установки или двигатели внутреннего сгорания с искровым зажиганием [2].

ГЛАВА 2: ТЕХНОЛОГИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИОМАССЫ ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭНЕРГИИ
2.1 Технологии производства биомассовой энергии
Исследования подтверждают, что практика использования биогаза имеет глубокие истоки, уходящие корнями в древние времена. Согласно данным, представленным Геродотом, древнегерманские племена, проживавшие в местностях с высоким содержанием болотных углеводородов, осваивали процесс использования выделяющегося болотного газа для своих потребностей, транспортируя его к своим жилищам посредством кожаных труб. Эффективность данной системы поддерживалась периодическим добавлением в болото шкур погибших животных и бытовых отходов, что способствовало продолжительному выделению газа.
Научное сообщество Европы впервые систематизировало явление выделения горючего газа при разложении органических материалов в XVII веке. Однако, активное развитие биогазовых технологий пришлось на вторую половину XIX века, когда были созданы первые биогазовые установки.
Английский физик Фарадей экспериментировал также с болотным газом и идентифицировал его как углеводород. Только в 1821 г. исследователю Авогадро удалось установить химическую формулу метана (СН4). Известный французский бактериолог Пастер в 1884 г. проводил испытания с биогазом, который он выделял из твердого навоза. Он впервые предложил использовать навоз с парижских конюшен для производства газа на освещение улиц [4].
На сегодняшний день значительное количество биогаза производится в странах с низким уровнем энергетической развитости. Тем не менее, в свете очевидных выгод, связанных с его производством и использованием, наблюдается растущий интерес к биогазовым установкам и в более развитых странах. Несмотря на ряд препятствий, таких как финансовые ограничения и инерция мышления управленцев, биогазовые установки начинают приобретать популярность среди предпринимателей, постепенно внедряясь в экономические и экологические системы.
Биогаз образуется в результате разложения анаэробными бактериями органических соединений и является смесью метана и углекислого газа. В зависимости от используемого в процессе брожения сырья, процент метана в биогазе варьируется от 50 % (из навоза крупного рогатого скота) до 85 % (из жировых отходов).
В качестве сырья для производства биогаза используются пищевые отходы, кормовые остатки, навоз свиней, КРС и птицы, отходы предприятий пищевой промышленности, а также специально выращиваемые энергетические растения (рапс, подсолнечник, кукуруза, свекла и т. д.), их ботва и солома, опилки, силос и многое другое, вплоть до опавших листьев и другого органического мусора. Любые отходы растительного и животного происхождения можно использовать для получения биогаза. Применительно к использованию биогазовых установок для переработки отходов животноводческих ферм, можно утверждать, что содержание одной коровы обеспечит производство 2,5 куб. м биогаза в сутки, одного откормочного быка — 1,6 куб. м, свиньи — 0,3 куб. м, курицы или утки — 0,02 куб. м.
В рамках процесса производства биогаза, органические отходы сначала подвергаются измельчению и увлажнению, перед тем как быть помещенными в специальную емкость, известную как анаэробная колонна или реактор . Внутри этой колонны происходит процесс сбраживания под действием метаногенных анаэробных бактерий, которые функционируют без доступа кислорода .
Для обеспечения оптимальных условий жизнедеятельности метановых бактерий необходимо поддерживать определенную температуру в пределах 40–70 градусов Цельсия . Также требуется регулярное перемешивание питательной смеси, чтобы обеспечить равномерное распределение бактерий внутри реактора .
Эффективность процесса сбраживания зависит от степени измельченности органических материалов. Чем мельче частицы, тем легче протекает процесс брожения . Поэтому перед тем как материалы будут помещены в реактор, их необходимо гомогенизировать до однородного состояния . Это может быть достигнуто с использованием энзимов или различных механических средств перемешивания, таких как жидкостные или ультразвуковые кавитаторы .
Современные биогазовые станции достигли высокой эффективности, позволяя получать от 350 до 500 литров биогаза из одного килограмма сухого органического сырья . Это свидетельствует о значительном потенциале данной технологии в области производства чистой энергии из органических отходов.
2.2 Преимущества и ограничения использования биомассы для энергетики
Исторический анализ преимуществ и ограничений использования биомассы для энергетики раскрывает сложную картину, включающую как положительные, так и отрицательные аспекты этого подхода. В начале человеческой цивилизации биомасса была основным источником энергии, используемой для обогрева, приготовления пищи и других жизненно важных потребностей. Это относится как к использованию древесины для топлива, так и к использованию животных для тяглового труда.
Преимущества использования биомассы для энергетики в том, что она является возобновляемым ресурсом, который может быть воспроизведен в течение относительно короткого времени. Это отличает биомассу от нефти, угля и других ископаемых топлив, которые требуют миллионов лет для формирования. Помимо этого, биомасса способствует сокращению выбросов парниковых газов при правильном управлении, так как процесс сжигания биомассы обычно считается углеродо-нейтральным.
Использование биомассы для энергетики также связано с рядом ограничений и проблем. Пыроизводство биомассы может конкурировать с производством пищевых культур на ограниченных сельскохозяйственных угодьях, что может привести к увеличению цен на продукты питания и недостатку пищевых ресурсов. Это особенно актуально в условиях, когда мировая популяция продолжает расти, а климатические изменения угрожают урожайности.

Заключение
Заключение данного реферата подводит итоги анализу использования биомассы в качестве возобновляемого источника энергии, оценивая его возможности, преимущества и сложности. Рассмотрение биомассы как альтернативного источника энергии освещает как возможности для снижения зависимости от ископаемых видов топлива и сокращения выбросов углекислого газа, так и потенциальные экологические, технические и социальные вызовы.