Реферат на тему биоэнергетика

Обновлено: 06.07.2024

Биоэнергетика — это выбор, имеющий глобальную перспективу для успешного развития цивилизации. Важными направлениями также должно стать производство биогаза и водорода из органических отходов. Но мы не должны забывать о том , что с каждым годом растений становиться меньше и нужно восполнять потери при их использовании.

Вложение	Размер
Биоэнергетика — это выбор, имеющий глобальную перспективу для успешного развития цивилизации.	23.22 КБ

Предварительный просмотр:

Сегодня в мире продолжают развиваться явления исчерпывания традиционного источника энергии, растет стоимость их добычи, интенсивно загрязняется окружающая среда, разрушается биосфера, образовывается большое количество отходов промышленного, сельскохозяйственного и бытового происхождения. Ликвидация всех этих проблем должна осуществляться ускоренными темпами.

Первая особенность биоэнергетики состоит в том, что все живые объекты являются термодинамически открытыми системами, которые успешно функционируют при условии постоянного обмена веществом и энергией с окружающей средой. Термодинамика таких систем существенным образом отличается от классической. Они становятся принципиально способными к самоорганизации и самоусовершенствованию.

Вторая очень важная особенность биоэнергетики такая как , обменные процессы в клетках происходят при отсутствии колебаний температуры, давления и объема. В энергии химической связи в полезную биологическую работу в отдельной клетке или в организме в целом происходит без преобразования химической энергии в тепловую.

Необходимо сказать , что в процессах преобразования энергии в живых объектах присутствуют электрохимические стадии. Совокупность электрохимических процессов, происходящих в клетках всех живых организмов биосферы, превышает мировые масштабы технического использования электрохимической энергии.

Растительная клетка - реальный в будущем источник энергии в технике. Но еще вероятней ее применение в информационных технологиях. В компьютерах информация передается с помощью световых потоков. Нужна компактная система восприятия этой информации. Диаметр белка, преобразующего световую энергию -10 нм . Если вы наносите на полупроводник слой белковых фотореакционных центров то, имея детектор размером 10нм, вы с таким же разрешением можете выводить поступающую на детектор информацию.

Растения непрерывно переводят солнечную энергию в органическое вещество, которое можно использовано как источник энергии, образовывающийся при его окислении. Большое преимущество растений в качестве источника энергии состоит в том, что они возобновляются с течением времени или продолжают расти после частичного сбора урожая. В последнее время повысился интерес к дереву как к топливу, особенно в некоторых штатах США, где дерева много. Дрова можно использовать для отопления домов, но сжигая их в современных экономичных некоторые бытовые приборы переводят с электричества на дровяные щепки. Форма биомассы для использования в качестве биотоплива может быть довольно разнообразной.
Биотопливо — топливо из биологического сырья, получаемое, как правило, в результате переработки биологических отходов. Различается жидкое биотопливо для двигателей внутреннего сгорания, твёрдое биотопливо дрова, брикеты и газообразное биогаз, водород. Биомассу в энергетических целях можно использовать в процессе непосредственного сжигания древесины, соломы, сапропеля , также в переработанном виде как жидкие :эфиры рапсового масла, спирты или газообразные топлива -например , биогаз — газовая смесь, основным компонентом которой является метан.. Конверсия биомассы как носителя энергии может происходить физическими, химическими и биологическими методами, последние являются наиболее перспективными.

Еще одним возможным путем дополнения и частичной замены традиционных видов топлива является получение и использование биогаза. Важный аргумент в пользу этого источника энергии необходимость решения на современном уровне экологических проблем, связанных с утилизацией отходов. Одна из тенденций при экологически безопасной переработке органических отходов — развитие комплексных технологий утилизации био-продукта за счет метанового сбраживания образовуется биогаз. Сырье для производства биогаза это -разнообразные отходы агропромышленного комплекса .Преобразование органических отходов в биогаз происходит после целого комплекса биохимических превращений. Этот процесс получил название ферментации биомассы. Он происходит благодаря бактериям и осуществляется в технологических установках — ферментаторах. Необходимость создания и поддерживания оптимальных условий для роста и существования культуры бактерий в ферментаторе определяет себестоимость получения биогаза. Оценивая с этой точки зрения экономическую эффективность переработки биомассы, сторонники этого подхода не учитывают, что биогазовые установки являются также оборудованием для переработки навоза и прочих органических отходов. Поэтому экономические затраты на их создание и эксплуатацию нужно рассматривать комплексно. При подсчете себестоимости биогаза нужно учитывать стоимость мероприятий по утилизации отходов и защиты окружающей среды. В таком случае построение и эксплуатация биогазовых установок всегда будет иметь положительный экономический эффект. Недавно появилась возможность переработки органических соединений растительного происхождения для получения водорода, что, с точки зрения экологии, является идеальным топливом, имеющим высокую теплообразовательную способность и сгорающим без образования каких-либо вредных примесей. Существуют бактерии, способные выделять водород под действием света. Некоторые ферменты параллельно с водородом образовывают и кислород, то есть происходит фотолиз воды. Примером может служить система, включающая хлоропласты или хлорофилл и фермент гидрогенеза. Хотя это направление пока не дало практических результатов, оно довольно перспективно для дальнейшего развития биоэнергетики.

Еще один способ использования растений в качестве источника энергии — это превращение растительных продуктов в спирт. Практически любой растительный материал химическим путем можно разложить до простых сахаров , а из него можно получить этиловый спирт. Существует очень простой факт, хорошо известный биологам. Он заключается в следующем. Для создания, а точнее, для биологического синтеза своих компонентов клетка должна получить из окружающей среды не только строительный материал, но и энергию. Когда клетка питается, например, глюкозой, она окисляет ее До углекислого газа и воды. В результате распада глюкозы выделяется энергия, которую клетка использует для всех своих нужд, в частности, для построения самых различных молекул. Этим способом, можно превращать в спирт излишки зерна, стебли кукурузы, древесные отходы, водоросли. Полученный спирт можно смешать с бензином в соотношении 1 :9 или даже 1 :4; этой смесью можно заправлять обычные двигатели внутреннего сгорания, произведя в них небольшие изменения. Используя растительный материал, который в противном случае пошел бы на выброс, можно существенным образом компенсировать нехватку нефти. Вряд ли, удастся добиться больших выгод, выращивая растительные культуры специально для производства спирта, так как для того , чтобы вырастить культуру, приходится затратить на машины и на удобрения столько же энергии, сколько удастся получить из нее.

Так же ,стоит обратить на системы энергоустановок, способные с помощью микроорганизмов преобразовывать энергию химических связей органических молекул в электрическую. Эти процессы позволят миновать тепловую стадию, трансформировав свободную энергию сразу в электрическую. В результате энергия химических соединений использована эффективно, при этом окружающая среда не будет загрязняться лишним теплом. Такие технологии теоретически позволяют снизить уровень потребления органического топлива, не уменьшая при этом уровень энергопотребления. Современные экспериментальные разработки биотопливных элементов могут продемонстрировали высокую частоту тока на электроде до 50 м/см2 и мощность более 1кВт . Для создания биоэнергетической установки надо решить ряд взаимосвязанных технологических задач.

В настоящее время во многих странах мира наблюдается повышение интереса к возобновляемым источникам энергии. Это связано с непрерывно уменьшающимися запасами ископаемых энергоносителей, ухудшением экологии, связанным с газовыми выбросами, приводящими к парниковому эффекту, а также желанием многих стран освободить энергетические источники от политической ситуации. Эти современные проблемы могут быть решены только при рациональном использовании всех существующих на Земле и околоземном пространстве источников топлива и энергии. Среди них биомасса, как постоянно возобновляемый источник топлива, занимает существенное место.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ . 3
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ БИОЭНЕРГЕТИКИ. 4
ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
БИОЭНЕРГЕТИКИ . 6
2.1. Использование древесины и соломы злаковых культур для
производства пеллет. 6
2.2. Производство газового топлива из твердой биомассы. . 7
2.3. Производство этанола. . 8
2.5. Производство биодизельного топлива. . 9
2.6. Производство биогаза. . 10
ГЛАВА 3. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ БИОЭНЕРГЕТИКИ В РОССИИ
12
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 14
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.

Вложенные файлы: 1 файл

реферат.docx

Министерство сельского хозяйства РФ

студентка 2 курса

ВВЕДЕНИЕ

Возобновляемый энергетический ресурс - постоянно действующие или периодически возникающие потоки энергии в результате естественных природных процессов.

Биоэнергетика - это новая отрасль народного хозяйства, которая связывает решение проблем получения топлива из биомассы и охраны окружающей среды. Это и научная дисциплина с фундаментальным и прикладным направлениями, изучающими и разрабатывающими пути биологической конверсии солнечной энергии в биомассу, а также биологическую и термохимическую трансформации биомассы в топливо и энергию.

Биоэнергетика создает огромный спрос на сельскохозяйственное сырье, позволяет сельхозпроизводителям решить проблему утилизации отходов, получить высококачественные органические удобрения, диверсифицировать источники энергоснабжения и обеспечить его устойчивость.

Основной целью реферата является оценить современное состояние и перспективы развития биоэнергетики в мире и России.

Основным методом исследования является анализ специальной литературы и интернет-ресурсов по данному вопросу.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ БИОЭНЕРГЕТИКИ

Скорость прироста вклада биомассы в мировой энергетический баланс, как видно из таблицы (см. ниже), существенно меньше, чем у других видов возобновляемых источников.

Однако уже в 2001 г., при общем производстве энергии в мире соответствующем 10 млрд. тонн н.э. (1 тонна н.э. (нефтяного эквивалента) = 1,43 тонн у.т. (условного топлива)- прим. ред.) вклад биомассы составил 1,1-1,2 млрд. тонн н.э., а суммарный вклад всех ВИЭ - 1,36 млрд. тонн н.э.

По прогнозам специалистов, к 2040 г. общее потребление энергии в мире достигнет 13,5 млрд. тонн н.э. (100%), вклад всех ВИЭ - 6,44 млрд. тонн н.э. (47,7%), вклад биомассы - 3,21 млрд. тонн н.э. (23,8%).

Европейский Союз (ЕС) к 2020 г. планирует довести вклад биоэнергетики в общий баланс производства энергии до 12%, что, с одной стороны, будет способствовать защите окружающей среды, особенно от транспортных выбросов, а с другой - уменьшению зависимости ЕС от импорта энергоносителей. Это может негативно отразиться на экспорте энергоносителей из России, но наша страна в состоянии восполнить возможные потери в экспорте традиционных энергоносителей производством и экспортом экологически чистых видов топлива.

ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ БИОЭНЕРГЕТИКИ

Основные перспективы развития биоэнергетики – это развитие производства и рынка энергетического оборудования и технологий использования биоэнергетики для надежного автономного экологически чистого энергообеспечения потребителей за счет экологически чистых местных возобновляемых источников энергии в районах, не подключенных к сетям централизованного энергоснабжения, освоение эффективных технологий сетевого электро- и тепло- снабжения на базе ВИЭ, расширение производства и использования новых видов топлив, получаемых из различных видов биомассы.

Основные направления использования биомассы - это производство пеллет (горючих брикетов) и древесной щепы (для прямого сжигания), газификация и пиролиз (био-сингаз, метанол для транспорта), производство этанола, биодизельного топлива, биоводорода и биогаза.

2.1. Использование древесины и соломы злаковых культур для производства пеллет.

Россия, в которой сосредоточена четвертая часть мировых запасов леса (82 млрд м3 или 41 млрд т древесины), может стать крупным экспортером древесной щепы и пеллет(прессованных гранул из отходов предприятий деревообработки) для Европы и других стран.

Лес в России занимает 2/3 территории -1,2 млрд. га. Без нанесения ущерба лесным плантациям можно ежегодно перерабатывать для энергетики, как минимум, до 0,16% или 130 млн. м3, т.е. 65 млн. тонн. Энергоемкость этого объема древесины равна 1,1 . 1018 Дж. Стоимость экспорта такого количества топлива может составить 3,9 млрд. евро/год, но для этого требуются очень крупные инвестиции в создание производственных мощностей и инфраструктуры.

Для производства пеллет также может использоваться солома злаковых и крупяных культур, масса накопления которой ежегодно составляет 80-100 млн. тонн. При использовании для получения пеллет только половины этой массы можно получить за счет экспорта до 1,2 млрд. евро.

Производство пеллет включает в себя 5 основных стадий:

Энергосодержание древесных пеллет составляет 17-18 МДж/кг (3 м3 древесных пеллет по энергосодержанию эквивалентны 1 м3 нефти), плотность - 650-700 кг/м3, диаметр - 6-16 мм, длина - 20-30 мм; содержание золы - 0,4-1,0%, влажность - 7-12%.

В свою очередь, пеллеты могут применяться для получения биосингаза и биоводорода, производства метанола, газификации.

2.2. Производство газового топлива из твердой биомассы.

Кроме традиционного прямого сжигания древесного топлива в котельных установках существуют технологии получения газового топлива из твердой биомассы, такие как пиролиз и газификация.

Пиролиз - термохимическая конверсия сырья без доступа воздуха при температуре 450-550 ОС, которая позволяет из 1 м3 абсолютно сухой древесины получать 140-180 кг древесного угля, не содержащего вредных примесей и используемого для получения лучших сортов стали, 280-400 кг жидких продуктов (метанола, уксусной кислоты, ацетона, фенолов) и 80 кг горючих газов (метана, моноокиси углерода, водорода).

Газификация - сжигание биомассы при температуре 900-1500 ОС в присутствии воздуха или кислорода и воды с получением синтезгаза (биосингаза), состоящего из смеси моноокиси углерода, водорода, и стеклообразной массы (7-10% от массы исходного материала), применяемой как наполнитель для дорожных покрытий. Газификация является более прогрессивным и экономичным способом использования биомассы в целях получения тепловой энергии, чем пиролиз.

В этой области биоэнергетики Россия имеет определенные реальные успехи в создании современного оборудования для газификации твердой биомассы (древесины, соломы, ТБО и др.). Из 1 кг пеллет можно получить около 0,6 кг биосингаза (0,28 кг н.э.). При переработке указанных выше потенциальных объемов древесины и соломы методами газификации можно получать в год до 85 млрд. м3 биоcингaзa на сумму 15 млрд. евро.

2.3. Производство этанола.

Этанол (С2Н5OН) - продукт спиртового брожения разнообразных сахаро- и крахмалосодер-жащих субстратов. Однако наиболее распространенными видами сырья для производства этанола являются отходы сахарного производства: багасса (сахарный тростник) или меласса (сахарная свекла), а также крахмал кукурузы, сорго, картофеля, пшеницы, риса.

Широкий интерес в мире к жидкому биотопливу (особенно к этанолу) для использования на транспорте значительно увеличился с 1970 по 1990 гг. В настоящее время интерес к жидкому топливу имеет тенденцию к продолжению роста из-за высоких цен на нефть, а также экологических аспектов.

Современное мировое производство этанола: 4 млн м3 - пищевой этанол, 8 млн м3 - этанол для химической промышленности, 20 млн м3 -топливный этанол. В двигателях внутреннего сгорания используется 26% этанола в смеси с бензином, в дизельных - 3%.

2.4. Производство биоводорода.

Биоводород из биомассы можно получать путем бутилового или ацетонобутилового брожения сахарозы или крахмала. При этом из 1 тонны мелассы образуется 80 м3 водорода. Это означает, что с 1 га плантаций сахарной свеклы можно получить до 140 м3водорода. Дополнительно к водороду из 1 тонны мелассы можно получить до 114 кг бутанола и до 36 кг ацетона.

Биоводород представляет собой превосходное чистое топливо. Его энергоемкость на единицу веса в 3 раза выше, чем у нефти. В процессе сгорания биоводород в отличие от всех углеродсодержащих видов топлива, не выделяет углекислого газа в атмосферу.

В СССР до конца 70-х годов ХХ столетия в эксплуатации находилось 4 ацетонобутиловых завода: в городах Грозном, Нальчике, Талице (Свердловской области) и Ефремове (Тульской области). К концу 90-х годов остались Грозненский и Ефремовский заводы. Ефремовский завод производил до 15 тыс. т растворителей и до 8,7 млн. м3 водорода в год, а Грозненский завод - до 22 тыс. т растворителей и 12,9 млн. м3 водорода в год. К сожалению, весь образующийся водород в то время выпускался в атмосферу.

2.5. Производство биодизельного топлива.

Биодизельное топливо - результат переработки растительных масел. По прогнозу, к 2020 г. мировое производство биодизельного топлива может составить 23 млн. т.

В Европе дизельное топливо получают из рапсового масла (1-1,5 т/га). Растительное масло эритрифицируется метанолом (1 тонн масла, 100 кг метанола, 100 кг глицерина) и добавляется в количестве 5% к традиционному дизельному топливу. Однако современные дизельные двигатели могут работать на 100% биодизельном топливе.

Россия имеет все возможности для выработки растительных масел с целью производства и экспорта биодизельного топлива. В 2000 г. в стране было произведено более 4 млн. тонн растительных масел. Для получения растительных масел у нас используется подсолнечник, лен, горчица, в меньших количествах - кукуруза, соя и рапс. Среди них ведущее место занимает подсолнечник.

Перспективно для России расширение посевов льна в средней полосе, а также подсолнечника, сои и рапса в Южных регионах. Так, например, стоимость рапсового масла, полученного в Башкирии в 2005 г., не превышала 4 руб./л.

2.6. Производство биогаза.

Биогаз (55-75% метана, 25-45% CO2) получают метановым брожением биомассы (80-90% влажности). Теплотворная способность биогаза составляет от 5 до 7 Мкал/м3 и определяется концентрацией метана в его составе. Количество метана, в свою очередь, зависит от биофизикохимических особенностей сырья и в некоторых случаях от применяемой технологии. Выход биогаза на 1 тонну абсолютно сухого вещества составляет 250-350 м3 для отходов крупного рогатого скота, 400 м3 для отходов птицеводства, 300-600 м3 для различных видов растений, до 600 м3 - для отходов спиртовых и ацетонобути-ловых заводов.

Например, переработка 1 т отходов крупного рогатого скота (85% влажности) позволяет получить до 40 м3 биогаза, содержащего 55-60% метана (22-24 МДж/нм3) и 40-45% СО2, а также органические удобрения.

Больше всего крестьянских биогазовых установок находится в Китае - более 10 млн. Они производят около 7 млрд. м3 биогаза в год, что обеспечивает топливом примерно 60 млн. крестьян. Среди промышленно развитых стран ведущее место в производстве и использовании биогаза принадлежит Дании - биогаз занимает до 18% в ее общем энергобалансе.

К производству биогаза относится также получение газа из мусора со свалок. В настоящее время во многих странах создаются специальные обустроенные хранилища для ТБО с целью извлечения из них биогаза для производства электрической и тепловой энергии.

Человечество переживает энергетические кризисы. В качестве источника энергии люди использовали сначала дрова, потом уголь, нефть, ядерное топливо, газ. Нефть начала заканчиваться давно. Сейчас на смену эпохи нефти и газа приходит эпоха возобновляемых источников энергии. Из возобновляемых самым большим потенциалом обладает биомасса.

Биомасса – образуется при фотосинтезе из диоксида углерода и воды с выделением кислорода. Это материалы растительного происхождения, которые могут быть использованы в качестве топлива для целей преобразования их энергетической компоненты. К биомассе относятся материалы, полученные в результате сельскохозяйственной или лесохозяйственной деятельности, которые соответствуют техническим требованиям (ТУ, ГОСТ, СТБ), предъявляемым к топливу, в их числе:

быстрорастущая древесина и продукты из нее – щепа, пеллеты и т.д.;
растительные отходы пищевой промышленности;
волоконные растительные отходы производства целлюлозы для изготовления бумаги;

- отходы древесины, за исключением отходов антисептированной, химически модифицированной и радиоактивной древесины, которые могут содержать галогены, тяжелые металлы или радионуклиды в количествах, превышающих уровни, установленные действующими нормативными документами для топливной древесины.

Энергия, получаемая при использовании биомассы, относительно дешева и имеются возможности ее накопления. В связи с малой мощностью электростанций, используемых в качестве топлива биомассу, к их преимуществам можно отнести также короткий срок проектирования и строительства, повышение надежности энергоснабжения, связанное с его децентрализацией, повышение эффективности использования топлива; снижение остроты проблемы избавления от отходов.

В соответствии со статьей 39 Закона Республики Беларусь "Об охране окружающей среды" и статьей 31 Закона "Об охране атмосферного воздуха" в Республике Беларусь возможно использование (в том числе для энергетических целей) материалов, соответствующих требованиям ТУ, ГОСТ, СТБ в предназначенных на то установках. При сжигании любого топлива образуются дымовые газы, которые содержат в своем составе загрязняющие вещества, поступающие в атмосферный воздух, расчет которых должен проводится по утвержденным в установленном порядке техническим нормативным правовым актам.

Биотопливо
1. Виды биотоплива
- Кородревесные отходы (кора, опилок, другие отходы лесозаготовки и лесопиления, санитарных рубок и рубок ухода)
- Древесное топливо (дровяная и низкосортная древесина, древесная щепа, древесные брикеты, гранулы, т.д.)
- Щелок (образуется при производстве целлюлозы)
- Шлам (ил) очистных сооружений
Торф является ископаемым топливом

Основные особенности
- Высокая влажность, 50-60% и выше
- Низкая теплота сгорания (особенно у ила)
- Возможность повышения качества топлива за счет его предварительной подготовки на месте
- Относительно низкая цена (отрицательная цена, если сжигаются собственные отходы, которые иначе вывозились бы на свалку)
- Ограниченное плечо перевозки (щелок и вовсе не возится, а используется исключительно на месте)