«Биомасса – аккумулятор энергии»

Министерство образования, науки и молодежной политике  Краснодарского края Государственное бюджетное профессиональное образовательная учреждение Краснодарского края венцы сельскохозяйственный техникум Проектная работа по учебным дисциплинам «Химия», «Физика» на тему: «Биомасса – аккумулятор энергии» Работу выполнили: Зуев Владислав Сергеевич, студент   12   «Т»   группы,   Ковера   Артем Александрович  11 «Т»  группы   специальность 32.02.06   Технология   производства   и переработки сельскохозяйственной продукции Руководители: Есауленко Е.П., преподаватель физики,   Светличная   Л.С.,   преподаватель химии п.Венцы 2018г. Содержание Введение  Глава 1. Понятие биомассы как аккумулятора энергии 1.1. Химический состав биомассы 1.2. Каким образом образуется биомасса 1.3. Биомасса – основные данные 1.4. Пища или топлива 1.5. Энергетическая емкость 1.6. Преимущество биомассы как источника энергии 1.7. Экологические преимущества 1.8. Топливо из биомассы 1.9. Методы получения энергии из биомассы 3 4 4 4 6 6 8 9 10 12 14 Глава 2. Практическая часть 21 Изучение биогазовой установки на примере предприятия ООО Дмитриевская Кавказского района 2.1. Биогазовые установки 2.2. Исследование рациональности получения и использования  биогаза                                                                                                            24 Заключение                                                                                                             24 Список использованной литературы                                                                   25 Приложения                                                                                                            26 21 Введение Биомасса,   как   производная   энергии   Солнца   в   химической   форме,   является одним из наиболее популярных и универсальных ресурсов на Земле. Она позволяет получать не только пищу, но и энергию, строительные материалы, бумагу, ткани, медицинские   препараты   и   химические   вещества.   Биомасса   используется   для энергетических   целей   с   момента   открытия   человеком   огня.   Сегодня   топливо   из биомассы   может   использоваться   для   различных   целей   ­   от   обогрева   жилищ   до производства электроэнергии и топлив для автомобилей. Актуальность Использование   биомассы   даёт   уникальную   возможность   частичного   решения глобальных   мировых   проблем,   к   которым   относят   недостаток   энергии   и энергоресурсов, ухудшение экологического состояния и изменение климата. Кроме того, использование возобновляемых источников энергии помогает частично решить экономические и социальные проблемы на региональном и национальном уровнях. Гипотеза Биомасса как биотопливо может стать альтернативой современным видам топлива. Цель: выяснить, правда ли биомасса может стать «будущим» электроэнергетики. Задачи: 1) Изучить виды получения энергии из биомассы и проблемы их использования. 2)   Исследовать   различные   виды   переработки   биомассы   как   альтернативу используемым видам топлива. Сделать вывод: стоит ли вводить широкое применение переработки биомассы. Методы исследования Для реализации цели и задач я использовал следующие методы: Теоретический: Ознакомиться с литературой по интересующей теме. Практический: исследовать свойства биомассы в рамках возможности химической лаборатории, рассчитать экономическую выгоду производства биотоплива. Значимость Теоретическая   значимость   ­   углубить   химические,   физические,   экологические   и экономические знания. Практическая значимость ­ доказать руководителям предприятий целесообразность использования биомассы как вид альтернативной энергетики и биотоплива. Глава 1. Понятие биомассы как аккумулятора энергии Биом сса   (биоматерия)   ­   совокупная   масса   растительных   и   животных аа организмов, присутствующих в биогеоценозе. Биомасса   по   существу   состоит   из   макромолекулярных   органических полимеров ­лигнин, целлюлоза и гемицеллюлоза. Биомасса  — пятый по  производительности  возобновимый  источник энергии после  прямой  солнечной, ветровой,  гидро  и геотермальной  энергии. Ежегодно  на земле   образуется   около   170   млрд   т.   первичной   биологической   массы   и приблизительно тот же объём разрушается. Биомасса   —   крупнейший   по   использованию   в   мировом   хозяйстве возобновляемый ресурс (более 500 млн т.у.т./год). Условное топливо­единица учёта тепловой ценности топлива, применяемая для сопоставления   различных   видов   топлива.   Принято,   что   теплота   сгорания   1   кг твёрдого (жидкого) У. т. (или 1 м3 газообразного) 29,3 МДж (7000 ккал) Биомасса применяется для производства тепла, электроэнергии, биотоплива, биогаза (метана, водорода).  1.1. Химический состав биомассы         Химический  состав  биомассы   может   различаться   в  зависимости   от   ее  вида. Обычно   растения   состоят   из   25%   лигнина   и   75%   углеводов   или   сахаридов. Углеводородная фракция состоит из множества молекул сахаридов, соединенных между   собой   в   длинные   полимерные   цепи.   К   наиболее   важным   категориям углеводородов можно отнести целлюлозу. Лигниновая фракция состоит из молекул несахаридного типа. Природа использует длинные полимерные молекулы целлюлозы для образования тканей, обеспечивающих прочность растений. Лигнин представляет собой "клей", который связывает молекулы целлюлозы между собой. 1.2. Каким  образом образуется биомасса?         Двуокись   углерода   из   атмосферы   и   вода   из   грунта   участвуют   в   процессе фотосинтеза   с   получением   углеводов   (сахаридов),   которые   и   образуют "строительные блоки" биомассы. Таким образом, солнечная энергия, используемая при фотосинтезе, сохраняется в химической форме в биомассовой структуре. Если мы сжигаем биомассу эффективным образом (извлекаем химическую энергию), то кислород из атмосферы и углерод, содержащийся в растениях, вступают в реакцию с образованием двуокиси углерода и воды. Процесс является циклическим, потому что двуокись углерода может вновь участвовать в производстве новой биомассы.      В дополнение к своему эстетическому значению земной флоры биомасса представляет собой полезный и значимый ресурс   для   человека.   В   течение   тысячелетий   люди добывали   энергию   Солнца,   сохраненную   в   виде   энергии химических   связей,   сжигая   биомассу   в   качестве   топлива или употребляя ее в пищу, используя энергию сахаров и крахмала.   В   течение   нескольких   последних   веков человечество научилось добывать ископаемую биомассу, в частности, в виде угля. Ископаемые   виды   топлива   представляют   собой   результат   очень   медленной химической   трансформации   полисахаридов   в   химические   соединения,   сходные   с лигниновой   фракцией.   В   результате   химический   состав   угля   обеспечивает   более концентрированный   источник   энергии.   Все   виды   ископаемого   топлива,   которые потребляет   человечество   ­   уголь,   нефть,   природный   газ   ­   представляют   собой древнюю   биомассу.   В   течение   миллионов   лет   на   Земле   остатки   растений превращаются в топливо. Несмотря на то, что ископаемое топливо состоит из тех же компонентов   ­   водорода   и   углерода   ­   как   и   "свежая"   биомасса,   оно   не   может рассматриваться в качестве возобновляемого источника, потому что его образование требует весьма длительного времени.           Другое   важное   различие   между   биомассой   и   ископаемыми   видами   топлива определяется   их   воздействием   на   окружающую   среду.   В   процессе   разложения растения   химические   вещества   попадают   в   атмосферу.   Напротив,   ископаемое топливо "заперто" глубоко под землей и не воздействует на атмосферу до тех пор, пока не будет сожжено.          Древесина, по­видимому, является наиболее известным примером биомассы. В процессе   сжигания   высвобождается   энергия,   которую   дерево   усвоило,   поглотив солнечные   лучи.   Однако,   древесина   ­   только   один   пример   биомассы.   Кроме древесины могут использоваться и другие виды биомассы ­ сельскохозяйственные отходы (например, жом сахарного тростника, стебли кукурузы, рисовая солома и шелуха,   скорлупа   орехов),   древесные   отходы   (например,   опилки,   порубочные остатки, щепа), бумажные отходы, отходы зеленых насаждений в городском мусоре, энергетические   растения   (быстрорастущие   деревья,   например,   тополь   или   ива,   и такие   травы,   как   switchgrass   or   elephant   grass   ),   а   также   метан,   собранный   на полигонах   твердых   бытовых   отходов   (ТБО),   станциях   очистки   муниципальных сточных   вод.   Для   этой   цели   может   использоваться   и   навоз   животноводческих   и птицеферм.      Биомасса считается одним из ключевых возобновляемых энергетических ресурсов будущего. Сегодня она обеспечивает 14% потребления первичной энергии. Для трех четвертей   населения   человечества,   живущих   в   развивающихся   странах,   биомасса является самым важным источником энергии. Увеличение населения и потребления энергии   на   одного   жителя,   а   также   истощение   ресурсов   ископаемого   топлива приведут к быстрому увеличению спроса на биомассу в развивающихся странах. В среднем, в развивающихся странах биомасса обеспечивает 38% первичной энергии (а в   некоторых   странах   90%).   Весьма   вероятно,   что   биомасса   останется   важным глобальным источником энергии в развивающихся странах в течение всего 21 века. Использование биомассы в качестве источника энергии в мире      Потребление биомассы растет быстрыми темпами и в развитых странах. В некоторых развитых   странах   биомасса   используется весьма   интенсивно.   Например,   Швеция   и Австрия   обеспечивают   15%   потребности   в первичных   энергоносителях   за   счет биомассы.   Швеция   планирует   увеличить   потребление   биомассы   в   будущем, сопроводив этот рост закрытием атомных и тепловых электростанций, использующих ископаемые виды топлива.          В США, где 4% энергии получают из биомассы (почти столько же, как от атомных электростанций), сегодня работают установки, сжигающие биомассу для получения электроэнергии общей установленной мощностью 9000 МВт. Биомасса может   с   легкостью   обеспечить   более   20%   энергетических   потребностей   страны. Другими   словами,   имеющиеся   земельные   ресурсы   и   инфраструктура   сельского хозяйства позволяют заменить все работающие атомные станции без изменения цен на   продовольственные   товары.   Более   того,   использование   биомассы   для производства этанола могло бы уменьшить импорт нефти на 50%. Распределение биомассы в мире 1.3. Биомасса – основные данные Общая масса живой материи (включая влажность) ­ 2000 миллиардов тонн  Общая масса наземных растений ­ 1800 миллиардов тонн  Общая масса леса ­1600 миллиардов тонн  Количество наземной биомассы на одного жителя ­ 400 тонн  Количество   энергии,   накопленной   наземной   биомассой   ­   25   000   ЭДж   (1 ЭДж=10+18 Дж)  Годовой прирост биомассы ­ 400 000 миллионов тонн  Скорость накопления энергии наземной биомассой ­ 3000 ЭДж/год (95 TВт)  Общее потребление всех видов энергии ­ 400 ЭДж/год (12 TВт)  Потребление энергии биомассы ­ 55 ЭДж/год (1,7 TВт) 1.4. Пища или топливо? Большая   часть   критики   использования   биомассы,   особенно   в крупномасштабном производстве топлива, связана с опасениями, что оно отвлекает сельское   хозяйство   от   производства   пищи,   особенно   в   развивающихся   странах. Основной аргумент заключается в том, что программы выращивания энергетических растений   конкурируют   с   выращиванием   пищевых   культур   различными   способами (сельское   хозяйство,   инвестиции   в   сельские   районы,   инфраструктура,   вода, удобрения, обученные человеческие ресурсы и т.д.), а это может привести к нехватке продовольствия и повышению цен. Однако, это так называемое противоречие "пища против   топлива"   оказывается   преувеличенным   во   многих   случаях.   Предмет обсуждения   более   сложен,   чем   это   обычно   представляется,   поскольку сельскохозяйственная   и   экспортная   политика   снабжения   продовольствием представляют   собой   факторы   огромного   значения.   Аргументы   должны анализироваться с учетом реальной ситуации в мире, отдельной стране или регионе с обеспечением и потребностью в продовольствии (увеличением излишков продуктов питания   в   большинстве   промышленных   и   некоторых   развивающихся   странах), использованием   продовольствия   в   качестве   корма   для   скота,   недостаточным использованием   аграрного   потенциала,   увеличивающимся   потенциалом сельскохозяйственного   производства   и   преимуществами   или   недостатками производства биотоплива. Недостаток   продовольствия   и   увеличение   цен,   с   которыми   столкнулась Бразилия   несколько   лет   тому   назад,   часто   связывали   с   реализацией   программы "ProAlcool".   Однако   тщательное   изучение   не   подтверждает,   что   производство этанола отрицательно воздействует на рынок продовольствия, поскольку Бразилия остается одним из самых больших экспортеров сельскохозяйственной продукции, а рост   производства   продуктов   питания   обгоняет   темпы   роста   населения. Производство зерновых в стране в 1976 году составляло 416 кг на человека, а в 1987 году ­ 418 кг. Из 55 млн га земельных угодий, предназначенных для выращивания пищевых культур, только 4.1 млн га (7.5%) были использованы для выращивания сахарного тростника, что составляет только 0.6% общей площади страны, пригодной для экономического использования или 0.3% территории Бразилии. При этом только 1.7   млн   га   были   использованы   для   производства   этанола.   Таким   образом, противоречие   между   пищевыми   и   энергетическими   культурами   не   является критическим.   Более   того,   замена   выращиваемых   культур   на   сахарный   тростник привела   к   увеличению   выращиваемой   пищи,   поскольку   багасса   (тростник   после гидролизной   обработки)   и   сухие   дрожжи   используются   для   питания   животных. Недостаток продовольствия и увеличение цен в Бразилии были вызваны комбинацией политических   и   экономических   причин   ­   политикой   увеличения   экспорта, гиперинфляцией,   обесцениванием   денег,   политикой   контроля   цен   на   продукты местного   производства   и   т.д.   В   этих   условиях   любые   возможные   негативные воздействия производства этанола могут рассматриваться как часть общих проблем, но не единственной проблемой. Важно   отметить,   что   развивающиеся   страны   испытывают   на   себе   как продовольственную,   так   и   энергетическую   проблемы.   Поэтому   адаптация сельскохозяйственной практики должна учитывать это обстоятельство и развивать эффективные   методы   использования   имеющейся   земли   и   других   ресурсов   для удовлетворения как пищевых, так и энергетических потребностей с использованием агролесной системы. Наличие Земли Фундаментальным   отличием   биомассы   от   других   видов   топлив   является потребность в земле для ее выращивания. При этом возникает вопрос, как и кем эта земля   будет   использоваться.   Существует   два   базовых   подхода   для   определения способа   использования   земли.   В   рамках   "технократического"   подхода рассматриваются потребности, затем идентифицируются биологические источники, территории для выращивания и возможный экологический эффект. Такой подход игнорирует   многие   местные   и   большинство   удаленных   эффектов,   вызываемых плантациями   биомассы,   а   также   игнорирует   мнение   местных   фермеров,   которые знают   местные   условия.   В   результате   многие   проекты   в   прошлом   оказались неудачными.   В   рамках   "комплексного"   подхода   задается   вопрос,   каким   образом нужно   использовать   землю   для   обеспечения   устойчивого   развития,   и рассматривается,   какое   сочетание   методов   и   выращиваемых   культур   приведет   к оптимальному   использованию   конкретного   участка   земли   для   удовлетворения потребностей в пище, топливе, корме для скота, социальном развитии и т.д. Такой подход требует полного понимания сложных вопросов землепользования. Необходимо отметить, что продуктивность биомассы может быть увеличена, потому что во многих местах сегодня она низкая и составляет менее 5 т/га в год для древесных   видов   в   условиях   неэффективного   менеджмента.   Повышение эффективности   является   ключевым   моментом   как   для   формирования конкурентоспособных   цен,   так   и   для   лучшей   утилизации   пригодных   земель. Улучшение   может   включать   идентификацию   быстрорастущих   видов,   успешное размножение   и   использование   комбинаций   культур,   новые   знания   о   выращивании растений   и   биотехнологиях,   которые   могут   привести   к   увеличению производительности растений в 5 ­ 10 раз по сравнению с их природным ростом. Сегодня  является  возможным,  в  случае хорошего  менеджмента, проведения исследований   и   выращивания   отобранных   видов   растений   на   пригодных   землях получить от 10 до 15 т/га в год в районах с умеренным климатом и от 15 до 25 т/га в год в тропических странах. Рекордное значение 40 т/га в год (сухой вес) достигнуто при выращивании эвкалипта в Бразилии и Эфиопии. Высокий выход биомассы может быть   достигнут   при   выращивании   трав,   если   существуют   пригодные агроэкологические   условия.   Например,   в   Бразилии   средний   выход   сахарного тростника вырос от 47 до 65 т/га (вес урожая) в течение последних 15 лет, в то время как в таких регионах, как Гавайи, Южная Африка и Квинсленд (Австралия) обычным урожаем   считается   100   т/гa.   Представляется   возможным   достичь   трехкратного увеличения производительности для различных видов выращиваемых культур, как это было сделано для зерновых в течение последних 45 лет. Однако это потребует интенсивных аналогичных усилий и развития инфраструктуры. 1.5. Энергетическая емкость При рассмотрении энергетического потенциала к биомассе относят все формы материалов растительного происхождения, которые могут быть использованы для получения   энергии:   древесину,   травяные   и   зерновые   культуры,   отходы   лесного хозяйства и животноводства и т.д. Поскольку биомасса представляет собой твердое топливо, ее можно сравнивать с углем. Теплотворная способность сухой биомассы составляет около 14 МДж/кг. Аналогичное значение для каменного угля и лигнита составляет 30 МДж/кг и 10­20 МДж/кг (см. таблицу далее). В момент образования (сбора   урожая)   биомасса   содержит   большое   количество   воды,   от   8   до   20%   в пшеничной соломе, 30 ­ 60% в древесине, до 75 ­ 90% в навозе сельскохозяйственных животных   и   95%   в   водном   гиацинте.   В   противоположность   этому,   влажность каменного угля находится в диапазоне от 2 до 12%. Поэтому плотность энергии в биомассе на этапе возникновения ниже, чем у каменного угля. С другой стороны, биомасса   имеет   преимущества   с   точки   зрения   химического   состава.   Зольность биомассы   значительно   ниже,   чем   угля.   Кроме   того,   в   золе   биомассы   обычно   не содержатся тяжелые металлы и другие загрязнители, поэтому она может вноситься в почву в качестве удобрения. Обычно   биомассу   ошибочно   причисляют   к   низкосортным   видам   топлива, поэтому во многих странах ее использование даже не отражается в статистических отчетах. Однако она обеспечивает большую гибкость снабжения энергоносителями ввиду большого количества видов топлива, которые могут быть из нее получены. Энергия   биомассы   может   использоваться   для   производства   тепловой   и электрической   энергии   посредством   сжигания   в   современных   устройствах   ­   от миниатюрных   домашних   котлов   до   многомегаваттных   электростанций, использующих газовые турбины. Системы, использующие биомассу в энергетических целях, обеспечивают экономическое развитие без увеличения парникового эффекта, поскольку   биомасса   является   нейтральной   по   отношению   к   выбросам   СО2 в атмосферу   в   случае,   если   ее   производство   и   использование   осуществляется разумным   образом.   Биомасса   обладает   другими   щадящими   экологическими свойствами   (малой   эмиссией   серы   и   оксидов   азота)   и   может   способствовать реабилитации деградированных земель. Растет понимание того, что использование биомассы   в   больших   коммерческих   системах   основано   на   устойчивых, аккумулированных ресурсах и отходах и может улучшить управление природными ресурсами в целом. Энергетическая емкость ­ сравнительная таблица Вид Содержание воды, % МДж/кг КВт∙ч/кг Дуб Сосна Солома Зерновые Рапсовое масло Антрацит Бурый уголь Печное топливо Биометанол Вид Канализационный газ Древесный газ Биогаз из навоза Природный газ 20 20 15 15 ­ 4 20 ­ ­ 14,1 13,8 14,3 14,2 37,1 30,0­35,0 10,0­20,0 42,7 19,5 МДж/м3 16,0 5,0 22,0 31,7 3,9 3,8 3,9 3,9 10,3 8,3 5,5 11,9 5,4 кВт∙ч/м3 4,4 1,4 6,1 8,8 Водород 10,8 3,0 1.6. Преимущества биомассы как источника энергии Экономическое развитие сельскохозяйственных районов как в развитых, так и развивающихся странах является одним из преимуществ использования биомассы. Увеличение   доходов   фермеров   и   диверсификация   рынка,   уменьшение   аграрного перепроизводства   и   дополнительные   денежные   поступления,   увеличение конкурентоспособности   на  международном   рынке,  общее   оживление   экономики  в сельских районах, уменьшение негативного воздействия на окружающую среду ­ все это   является   важными   факторами   использования   биомассы   в  качестве   источника энергии. Новые финансовые поступления фермеров и сельского населения улучшают материальное   положение   сельских   общин   и   могут   приводить   к   дальнейшей активизации   локальной   экономики.   Наконец,   это   означает   замедление   темпов миграции в города, что очень важно для многих регионов в мире. Увеличение   рабочих   мест   (для   производства,   выращивания   и   утилизации биомассы) и промышленный рост (развитие предприятий для производства жидких топлив,   другие   виды   промышленности,   энергетика)   могут   быть   огромными. Например, департамент сельского хозяйства  США  оценил, что 17 тысяч рабочих мест   создается   для   производства   каждого   миллиона   галлонов   этанола.   В   свою очередь,   исследовательский   институт   электрической   энергии   оценил,   что производство 5 квадриллионов Бте (Британская тепловая единица) электроэнергии на   площади   50   миллионов   акров   увеличит   доходы   фермеров   на   12   миллиардов долларов   США   ежегодно   (США   потребляет   ежегодно   90   квадриллионов   Бте). Обеспечение   фермеров   стабильным   доходом   создает   новый   рынок   и   усиливает локальную   экономику,   создавая   циркуляцию   денежных   средств   в   локальных сообществах. Улучшение   использования   аграрных   ресурсов   часто   предлагается   в   ЕС. Развитие альтернативного рынка сельскохозяйственных продуктов приводит к более эффективному   использованию   посевных   площадей,   которые   недостаточно используются   во   многих   странах   ЕС.   В   1991   году   128   миллионов   га   в   ЕС использовалось для выращивания зерновых. Примерно 0.8 млн га были выведены из использования в рамках программы сокращения производства. Значительно большее количество   земли   планируется   вывести   из   производства   в   будущем.   Ясно,   что переориентация   части   этих   земель   для   непродуктовой   утилизации   (например, биомасса   для   производства   энергии)   помогла   бы   избежать   нерационального использования   аграрных   ресурсов.   Европейское   сельское   хозяйство   основано   на производстве   ограниченного   количества   культур,   в   основном   использующихся   в качестве пищи для людей и животных, и многие из этих культур производятся с избытком. Падение цен привело к снижению и нестабильности доходов европейских фермеров.   Выращивание   энергетических   культур   может   уменьшить перепроизводство. Такие культуры могут быть конкурентоспособны по отношению к выращиванию избыточных пищевых сортов растений. 1.7. Экологические преимущества Использование энергии биомассы обладает многими уникальными качествами, Человеческая   деятельность, которые обеспечивают его экологические преимущества. Оно может способствовать смягчению проблемы изменения климата, уменьшить количество кислотных дождей, эрозию почвы, загрязнение водоемов и нагрузку на полигоны ТБО, обеспечить среду для существования диких видов животных и помочь поддерживать здоровые условия существования   лесов   с   помощью   лучшего менеджмента. Изменение климата Изменение климата вызывает растущую озабоченность в   мире.   особенно сжигание   ископаемых   видов   топлива,   приводит   к выбросу   сотен   миллионов   тонн   так   называемых парниковых   газов   (ПГ)   в   атмосферу.   ПГ   включают, например, такие газы, как двуокись углерода (CO2) и метан (CH4). Озабоченность связана с тем, что ПГ в атмосфере   могут   изменить   климат   Земли,   что   приведет   к   изменению   биосферы, обеспечивающей   жизнь   на   Земле.   Технологии   энергетического   использования биомассы   могут   минимизировать   этот   эффект.   И   двуокись   углерода,   и   метан представляют собой большую угрозу, однако CH4 в 20 раз более эффективен с точки зрения парникового эффекта, чем CO2 (хотя и обладает меньшим сроком жизни в атмосфере). Сбор метана, выделяющегося на полигонах ТБО, на станциях очистки сточных вод, в хранилищах навозных стоков уменьшает выбросы метана в атмосферу и   позволяет   использовать   его   энергию   для   производства   электроэнергии   или   в двигателях   транспортных   средств   в   качестве   топлива.   Все   растения,   включая   и специально   выращиваемые   на  энергетических   плантациях,  накапливают   углерод   в процессе   роста,   уменьшая   количество   углерода   в   атмосфере.   Другими   словами, двуокись углерода, выделяющаяся  в процессе сжигания биомассы, поглощается в процессе   последующего   роста   растений,   реализуя   так   называемый   замкнутый углеродный цикл. В действительности, количество связанного углерода может быть большим выделяющегося при сжигании, потому что большинство растений является многолетними. В процессе заготовки они срезаются, а не выкорчевываются. Корни при   этом   остаются   в   земле,   стабилизируя   почву   и   регенерируя   в   процессе последующих сезонов. Кислотные дожди Кислотные   дожди   вызываются   преимущественно   попаданием   в   атмосферу фосфора и оксидов азота в процессе сжигания топлива. Кислотные дожди негативно воздействуют на человека и дикую природу, в частности, озера очень чувствительны к   ним.   Поскольку   биомасса   не   содержит   фосфора,   ее   сжигание   не   приводит   к образованию кислотных дождей. Более того, биомасса может быть легко смешана с углем, что дает возможность использовать "совместное сжигание". Под совместным сжиганием здесь понимается использование биомассы вместе с углем в традиционных угольных котлах тепловых электростанций или отопительных котельных. Это очень простой   способ   уменьшения   эмиссии   фосфора   и,   как   следствие,   уменьшения количества кислотных дождей. Эрозия почвы и загрязнение грунтовых вод Растения могут уменьшать загрязнение грунтовых вод различными способами. Энергетические   плантации   могут   располагаться   на   непригодных   землях, затапливаемых территориях, а также местах, разделяющих посевные площади. Во всех случаях энергетические культуры стабилизируют почву, уменьшая эрозию. Они также уменьшают потери питательных веществ, что предохраняет водные системы. Наличие растений может создавать условия для жизни водных обитателей, например, различных   видов   рыб.   Поскольку   обычно   энергетические   культуры   являются многолетними и не сажаются каждый год, машины реже посещают поля, уменьшая уплотнение   почвы   и   нарушение   ее   структуры.   Другим   вариантом   уменьшения загрязнения воды при использовании биомассы является сбор метана при анаэробном сбраживании в лагунах с навозными стоками из ферм крупного рогатого скота и птицы.   Эти   огромные   лагуны   ответственны   за   загрязнение   многочисленных   рек. Использование   анаэробного   сбраживания   позволяет   фермерам   уменьшать неприятный   запах,   использовать   собранный   метан   для   производства   энергии   и получать жидкие или полусухие удобрения, которые могут использоваться на месте или продаваться. 1.8. Топливо из биомассы Наиболее распространенными источниками биомассы являются растения. Они использовались в виде древесины, торфа или соломы в течение тысячелетий. Сегодня западный мир не так как раньше смотрит на этот высокоэнергетический вид топлива. Это произошло из­за распространенного мнения, что использование угля, нефти и электричества   чище,   более   эффективно   и   более   соответствует   высокому   уровню технологии. Однако это впечатление не совсем верно. Растения могут специально выращиваться   для   энергетических   целей   или   могут   быть   изъяты   из   окружающей среды. На плантациях обычно используются те виды, которые производят большое количество биомассы за короткое время. Это могут быть древесные виды (как ива или эвкалипт) или другие быстрорастущие растения (например, сахарный тростник, кукуруза или соя). Древесные отходы Древесина   добывается   на   постоянной   основе:   в   лесах   в   процессе   вырубки. Оценить   ежегодный   прирост   лесов   на   Земле   достаточно   сложно.   По   одной   из приблизительных оценок он составляет 12,5x109 м3/год с содержанием энергии 182 ЭДж. Это соответствует 1,3 от общего потребления угля на планете. Среднегодовая добыча древесины в период 1985­1987г.г. составила 12,5x109 м3/год (эквивалент 40 ЭДж/год). Таким образом, часть прироста может быть дополнительно   использована   в  энергетических  целях   в процессе ухода за лесами и, возможно, даже увеличения при этом их производительности. В процессе прореживания лесных плантаций создается большое   количество   древесных   отходов.   Сегодня   они зачастую остаются гнить на месте. Это происходит даже в   странах,   в   которых   ощущается   недостаток   топлива. Древесные   отходы   могут   быть   собраны,   высушены   и использованы   в   качестве   топлива   частными   и   местными   промышленными потребителями,   однако   большой   объем   и   влажность   делают   их   транспортировку экономически нецелесообразной. В развивающихся странах, широко использующих древесный уголь в качестве топлива, производство угля в печах на месте образования отходов может уменьшить расходы на транспортировку. Механические рубительные машины   для   производства   древесной   щепы   (30­40  мм)   были   созданы   в  Европе   и Северной   Америке   в   течение   последних   15   лет.   Такая   щепа   может   быть   легко высушена и использована в специализированных котлах. Использование порубочных остатков   для   отопления   и/или   производства   электроэнергии   представляет   собой растущий   бизнес   во   многих   странах.   Американские   энергоснабжающие   компании имеют   более   9000   МВт   мощностей,   работающих   с   использованием   биомассы (эквивалент 9 атомных блоков). Большинство установок построено за последние 10 лет.   В   Австрии   общая   мощность   домашних   котлов   и   котлов   централизованного теплоснабжения (ЦТ), сжигающих древесные отходы, кору и щепу, достигает 1250 МВт. Мощность большинства котлов ЦТ находится в диапазоне 1­2 МВт. Имеется несколько   установок   большей   мощности   (15   МВт)   и   большое   количество   малых когенерационных установок. Следующим   источником   древесных   отходов   является   обработка   деловой древесины.  Сухие  опилки и другие отходы,  возникающие  в  процессе  распиловки, представляют собой качественное топливо. По существующим оценкам, британская мебельная промышленность поставляет 35000 тонн таких отходов в год (третья часть от   общего   количества),   обеспечивая   0,5   ПДж   энергии   для   отопления   и   горячего водоснабжения, а также для получения пара. В Швеции, где биомасса уже сегодня обеспечивает   около   15%   первичной   энергии,   отходы   лесной   и деревообрабатывающей промышленности дают 200 ПДж в год, в основном в качестве топлива для ТЭЦ. источник     биомассы. Отходы сельского хозяйства Сельскохозяйственные   отходы   представляют   собой огромный   Отходы растениеводства   и   животноводства   обеспечивают значительное количество энергии, уступающее только древесине, которая является главным видом топлива из биомассы на Земле. Сельскохозяйственные отходы включают:   отходы   растительных   культур,   например, солому,   некондиционную   продукцию   и   излишки производства, а также отходы животноводства в виде навоза. В Индии в 1985 году в качестве топлива было использовано 110 млн тонн навоза и растительных остатков, что близко к объему использования древесины ­ 133 млн тонн. В Китае количество сельскохозяйственных отходов в 2,2 раза превышает количество древесного топлива. Каждый год в мире образуются миллионы тонн соломы. Более половины этого количества   не   используется.   Во   многих   странах   она   сжигается   на   полях   или запахивается   в   землю.   В   некоторых   развитых   странах   экологическое законодательство запрещает сжигание соломы на полях. Это привлекло внимание к соломе как к потенциальному источнику энергии. Энергетическое использование растительных остатков вызывает вопрос о том, какое количество может быть использовано без негативного воздействия на урожай. В соответствии с опытом развитых стран, около 35% растительных остатков может быть удалено без воздействия на будущий урожай. Промышленные   отходы,   содержащие   биомассу,   также   могут   быть использованы для производства энергии. Например, из отходов производства спирта можно   получить   горючий   газ.   Другие   полезные   виды   отходов   включают   отходы пищевой и текстильной промышленности. Быстрорастущие растения Биомасса   может   специально   выращиваться   на энергетических плантациях в виде деревьев или других видов   растений,   например,   травы   (сорго,   сахарный тростник).   Все   эти   виды   растений   могут   быть использованы   в   качестве   топлива.   Основным преимуществом   при   этом   является   короткий   период выращивания   ­   обычно   от   трех   до   восьми   лет.   Для некоторых видов трав урожай может собираться каждые 6­12 месяцев. В мире существует около 100 миллионов гектаров земли, используемой для плантаций древесных культур. Важными   параметрами   при   выборе   видов   растений   для   выращивания   на энергетических   плантациях   являются:   наличие   вида   на   местном   рынке,   простота разведения, устойчивость развития в неблагоприятных условиях и продуктивность, выраженная   в   производстве   сухой   биомассы   на   гектар   в   год   (т/га/год). Продуктивность представляет собой параметр, определяющий способность растения использовать местные ресурсы. Это наиболее важный фактор при решении вопроса о производстве биомассы с целью оптимизировать ее производство на определенной территории   в   определенный   период   времени   с   наименьшими   затратами.   По   этой причине   высокопроизводительные   виды   биомассы   предпочтительны   для производства энергии. Некоторые   виды   растений   демонстрируют   высокую   продуктивность   по сравнению с другими при выращивании в одинаковых условиях. Несмотря на то, что продуктивность   различных   древесных   пород   зависит   от   типа   почвы   и   климата, некоторые породы деревьев явно выделяются на общем фоне. Например, некоторые сорта эвкалипта имеют продуктивность 65 т/га/год сухой биомассы, виды Salix and Populus показывают соответственно 30 и 43 т/га/год. 1.9. Методы получения энергии из биомассы Практически   все   виды   "сырой"   биомассы   достаточно   быстро   разлагаются, поэтому   немногие   пригодны   для   долговременного   хранения.   Из­за   относительно низкой энергетической плотности транспортировка биомассы на большие расстояния нецелесообразна. Поэтому в последние годы значительные усилия были предприняты для поисков оптимальных методов ее использования. Методы получения энергии из биомассы основаны на следующих процессах: Прямое сжигание биомассы.  Термохимическое преобразование для получения обогащенного топлива. Процессы этой категории включают пиролиз, газификацию и сжижение.  Биологическое   преобразование.   Такие   естественные   процессы,   как   анаэробное сбраживание и ферментация приводят к образованию полезного газообразного или жидкого топлива. В   некоторых   из   перечисленных   процессов   побочным   продуктом   является тепло. Оно обычно используется на месте образования или на небольшом удалении для   теплоснабжения,   в   химических   процессах   или   для   производства   пара   и последующего получения электроэнергии. Основным продуктом процессов является твердое, жидкое или газообразное топливо: древесный уголь, заменители или добавки к   бензину,   газ   для   продажи   или   производства   электроэнергии   с   использованием паровых или газовых турбин. Сжигание Технология прямого сжигания представляет собой наиболее очевидный способ извлечения   энергии   из   биомассы.   Она   проста,   хорошо   изучена   и   коммерчески доступна.   Существует   множество   типов   и   размеров   систем   прямого   сжигания,   в которых можно сжигать различные виды топлива: птичий помет, соломенные тюки, дрова,   муниципальные   отходы   и   автомобильные   шины.   Тепло,   получаемое   при сжигании биомассы, может использоваться для отопления и горячего водоснабжения, для производства электроэнергии и в промышленных процессах. Одной из проблем, связанных с непосредственным сжиганием, является его низкая эффективность. В случае использования открытого пламени большая часть тепла теряется. Сжигание древесины может быть разбито на 4 фазы: Кипение воды, содержащейся в древесине. Даже древесина, высушенная в течение нескольких лет, содержит от 15 до 20% воды в клеточной структуре. Выделение газовой (летучей) составляющей. Очень важно, чтобы эти газы сгорали, а не "вылетали в трубу". Выделяющиеся   газы   смешиваются   с   атмосферным   воздухом   и   сгорают   под воздействием высокой температуры. Сгорание остатков древесины (преимущественно углерод). При хорошем сжигании энергия   используется   полностью.   Единственным   остатком   является   небольшое количество золы. Для эффективного сжигания необходимы три условия: Достаточно высокая температура. Достаточное количество воздуха. Достаточное время для полного сгорания. Если количество поступающего воздуха недостаточно, сгорание происходит не полностью. При этом образуется черный дым, состоящий из несгоревшего углерода. В   результате   образуются   отложения   сажи   в   дымоходе,   повышающие   опасность возгорания. Если количество поступающего воздуха слишком велико, то температура в   зоне   горения   снижается   и   газы   покидают   ее   несгоревшими,   унося   тепло. Правильное количество воздуха приводит к оптимальному использованию топлива. При этом не образуются запах и дым, невелика опасность возгорания в дымоходе. Регулирование   количества   воздуха   зависит   от   конструкции   дымохода   и   тяги, которую он может обеспечить. Прямое сжигание является простейшим и наиболее распространенным методом получения   энергии,   содержащейся   в   биомассе.   Кипячение   воды   в   кастрюле   над горящими дровами представляет собой простейший процесс. К сожалению, он также является и малоэффективным, как показывают простейшие вычисления. Один   кубический   метр   сухой   древесины   содержит  10  ГДж   энергии  (десять миллионов   кДж).   Для   нагревания   1   литра   воды   на   1   градус   требуется   4,2   кДж тепловой энергии. Для того, чтобы довести до кипения литр воды, потребуется менее 400 кДж, содержащиеся в 40 кубических сантиметрах древесины ­ то есть небольшая деревянная палочка. На практике на открытом огне потребуется, по крайней мере, в 50 раз большее количество древесины. Эффективность преобразования не превышает 2%. Разработка печей или котлов, способных эффективно использовать  энергию топлива,   требует   понимания   процессов   сгорания   твердого   топлива.   Первым процессом, потребляющим энергию, является испарение содержащейся в древесине воды. Для относительно сухого топлива на испарение используется лишь несколько процентов от общего количества выделяемой энергии. В самом процессе сгорания всегда   имеются   две   стадии,   потому   что   любое   твердое   топливо   содержит   две сгораемые   составляющие.   Летучие   компоненты   выделяются   из   топлива   при повышении   температуры   в   виде   смеси   паров   и   испаренных   смол   и   масел.   При сжигании этих продуктов образуются небольшие пиролизные струи. Современные устройства для сжигания (котлы) обычно производят тепло, пар, используемый в промышленных процессах, или электроэнергию. Устройство систем прямого   сжигания   варьируется   в   зависимости   от   варианта   использования.   Выбор топлива   также   влияет   на   дизайн   и   эффективность   систем   сжигания.   Системы прямого сжигания биомассы подобны аналогичным устройствам, сжигающим уголь. На практике биомасса может сжигаться совместно с углем в небольшой пропорции в существующих   угольных   котлах.   Биомасса,   сжигаемая   совместно   с   углем, представляет   собой   дешевое   сырье,   например,   отходы   лесного   или   сельского хозяйства.   Это   помогает   уменьшить   выбросы   в   атмосферу,   обычно   связанные   с использованием угля. Уголь представляет собой окаменевшую в течение миллионов лет   биомассу.   В   процессе   нагрева   и   сжатия   в   глубинах   земной   коры   уголь накапливает такие химические элементы, как фосфор и ртуть. В процессе сжигания угля   для   производства   тепловой   или   электрической   энергии   эти   элементы высвобождаются   и   попадают   в   атмосферу.   В   "сырой"   биомассе   эти   элементы отсутствуют. Пиролиз Пиролиз   представляет   собой   простейший   и,   по­видимому,   самый   старый способ   преобразования   одного   вида   топлива   в   другой   с   лучшими   показателями. Разные   виды   высокоэнергетического   топлива   могут   быть   получены   с   помощью нагрева сухой древесины и даже соломы. Процесс использовался в течение столетий для   получения   древесного   угля.   Традиционный   пиролиз   заключается   в   нагреве исходного   материала   (который   часто   превращается   в   порошок   или   измельчается перед помещением в реактор) в условиях почти полного отсутствия воздуха, обычно до   температуры   300   ­   500   °C   до   полного   удаления   летучей   фракции.   Остаток, известный под названием древесный уголь, имеет двойную энергетическую плотность по   сравнению   с  исходным   материалом   и   сгорает   при   значительно   более   высоких температурах. В зависимости от влажности и эффективности процесса, 4­10 тонн древесины   требуется   для   производства   1   тонны   древесного   угля.   В   случае   если летучие   вещества   не   собираются,   древесный   уголь   содержит   две   трети   энергии исходного сырья. Пиролиз   может   проводиться   в   присутствии   малого   количества   кислорода (газификация), воды (паровая газификация) и водорода (гидрогенизация). Одним из наиболее полезных продуктов в этом случае является метан, представляющий собой топливо для производства электроэнергии с помощью высокоэффективных газовых турбин. Более сложная техника пиролиза позволяет собрать летучие вещества. Кроме того, контроль температуры позволяет контролировать их состав. Жидкие продукты могут использоваться в качестве жидкого топлива. Однако они содержат кислоты и должны   очищаться   перед   использованием.   Быстрый   пиролиз   растительных материалов, например, древесины или скорлупы орехов, при температурах 800­900 градусов   Цельсия   приводит   к   образованию   10%   твердого   древесного   угля   и преобразует 60% исходного сырья в газ, содержащий большое количество водорода и монооксида   углерода.   Этот   метод   может   составить   конкуренцию   традиционному пиролизу,   однако   для   широкого   коммерческого   использования   его   необходимо отработать. В   настоящее   время   традиционный   пиролиз   считается   наиболее привлекательным   видом   технологии.   Использование   относительно   низких температур означает, что в атмосферу  попадает малое  количество загрязнителей, если   сравнивать   со   сжиганием.   Это   обстоятельство   дает   экологическое преимущество   пиролизу   при   переработке   некоторых   видов   отходов. Предпринимаются   попытки   использования   малых   пиролизных   установок   для переработки   отходов   производства   пластика,   а   также   использованных автомобильных шин. Хранение или захоронение этих материалов вызывает растущую озабоченность в мире.  Газификация Базовые   принципы   газификации   изучаются   и   развиваются   с   начала девятнадцатого века. Во время Второй мировой войны около миллиона автомобилей приводились   в   движение   с   помощью   газификаторов   на   биомассе.   Интерес   к газификации вновь возрос во время энергетического кризиса 70­х годов, а затем упал вместе с снижением цен на нефть в 80­х годах. По оценкам Мирового Банка (1989) всего лишь 1000­3000 газификаторов установлено в мире, преимущественно в Южной Америке для производства древесного угля. В процессе газификации древесины образуется горючий газ, представляющий собой смесь водорода, угарного газа (монооксида углерода), метана и некоторых негорючих сопутствующих компонентов. Это достигается частичным сжиганием и частичным нагревом биомассы (с использованием тепла ограниченного горения) в присутствии   древесного   угля   (естественного   продукта   сжигания   биомассы).   Газ может   использоваться   вместо   бензина.   При   этом   мощность   автомобильного двигателя снижается на 40%. Возможно, что в будущем этот вид топлива станет основным источником энергии для электростанций. Синтетические топлива В газификаторах, использующих кислород вместо воздуха, можно получать газ, состоящий   преимущественно   из   H2,   CO   и   CO2.   Представляет   интерес   то обстоятельство, что после удаления СО2 можно получить так называемый синтез­газ, из которого в свою очередь можно синтезировать практически любое углеводородное сырье. В частности, при взаимодействии Н2 и СО получается чистый метан. Другим возможным   продуктом   является   метанол   ­   жидкий   углеводород   с   теплотворной способностью   23   ГДж/т.   Производство   метанола   требует   организации   сложного химического   процесса   с   высокими   температурами   и   давлением   и   дорогого оборудования. Несмотря на это, интерес к производству метанола объясняется тем, что   он   представляет   собой   ценный   продукт   ­   жидкое   топливо,   способное непосредственно   заменить   бензин.   В   настоящее   время   производство   метанола   с использованием   синтез­газа   не   является   коммерческим.   Однако   технология существует для использования угля в качестве сырья. Она была развита странами, имеющими большой угольный потенциал, в периоды перебоев с поставками нефти. Ферментация Ферментация   сахарного   раствора   является   процессом,   при   котором производится   этанол   (этиловый   спирт).   Этанол   является   высокоэнергетическим жидким  топливом, которое может использоваться вместо бензина в автомобилях. Этот   вид   топлива   успешно   используется   в   Бразилии.   Пригодным   сырьем   для производства этанола является сахарная свекла или фрукты. Сахароза может быть получена из овощного крахмала и целлюлозы в процессе пульпирования и варки, а также   из   целлюлозы   после   измельчения   и   обработки   горячими   кислотами.  После ферментации в течение 30 часов раствор содержит 6­10% спирта, который может быть выделен в процессе дистилляции. Ферментация   представляет   собой   анаэробный   биологический   процесс,   в котором сахар превращается в спирт под воздействием микроорганизмов (обычно дрожжей). Обычным продуктом является этанол (C2H5OH), а не метанол (CH3OH). Он может использоваться в двигателях внутреннего сгорания: либо непосредственно в специально модифицированных двигателях, либо в качестве добавки к бензину. При этом получается так называемый газохол ­ бензин, содержащий до 20% этанола. Ценность   конкретного   вида   биомассы   в   качестве   сырья   для   ферментации зависит от его способности образовывать сахар. Наилучший из известных источников этанола   ­   сахарный   тростник   или   меласса,   остающаяся   после   выделения тростникового сока. Другие культуры, содержащие углеводороды в виде крахмала (картофель, кукуруза и другие зерновые) требуют дополнительной обработки для получения   сахара   из   крахмала.   Этот   процесс   реализуется   при   производстве некоторых алкогольных напитков с помощью ферментов, содержащихся в солоде. Даже   древесина   может   быть   сырьем.   Однако   содержащиеся   в   ней   углеводороды (целлюлоза)   с   трудом   разлагаются   до   сахаров   под   воздействием   кислоты   и ферментов, вызывая сложности при практической реализации процесса. Жидкость,   получающаяся   в   процессе   ферментации,   содержит   около   10% этанола,   который   нужно   выделить   с   помощью   дистилляции   для   дальнейшего использования. Энергетическое содержание конечного продукта около 30 ГДж/т или 24 ГДж/м3. Процесс требует большого количества тепла, которое обычно получается из   растительных   отходов   (например,   жома   сахарного   тростника   или   стеблей   и початков кукурузы). Потери энергии в процессе ферментации значительны, однако этот   недостаток   компенсируется   удобством   использования   и   транспортировки жидкого топлива, относительно низкой ценой и доступностью технологии. Анаэробное сбраживание Природа обладает средством разрушения и удаления отходов, а также мертвых растений и животных. Работу по разрушению производят бактерии. Навоз и компост, использующиеся в качестве удобрения, также получаются в процессе декомпозиции органических материалов. Если части отмирающих растений и животных попадают в воду,   то   в   последствии   на   поверхности   воды   можно   заметить   пузырьки, поднимающиеся со дна. Газ, содержащийся в пузырьках, способен возгораться. Этот загадочный феномен известен человеку многие века. Секрет был раскрыт учеными около   200   лет   тому   назад.   Процесс   представляет   собой   разложение   органики   в отсутствии воздуха (кислорода). Газ, образование которого обычно отмечалось на болотах, был назван и до сих пор называется болотным газом. Этот газ, называемый также биогазом, представляет собой смесь метана (CH4) и двуокиси углерода (CO2). Впервые биогаз был исследован и описан Александро Вольта (Alessandro Volta) в 1776 году. Хемфри Деви (Humphery Davy) впервые в начале 1800 года показал, что горючий  газ  метан  содержится  в навозе.  В  дальнейшем   были  развиты  биогазовые технологии, позволяющие получить биогаз из любых биодеградирующих материалов в искусственно созданных условиях. Анаэробное сбраживание, как и пиролиз, реализуется при отсутствии воздуха. Однако в этом случае декомпозиция происходит под воздействием бактерий, а не высоких   температур.   Это   процесс,   происходящий   практически   во   всех биологических   материалах   и   ускоряющийся   в   теплых   и   влажных   условиях (естественно,   при   отсутствии   воздуха).   Часто   он   имеет   место   при   разложении растений на дне водоемов. Анаэробное   сбраживание   также   происходит   в   условиях,   создаваемых   в процессе   человеческой   деятельности.   Например,   биогаз   образуется   в   местах концентрации сточных вод, навозных стоков ферм, а также твердых бытовых отходов на   свалках   и   полигонах.   В   обоих   случаях   биогаз   представляет   собой   смесь, преимущественно   состоящую   из   метана   и   двуокиси   углерода.   Основные   отличия заключаются   в   природе   исходного   материала,   масштабах   и   темпе   образования биогаза, приводящие к весьма отличающимся технологиям для этих источников. Химия   процесса   образования   биогаза   достаточно   сложна.   Сложная   популяция бактерий разлагает органические материалы в сахара, а затем в различные кислоты, из которых в свою очередь получается биогаз. При этом остается инертный остаток, состав которого зависит от типа установки и исходного сырья. БИОГАЗ Биогаз представляет собой ценное топливо. Для его производства во многих странах строятся специальные метантенки, которые наполняются навозными стоками или сточными водами. Метантенки варьируются в размерах от одного кубического метра (в индивидуальных хозяйствах) до тысяч кубометров, используемых в больших коммерческих   установках.   Загрузка   может   быть   постоянной   или   порционной,   а процесс   сбраживания   может   занимать   от   десяти   дней   до   нескольких   недель.   В процессе   деятельности   бактерий   образуется   тепло,   однако   в   условиях   холодного климата необходим подвод дополнительного тепла для поддержания оптимальной температуры   (по   крайней   мере,   35 оC).   Источником   тепла   может   быть   биогаз.   В предельном случае весь газ может быть использован для нагрева. Хотя в этом случае выход   энергии   в   процессе   будет   нулевым,   все   равно   его   существование   будет оправдано экономией ископаемого топлива, необходимого для переработки отходов. Хорошие биогазовые установки могут производить 200­400 м3биогаза с содержанием метана от 50 до 75% из каждой тонны сухого органического вещества. Биогазовая установка ­ внешний вид Биогазовая установка ­ вид изнутри Биогазовая   установка   с   встроенным газгольдером Биогазовая   установка   с   внешним газгольдером БИОГАЗ полигонов ТБО (свалочный газ) Большая   часть   муниципальных   отходов   ­   твердых   бытовых   отходов   (ТБО)   ­ представляет   собой   биологические   материалы,   а   их   вывоз   на   полигоны   создает пригодные условия для анаэробного сбраживания. То, что полигоны и свалки ТБО генерируют метан, известно в течение десятилетий. Потенциальная опасность метана заставляла   в  некоторых   случаях   строить   системы   для   принудительного   сжигания метана. Только в 70­х годах 20 века серьезное внимание уделено идее использования этого "нежелательного" продукта. ТБО имеют более сложный состав, чем сырье в биогазовых установках. Сбраживание происходит  медленнее, обычно в течение  нескольких  лет,  а не  недель.  Конечный продукт, известный под названием "свалочный газ", также представляет собой смесь преимущественно CH4 и CO2. Теоретически выход газа в течение "жизни" полигона может составить 150­300 м3 на тонну ТБО при концентрации метана от 50 до 60 объемных процентов. Это соответствует 5­6 ГДж энергии на тонну ТБО. На практике выход биогаза меньше. В процессе формирования полигона каждый участок после заполнения покрывается слоем   непроницаемой   глины   или   подобного   материала,   создавая   условия   для анаэробного   сбраживания.   Газ   собирается   системой   связанных   между   собой перфорированных   труб,   установленных   в   теле   полигона   вплоть   до   глубины   20 метров. На новых полигонах система труб устанавливается до поступления ТБО. На больших полигонах может быть установлено несколько километров труб, с помощью которых можно собрать 1000 м3/час свалочного газа и более. Все   больше   свалочный   газ   используется   для   производства   электроэнергии.   В настоящее   время   большинство   установок   использует   двигатели   внутреннего сгорания,   например,   стандартные   судовые   двигатели.   При   типичном   выходе   газа, равном 10ГДж/час, могут быть установлены двигатель и генератор мощностью 500 кВт. Изучение биогазовой установки на примере предприятия ООО Дмитриевская Глава 2. Практическая часть Кавказского района Агропредприятия считаются основным потребителем биогазовых технологий. В пользу этого играет неплохая экономика подобных проектов. Из тонны навоза КРС получается   30­50   м3   биогаза.   Одна   корова   способна   обеспечить   получение   2,5 кубометра газа  в  сутки. Из 1  кубометра биогаза  можно выработать  около 2  кВт электроэнергии.   Плюс   вырабатывается   органическое   удобрение,   использование которого ощутимо улучшает экономические характеристики биогазовой установки. Стадо КРС 900 голов, окупается в режиме производства тепла и электроэнергии за 5­ 7 лет, а если же учитывать стоимость получаемых органических удобрений, то срок окупаемости сокращается до 2,5 лет. Расход этих удобрений составляет 1­5 т вместо 60 т необработанного навоза для обработки 1 га земли. Испытания показывают еще и увеличение урожайности в 2­4 раза. 2.1. Биогазовые установки Принцип работы установки: Биомасса   (отходы   или   зеленая   масса)   периодически   подаются   в   реактор. Реактор представляет собой подогреваемый резервуар, оборудованный миксерами. В   реакторе   живут   полезные   бактерии,   питающиеся   биомассой.   Продуктом жизнедеятельности   бактерий   является   биогаз.   Для   поддержания   жизни   бактерий требуется   подача   корма,   подогрев   до   35­38°С и   периодическое   перемешивание. Образующийся   биогаз   скапливается   в   хранилище   (газгольдере),   затем   проходит систему очистки и подается к потребителям (котел или электрогенератор). Реактор работает без доступа воздуха, герметичен и неопасен. Продукты, получаемые в результате применения технологии. Основные продукты: Тепло получают от охлаждения генератора или от сжигания биогаза.  Электричество   ­   из   одного   м3   биогаза   можно   выработать   около   2   кВт электроэнергии.  Удобрения ­ удобрения, получаемые в виде перебродившей массы ­ это экологически чистые,   удобрения,   лишенные   нитритов,   семян   сорняков,   болезнетворной микрофлоры,   специфических   запахов.   Расход   этих   удобрений   составляет   1­5   т вместо 60 т необработанного навоза для обработки 1 га земли.  Вторичные продукты: Утилизацию органических отходов ­ биогазовые установки могут устанавливаться как очистные сооружения на фермах, птицефабриках, спиртовых заводах, сахарных заводах, мясокомбинатах, тем самым повышая санитарно­гигиеническое состояние предприятий.  Решение экологических проблем – производство биогаза позволяет предотвратить выбросы метана в атмосферу, снизить применение химических удобрений, сократить нагрузку на грунтовые воды. Основные показатели Срок окупаемости биогазового комплекса зависит от следующих показателей: Наличие собственных средств у владельца проекта; Привлечения заёмных средств; Окупаемость Величина тарифов на газ, тепловую и электрическую энергию; Возможность   продавать   тепловую   и   электрическую   энергию   в   сеть   (или   другим потребителям); Возможность продажи удобрений; Возможность утилизации органических отходов других компаний. Срок окупаемости при усреднённых показателях от 5 лет. Преимущества технологии Возможности локальной генерации тепла и электроэнергии для собственных нужд клиента. Производство высококачественного удобрения. Решение экологических проблем по утилизации отходов производства. Возможность   экспорта   энергии   другим   потребителям,   например,   близлежащим населённым пунктам. Уменьшение зависимости от роста тарифов на электроэнергию и тепло. Возможность   регулирования   производства,   как   тепла,   так   и   электроэнергии   в зависимости от потребностей. Общая информация Местоположение проекта: Южный Федеральный округ, Краснодарский край Территория: 76 тысяч кв. километров Население: 5100 тыс. человек Отрасль: Агропромышленный комплекс Суть проекта: Строительство биогазовой установки на базе свиноводческого и КРС комплексов полного цикла. Проект основан на применении датской технологии как свиноводства, так и получения биогаза с внедрением международных стандартов качества. Цель проекта: Утилизация   органических   отходов,  производство   высококачественного   удобрения, попутное производство тепла и электроэнергии. «Строительство   биогазовой   установки   в   ООО «СХП» Дмитриевской Кавказского района» Площадь занимаемого участка: 2 га Расстояние до краевого центра: 124 км Потребность в инвестициях: 100 % Условия участия инвестора: прямые инвестиции Необходимые инвестиции: 2 млн. евро Срок реализации проекта: 1,5  года Количество голов: 2500 шт. Производство метана в сутки: 5000 м3 в сутки Проектная электрическая мощность: 0,6 МВт Проектная тепловая мощность: 0,9 МВт РЕЗУЛЬТАТ:  Введение в эксплуатации действующего завода по утилизации органических отходов на территории Краснодарского края, перерабатывающего 137 тонн отходов в сутки, окупаемость проекта от 5 до 7 лет. 2.2. Исследование рациональности получения и использования биогаза Когда наша проектная группа выбирала тему для создания проекта, мы изучили большой   объем   литературы   об   альтернативных   видах   энергии,   но   решили остановиться на самом выгодном из них ­ биогазе. И, действительно, чем больше мы исследовали биогаз, тем сильнее убеждались в том, что этот вид топлива ­   самый дешёвый.   Мы   провели   исследовательскую   работу   и   выяснили   стоимость   энергии выделяемой   при   генерировании   биомассы:   0,01  долл./(кВт.ч   ).  Это   сравнительно меньше чем другие альтернативные виды энергии (солнечная – 1­2  долл./(кВт.ч ), ветряная – 0,05­0,1 долл./(кВт.ч )). Однако   эти   способы   по   различным   причинам   не   гарантируют   постоянного получения энергии. Например, не всегда будет светить солнце (что необходимо для выработки энергии из солнечных батарей), не всегда будет дуть сильный ветер (для ветряных установок), не так часты приливы (приливные электростанции) и т.д.  Но биогаз   будет   всегда,   пока   есть   сельское   хозяйство,   ведь   для   его   получения необходима выработка первоначального продукта, что является частью процессов жизнедеятельности   животных.   Для   Краснодарского   края   характерен   высокий уровень развития сельского хозяйства, следовательно, производство биогаза очень выгодно в нашем регионе. Ещё   одно   преимущество   выработки   биогаза   –   побочный   продукт.   Остаток, образующийся   в   процессе   получения   биогаза,   содержит   значительное   количество питательных веществ и может быть использован в качестве удобрения. Технология переработки навоза в анаэробных условиях в специальных герметичных реакторах ­ метантенках   является   наиболее   перспективной   с   агрохимической   (производство удобрений),   экологической   (обеззараживание   и   дезодорация)   и   энергетической (производство   топлива   и   электроэнергии)   эффективности   получения   удобрений. Сброженная в метантенке масса представляет собой легкоусвояемое растениями и лишенное   жидкое высококонцентрированное   органическое   удобрение,   содержащее   макро­   и микроэлементы, аминокислоты и фитогормоны, стимулирующие рост растений. возбудителей   болезней   и     семян   сорняков Мы   ознакомились   с  процессом   получения   энергии   на  биогазовой   установки хозяйства ООО Дмитриевской Кавказского района, и получили подтверждение что данный вид топлива на много эффективнее других и экономичнее при утилизация органических отходов предприятия, производство высококачественного удобрения, попутное производство тепла и электроэнергии. Мы провели опрос в п. Венцы среди тех людей, кто ведёт домашнее хозяйство. И   на   вопрос:   «Знали   ли   вы,   что   из   экскрементов   животных   можно   получать удобрение и биогаз который можно использовать в быту практически за бесценок?», около 90% ответили: «Нет, не знали, но это хорошая идея» и около 10% ответили: «Что­то слышали, но на это нет времени». Итак, биогаз действительно экономичен. Биогаз – это реальная альтернатива традиционным видам топлива. Заключение Данный проект завершен, но наше исследование еще не подошло к концу. Мы совершили увлекательное путешествие в мир биогаза. Наша проектная группа узнала много   нового,   интересного   и   полезного   о   биогазе   и   его   получении.  Однако   пора вернуться   к  целям   и   вопросам,   которые   мы   поставили   в   самом   начале   нашего исследования. Биогаз экономически выгодный вид топлива.   Мы выяснили, что Краснодарский край имеет достаточные ресурсы для создания биогазовых установок. производства биогаза.     Действительно,   наш   регион   имеет   довольно   большой   потенциал   для Биогаз,   полученный   с   помощью   биогенератора   возможно   применять   в сельском   и   домашнем   хозяйстве.   Биогаз   способен   заменить   природный   газ   в универсальных устройствах. В быту биогаз может использоваться для подогрева воды, отапливания помещений, приготовления пищи, как топливо для автомобиля и некоторых других нужд.  Экологические преимущества производства биогаза Производство биогаза позволяет предотвратить выбросы метана в атмосферу. Метан оказывает влияние на парниковый эффект в 21 раз более сильное, чем СО2, и находится   в   атмосфере   12   лет.   Захват   метана   ­   лучший   краткосрочный   способ предотвращения глобального потепления. Переработанный   навоз,   барда   и   другие   отходы   применяются   в   качестве органического удобрения в сельском хозяйстве. Это позволяет снизить применение химических удобрений, сокращается нагрузка на грунтовые воды. Мы выяснили, что биогаз является более экологически чистым веществом, чем большинство других видов топлива. Никаких вредных веществ (кроме небольшого количества углекислого газа) в процессе получения биогаза не выделяется.  Однако,   для   того,   чтобы   производство   биогаза   в   России   достигло промышленных   масштабов   необходимо,   чтобы   этим   заинтересовались   на государственном   уровне,   донести   сведения   об   экономической   эффективности биогаза до потенциально возможных производителей (предпринимателей, фермеров и др.). Развитие производства биогаза позволит как существенно сэкономить расходы государства в энергетической отрасли, так и защитить кошельки простых граждан от «кусающихся» цен на энергоносители и тарифов на электроэнергию.  На   этом   наша   исследовательская   группа   ни   в   коем   случае   не   собирается   мы   хотим   продолжить   наши   исследования   в   сфере останавливаться, энергосбережения, в частности именно в Гулькевичском районе. Список использованной литературы 1. География Нижегородской области­ Н.Новгород, 2017. 2. Дмитриев   А.И.   Практическая   экология.   Часть   П.   —   Н.Новгород:   изд. Нижегородского педагогического ун­та, 2014. 3. Дмитриев А.И. Экологический практикум. — Н.Новгород: 2015. 4. Косариков А.Н. и др. Экологическая обстановка в Н.Новгороде, 2013. 5. Кузнецова МЛ., Ибрагимов А.К., Неручев В.В., Юлова Г.А. Полевой практикум по экологии. — М.: Наука, 2014. 6. Литвинова   Л.   С.   ,   Жиренко   О.   Е.   Нравственно   –   экологическое   воспитание школьников. – М. , 2015. 7. Медоуз X. Д., Медоуз Д. Л., Рэндерс Й, Беренс В. Пределы роста: Доклад по проекту Римского клуба «Сложное положение человечества». ­ М.: Изд­во МГУ, 2016. 8. Небел Б. Наука об окружающей среде: Как устроен мир: Пер. с англ.­ М.: Мир, 2016. ­ Т. 1,2. 9. Рамад Ф. Основы прикладной экологии. — Л.. Гидрометеоиздат, 1981. 10.Природопользование под редакцией Э.А.Арустамова­ М.: «Дашков и К0», 2001. 11.Реймерс Н. Ф. Природопользование: Словарь­справочник. ­М.: Мысль, 2016. 12.Риклефс Р. Основы общей экологии. ­ М.: Мир, 2016. 13.Розанов В. В. Основы учения об окружающей среде. ­ М.: Изд­во МГУ, 2016. 14.Самкова В. А. , Прутченков А. С. Экологический бумеранг. – М. : Новая школа, 2016. 15.Одум Ю. Экология. ­ М.: Мир, 1986. ­ Т. 1 ­ 2. 16.Экологическая   обстановка   в   городах   и   районах   Нижегородской   области­ Н.Новгород, 2016. 17.Экологический практикум­ Н.Новгород, 2016. 18.Шустов С.Б., Шустова Л.В. Химия и экология – Н.Новгород, 2016. 19.Скурлатов Ю.И. и др. Введение в экологическую химию­ М.: Высшая школа, 2016 20.http://altenergiya.ru/bio/podarki­ot­prirody­biotoplivo.html http://aenergy.ru/ http://znanieavto.ru/nuzhno­znat/biotoplivo­dlya­avtomobilej.html http://www.poznovatelno.ru/int/12580.html http://smitnews.ru/tag/biotoplivo/ http://greenevolution.ru/tag/biotoplivo/?pg=18  Гладкий Ю.Н.: Лавров С.Б. Дайте планете шанс!­ М.: Просвещение, 2016. Таблица 1.  Поголовье основных видов скота в хозяйствах всех категорий в Краснодарском   крае   (данные  Федеральной   службы   государственной   статистики, 2017год) ПРИЛОЖЕНИЕ Вид скота коровы крупный рогатый скот свиньи овцы и козы Поголовье (тыс.)  40,5 80,1 52 41,4 Таблица 2. Расход биогаза для помещения, площадью 120 м2 Вид расхода Подогрев воды на бытовые нужды Отопление жилых помещений (сентябрь) Приготовление пищи Консервирование пищепродуктов Всего Расход м3/сутки   2,3 8,0 0,6 1,9 12,8 Таблица 3. Содержание и выход метана в различных видах органических отходов. Органические отходы Помёт индеек Молочные отходы Свиной навоз Помёт кур Навоз  быков+меласа Навоз быков Силосные отходы Навоз  быков+солома Навоз коров Выход СН4, м3/кг сухого вещества Содержание СН4 (%) 0,640 62,0 0,625 0,580 0,370 0,300 0,290 0,250 0,220 0,208 82,0 77,5 54,0 48,0 56,2 84,0 52,0 55,0 Таблица 4.   Увеличение продукции биогаза при смешивании разных отходов Отходы Продукция биогаза Увеличение продукции Навоз КРС+куриный Помёт птицы Навоз КРС+  куриный+свиной (1:0,5:0,5) Свиной навоз Навоз КРС+птиц Навоз КРС+свиной Навоз КРС Навоз КРС+сосняки Сосняки  0,634 0,617 0,585 0,569 0,528 0,510 0,380 0,363 0,277 (%) 6,0 11,0 6,0 7,0 5,0 Характеристика хозяйства ООО "СХП Дмитриевское" ­ крупное многоотраслевое сельскохозяйственное   переработка,   сбыт   торгово­закупочная   сфера   деятельности   ­   производство,   животноводство, предприятие. сельхозпродукции, деятельность.    растениеводство, Основное   производственное   направление   хозяйства   ­   зерновые,   которые занимают 65% площади пашни хохяйства. В среднем за год производится   20­21 тыс.тонн озимой пшеницы, 4­5 тыс.тонн кукурузы, 4­5 тыс.тонн озимого ячменя, 3­4 тыс.тонн семян подсолнечника, 7­8 тыс.тонн сахарной свеклы, сои 700­800 тонн. В хозяйстве работает 330 человек. Дополнительной   отраслью   является   животноводство.   В   хозяйстве   имеется молочно­товарная ферма с поголовьем 600 голов КРС, средний удой одной коровы составляет 4300 кг в год, ферма доращивания КРС с поголовьем 100­120 голов, СТФ с поголовьем 3500 голов, которое обеспечивает поросятами, мясом. Поголовье КРС дает органических удобрений в год 8­10 тыс.тонн. Руководство хозяйства решило заняться   переработкой   органики,   с   учетом   опыта   зарубежных   и   российский предприятий, производя ее в сухом, жидком, концентрированном и гранулированном видах. В   хозяйстве   используется   новый   зерноочистительный   комплекс   PETKUS (Германия) для калибровки семян подсолнечника и фотосепаратор FOCUS (Россия) отвечающие   самым   современным   требованиям   по   производительности, экономичному расходу электричества, условиям труда обслуживающего персонала, комбикормовый цех, две мельницы: 50 и 15 тонн в сутки, маслоцех. Запускается цех по жарке и фасовке семечек, цех полуфабрикатов (пельмени, вареники), колбасный цех. Внедрение   новых   технологий,   научных   разработок,   современной   техники невозможно   без   грамотного   подхода   талантливых   руководителей,   замечательных специалистов,   механизаторов,   животноводов,   полеводов   и   других   работников предприятия ООО "СХП Дмитриевское". ООО   "СХП   Дмитриевское"   оказывает   финансовую   помощь   пенсионерам, ветеранам, инвалидам, детским домам, школам, детсадам.