Состояние и перспективы использования биомассы как возобновляемого источника энергии

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

 

 

 

 

 

по дисциплине: Основы энергосбережения

 

на тему: «Состояние и перспективы использования биомассы как возобновляемого источника энергии»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

Введение

Значение и перспективы развития возобновляемых и нетрадиционных видов энергии в современных условиях

Биогазовые технологии

Использование в энергетических целях древесного биосырья

и отходов сельскохозяйственного производства

Эффективность различного вида биотоплива

Подготовка древесного биотоплива к сжиганию

Пиролиз и газификация биотоплива

Вопросы логистики и планирования при использовании биомассы

Факторы, учитываемые при разработке логистики.

Заключение

Литература

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

В последние годы в  мире возникла большая заинтересованность в использовании биомассы для  выработки тепловой и электрической  энергии, ее вовлечение в топливно-энергетический баланс регионов и стран в целом. Об этом говорят многочисленные исследования в странах Европейского союза и США, направленные на выявление оптимальных путей использования биомассы в энергетике.

Интерес к широкому использованию биомассы определен следующими основными обстоятельствами:

1. Экологическими, связанными  с необходимостью решения, в  том числе, глобальных климатологических задач.

2. Необходимостью снижения  потребления невозобновляемых источников  энергии (газ, нефть, уголь), активно истощаемых в обозримом будущем, и заменой их возобновляемыми источниками.

Масштабное использование  природных энергетических ресурсов для производства энергии на тепловых электрических станциях приводит к  значительному загрязнению природной окружающей среды такими вредными выбросами в атмосферу, как диоксид углерода (СО₂), оксиды серы (SO₂ и др.), азота (NО_х), а также твердой пылевзвеси. Обычный каменный уголь выделяет, например, около 3 т СО₂ на каждую тонну сожженного топлива. В то же время такой выброс, как СО₂, является основным компонентом парникового газа. Несмотря на то, что климатологи мира не могут окончательно договориться о причинах глобального потепления (за 100 лет на 0,6 °С, а по различным сценариям к концу столетия температура на планете может возрасти на 1,5…2 и даже 6 °С) международными экологическими протоколами на уровне ООН для стран–производителей энергии устанавливаются ограниченные квоты на массовые выбросы СО₂. Такие протоколы приняты в Монреале, Рио-де-Жанейро и Киото. Известно, что доля США, например, составляет 35 % мировых выбросов углекислого газа.

Киотский протокол предусматривает  добровольное обязательство стран  с развитой экономикой с 2008 по 2012 годы увеличивать выбросы СО₂ не более 5,2 % по сравнению с уровнем 1990 г.  

 

Значение и перспективы развития возобновляемых и нетрадиционных видов энергии в современных условиях

На современном этапе  развития производства при существующих техногенных нагрузках на окружающую среду чрезвычайно важным является взаимосвязанное развитие экономики, энергетики и экологии. Оздоровление воздушного и водного бассейнов должно идти в направлении создания экологически чистых технологических процессов и производств. Кроме этого, в последние годы большую актуальность приобрели и вопросы энергетической безопасности. Известно, что проблемы энергетики Республики Беларусь возникли как по причине нехватки энергии и топливно-энергетических ресурсов, так и вследствие общего состояния хозяйства страны. Беларусь на единицу валового внутреннего продукта затрачивает энергии почти в 10 раз больше, чем развитые страны. Страна импортирует более 85 % энергоносителей, что поглощает до 90 % валютных резервов. При этом 30 % импортируемых энергоресурсов расходуется на отопление зданий и сооружений. Один день отопительного сезона обходится бюджету республики примерно в 1 млн $ США. Известно, что потери только тепловой энергии на централизованных сетях теплообеспечения и горячего водоснабжения составляют от 45 до 60 %. Низкое качество строительных, административных и жилых зданий увеличивает эти потери еще на 15-20 %, т. е. потребитель, получая всего 20-25 % тепловой энергии, оплачивает государству 100 % затрат за централизацию теплообеспечения. Таким образом, решение стоящих перед нашей страной экологических и энергетических проблем может быть осуществлено за счет повышения энергоэффективности всех отраслей экономики и увеличения объемов применения местных и возобновляемых видов топлива. Использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в мировой практике отнесено к числу важнейших факторов, обуславливающих развитие энергетики. Интерес к этому виду энергии во всем мире обусловлен их неисчерпаемостью.

Уровень использования технического потенциала возобновляемых источников энергии зависит от ряда особенностей: низкая концентрация и малая плотность энергетического потока; локальный характер использования, определяемый географическими и климатическими условиями местности; неравномерность поступления энергии во времени; отсутствие достаточно надежных, технически совершенных экономичных технических средств переработки возобновляемых источников энергии. Интенсивность работ по вовлечению возобновляемых источников энергии в энергобалансе зависит от колебаний цен на традиционные источники энергии, главным образом на нефть. Она еще некоторое время, по крайней мере, до середины XXI в., будет играть важную роль в энергообеспечении, сохраняя первое место в энергобалансе США, Японии, России и других стран Западной Европы и Азии. Тогда как, например, такой трудно преобразуемый нетрадиционный вид энергии, как солнечная энергия, займет в США и Японии пятое место в энергобалансе, в странах Западной Европы - седьмое. Общая доля возобновляемых источников энергии возрастет от фактических в 1997 г. (0,2 %) до 10 (15 %) в 2020 г.

Возможные масштабы освоения этих источников энергии к 2020 г. эквивалентны замещению 2500 млн. тонн органического топлива в условном исчислении. Стратегия использования возобновляемых источников энергии на перспективу до и после 2020 г. заключается в замене ими децентрализованных и малоэффективных установок в удаленных районах и сельской местности (дизель-генераторы, отопительные системы на жидком и твердом топливе и др.). Эти источники энергии могут найти широкое применение в индивидуальном хозяйстве городского и сельского населения. Сопоставление затрат и окупаемость традиционной и возобновляемой энергетики на расчетный период не дает особых преимуществ какому-либо конкретному виду производства энергии. Сложности скрываются лишь в энергоресурсах. Однако с развитием уровня производства возобновляемой энерготехники и уменьшением запасов традиционных ископаемых энергоресурсов баланс уже к 2050 г., несомненно, склоняется к солнечной, ветровой, водной и биоэнергетике.

Заметно возрос государственный вклад в разработки технологий использования возобновляемой энергии в Италии, Японии, Испании и Германии после катастрофы на Чернобыльской АЭС. Так, в Греции более 63 % ассигнований, выделенных на исследования и разработки в области энергетики, направлены на возобновляемые энергоресурсы, в Швеции - 21,8 %, в Испании - 27,6 %. в США уделяется большое внимание включению в общий энергобаланс возобновляемой энергетики. Этому способствовало не только повышение цен на нефть и нефтепродукты, но также широкая реклама в прессе, финансовая поддержка и льготы в области налогообложения. При этом учитывается, что кроме экономии замещаемого органического топлива очевидным и в большинстве случаев решающим фактором является экологически чистая технология получения энергии при использовании возобновляемых источников энергии.

При существующем уровне развития промышленности в развитых странах мира (по данным Института наблюдения за мировым прогрессом в США) стоимость электроэнергии, вырабатываемой от различных источников, неуклонно приближается к возобновляемой энергетике. Развитие использования возобновляемой энергетики в большинстве стран мира идет в направлении повышения технической надежности оборудования, а также разработки новых технологий и материалов, что требует углубленных научных исследований с последующей экспериментальной проверкой новых технологий и оборудования.

Наиболее перспективным направлением использования в ИЭ в республике является применение биомассы в качестве источника энергии. Предельные возможности республики по использованию дров в качестве топлива можно определить, исходя из естественного годового прироста древесины, который приближенно оценивается в 25 млн м³, или 6,6 млн т условного топлива (т у. т.) в год, в т. ч. в загрязненных районах Гомельской области - 20 тыс. м³ или 5,3 тыс. т у. т. Биомасса имеет хорошие экологические показатели: малое содержание серы и золы, возможность использования остатков в виде удобрений. Существенные проблемы создает лишь необработанная биомасса, которая находится в виде осадков, получаемых после очистки сточных вод, отходов сельскохозяйственного производства, животноводческих комплексов, птицефабрик, твердых бытовых отходов и т. д. Поэтому получение энергии из биомассы имеет двойной экологический эффект: с одной стороны, вырабатывается энергия, для получения которой потребовалось бы эквивалентное количество органического топлива, с другой стороны, уничтожаются или приводятся в пригодное для применения состояние, например, в качестве удобрения, бросовые отходы биологического происхождения, которые угнетают окружающую среду. Из других негативных воздействий на окружающую среду при применении биомассы следует отметить повышенную запыленность воздуха в местах заготовки и сжигания древесного сырья [Позняк, С. С., 2006]. Как один из значительных недостатков, отмечаемых жителями регионов с интенсивным использованием древесного биосырья в Австрии, указываются также неудобства, доставляемые им повышенным шумом от грузовиков, перевозящих топливо для котельных.

Большую перспективу, с экологической и экономической точек зрения, имеет выращивание быстрорастущих древесных культур с целью использования в качестве источника топлива, особенно на площадях выработанных торфяных месторождений, на которых отсутствуют условия для произрастания сельскохозяйственных культур.

Чистое рапсовое масло может использоваться в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания. Если рапсовое масло этерефицируется, то возникает метило-эфир, известный под названием биодизель, который как регенеративное горючее можно использовать почти во всех видах дизельных моторах. Биодизельное топливо имеет значительные преимущества с точки зрения выбросов углекислого газа. По сравнению с дизельным топливом выбросы СО₂ при биодизельном топливе примерно на две трети меньше, при использовании чистого рапсового масла они еще меньше.

Рапс для производства биодизельного топлива в Германии возделывается, как правило, на площадях, лежащих под паром. Площади возделывания рапса, однако, ограничены и позволяют в ФРГ покрыть только 8 % от общей потребности в дизельном топливе.

Одним из источников местных энергетических ресурсов являются коммунальные отходы. Содержание органического вещества в бытовых отходах составляет 40-75 %, углерода - 35-40 %, зольность - 40-70 %, горючие компоненты в бытовых отходах составляют 50-88 %, теплотворная способность ТБО - 800-2 000 ккал/кг. В мировой практике получение энергии из коммунальных отходов осуществляется несколькими способами: сжиганием, активной и пассивной газификацией. Наиболее перспективна газификация, т. к. в случае прямого сжигания возникают экологические проблемы с выбросами токсичных газов, для решения которых требуются инвестиции, двукратно превышающие стоимость самих сжигающих установок.

В Республике Беларусь ежегодно накапливается около 2,4 млн. тонн твердых бытовых отходов, которые направляются на свалки и два мусороперерабатывающих завода (Минский и Могилевский), на которые ежегодно вывозится, тыс. тонн в год: бумаги - 648,6; пищевых отходов -548,6; стекла - 117,9; металла - 82,5; текстиля - 70,8; дерева - 54,2; кожи и резины - 47,2; пластмассы - 70,8. Потенциальная энергия, заключенная в твердых бытовых отходах, образующихся на территории Беларуси, равноценна 470 тыс.  т. у. тонн. При их биопереработке с целью получения газа эффективность составит не более 20-25 %, что эквивалентно 100-120 тыс. т у. т. Кроме того, необходимо учитывать многолетние запасы ТБО, которые имеются во всех крупных городах и создают проблемы при складировании и дополнительную нагрузку на окружающую среду.

Только по областным городам переработка ежегодных коммунальных отходов в газ позволила бы получить биогаза около 50 тыс. т у. т., а по г. Минску - до 30 тыс. т у. т. Эффективность этого направления следует оценивать не только по выходу биогаза, но и по экологической составляющей, которая в данной проблеме будет основной. Конкретные показатели эффективности могут быть получены на основании детальных проектных проработок, создания и эксплуатации опытно-промышленного полигона.

Биогазовые технологии

Беларусь - это республика с высокоразвитым аграрным сектором. Особенно велик удельный вес в нем животноводства и птицеводства. В стране насчитываются сотни крупных животноводческих комплексов, на базе которых ежегодно образуются миллионы тонн отходов. эти отходы (практически без их предварительной обработки) сбрасываются на поля как удобрения. Однако, помимо пользы, они одновременно наносят значительный экологический ущерб. Размываясь снеговыми и ливневыми водами, навоз с полей, а также необезвреженные воды предприятий животноводства, в особенности свиноводческих ферм, попадают в водоемы. Такие сточные воды содержат большое количество биогенных элементов, среди которых находятся фосфор и азот, способствующие массовому развитию водорослей.

Биогазовые установки преимущественно используются на сельскохозяйственных предприятиях. Навоз и фекалии домашних животных доставляются сначала в выгребную яму, в которой твердые куски (составные части) измельчаются для того, чтобы появилась гомогенная смесь (субстрат). Эта масса на втором этапе накачивается в герметически изолированный и подогреваемый бродильный резервуар (ферментер). в ферментере анаэробные бактерии разлагают без доступа воздуха органические субстанции и производят газ. Перебродивший субстрат (смесь) снова накачивается в резервуар для жидкого навоза (рис. 56). Биогаз содержит около 65 % углекислого газа. Его энергетическая мощность от 6,0 до 6,5 кВтч на 1 м³ (для сравнения у природного газа - около 9,8 кВт-ч на 1 м³). Добыча биогаза сильно зависит от состава субстрата и длительности его нахождения в ферментере. Опыты показывают, что твердый и полужидкий навоз одной большой единицы крупного рогатого скота (~ 500 кг весом) производит в день от 1,0 до 1,5 м3 биогаза. От 20 до 40 % из этого используются, чтобы подогреть ферментер до оптимальных для бактерий (около 35 ⁰С) температур [Позняк, С. С, 2007].

Предприятие, имеющее 120 коров, может получать в день приблизительно до 100 м³ биогаза (нетто), что за год обеспечивает получению энергии, которую можно получить приблизительно из 23 тыс. л нефти. рентабельность биоустановки зависит от многих факторов, но она в принципе выше в том случае, если установка имеет достаточно большие размеры. при существующих рамочных ограничениях биоустановка может быть экономичной, если перерабатывается навоз более чем 100 голов крупного рогатого скота (например, коров).

Биоустановки используются не только из-за энергетической выгоды, они дают в итоге специальные преимущества для сельского хозяйства. так, благодаря брожению качество органических удобрений улучшается, и они лучше усваиваются растениями. субстрат становится при этом гомогенным и в результате лучше распределяется. возрастающее значение приобретает также использование биологических отходов и канализационных отходов, особенно жирных и содержащих масло (например, жир из фритюрницы). Добавление их в биоустановку решает не только проблему захоронения, но и значительно повышает тем самым производство биогаза. отходы животноводства и особенно птицеводства являются ценными энергетическим сырьем, на базе которого в специальных установках может быть произведен биогаз с теплотой сгорания 5 500 ккал/г (23 045 кДж/кг). энергетический потенциал этого энергоресурса в Республике Беларусь оценивается на уровне около 1 млн т у. т.