biomassza energia

Az emberek biomassza energiát - élőlényekből származó energiát - használtak, mióta a legkorábbi „barlangemberek” először főztek tüzet főzéshez vagy melegedéshez. Ma a biomasszát elektromos áramfejlesztők és egyéb gépek üzemanyagára használják.

Biológia, ökológia, földtudomány, mérnöki tudományok

Az emberek biomassza energiát - élőlényektől származó energiát - használtak, mióta a legkorábbi „barlangemberek” először főztek tüzet főzéshez vagy melegedéshez.

A biomassza szerves, vagyis élő szervezetekből, például növényekből és állatokból származó anyagból készül. Az energiához használt biomassza-anyagok leggyakrabban a növények, a fa és a hulladékok. Ezeket biomassza alapanyagoknak nevezzük. A biomassza-energia nem megújuló energiaforrás is lehet.

A biomassza először a napból nyert energiát tartalmazza: A növények fotoszintézis útján elnyelik a nap energiáját, és a szén-dioxidot és a vizet tápanyagokká (szénhidrátokká) alakítják.

Az ezekből az organizmusokból származó energia felhasználható energiává alakítható közvetlen és közvetett módon. A biomassza elégethető hőtermelés céljából (közvetlen), villamos energiává alakítható (közvetlen), vagy feldolgozható bioüzemanyaggá (közvetett).

Termikus átalakítás

A biomassza hőátalakítással elégethető és energiára felhasználható. A termikus átalakítás magában foglalja a biomassza-alapanyag melegítését annak elégetése, dehidratálása vagy stabilizálása céljából. A hőátalakításhoz legismertebb biomassza-alapanyagok olyan nyersanyagok, mint a települési szilárd hulladék (MSW), valamint papír- vagy fűrészüzemek hulladékai.

Különböző típusú energia jön létre közvetlen tüzeléssel, együttégetéssel, pirolízissel, gázosítással és anaerob lebontással.

A biomassza elégetése előtt azonban meg kell szárítani. Ezt a kémiai folyamatot torrefakciónak nevezzük. Torrefaktálás közben a biomasszát körülbelül 200-320 ° C-ra (390-610 ° Fahrenheit) melegítjük. A biomassza annyira teljesen kiszárad, hogy elveszíti a nedvesség felszívódásának vagy rothadásának képességét. Eredeti tömegének körülbelül 20% -át veszíti el, de energiájának 90% -át megtartja. Az elveszített energiát és tömeget fel lehet használni a torrefakciós folyamat elősegítésére.

A torrefaction során a biomassza száraz, megfeketedett anyaggá válik. Ezután briketté préselik. A biomassza brikettek nagyon hidrofóbak, vagyis taszítják a vizet. Ez lehetővé teszi nedves területeken történő tárolást. A briketteknek nagy az energiasűrűsége, és közvetlen vagy együttégetés során könnyen éghetők.

Közvetlen égetés és együttégetés
A legtöbb brikettet közvetlenül elégetik. Az égetési folyamat során keletkező gőz egy turbinát működtet, amely generátort kapcsol be és áramot termel. Ez az áram felhasználható épületek gyártásához vagy fűtésére.

A biomassza együtt tüzelhet vagy fosszilis tüzelőanyaggal is elégethető. A biomasszát leggyakrabban a szénerőművekben égetik együtt. Az együttégetéssel nincs szükség új gyárakra a biomassza feldolgozásához. Az együttégetés megkönnyíti a szén iránti keresletet is. Ez csökkenti a fosszilis üzemanyagok elégetésével felszabaduló szén-dioxid és más üvegházhatású gázok mennyiségét.

Pirolízis
A pirolízis a biomassza melegítésének rokon módszere. A pirolízis során a biomasszát oxigén jelenléte nélkül 200-300 ° C-ra (390-570 ° F) melegítik. Ez megakadályozza az égést és kémiailag megváltoztatja a biomasszát.

A pirolízis során egy sötét folyadékot nevezünk pirolízisolajnak, szintetikus gáznak, amelyet szinagáznak nevezünk, és szilárd maradékot nevezünk biocsénnek. Mindezek az alkatrészek felhasználhatók energiára.

A pirolízisolaj, amelyet néha bioolajnak vagy biokőolajnak neveznek, egyfajta kátrány. Égethető villamos energia előállítására, és más üzemanyagok és műanyagok alkotóelemeként is felhasználható. A tudósok és mérnökök a pirolízisolajat vizsgálják, mint a kőolaj lehetséges alternatíváját.

A szintagáz üzemanyaggá (például szintetikus földgázzá) alakítható. Ez is átalakítható metánná és felhasználható a földgáz helyettesítésére.

A Biochar egyfajta szén. A Biochar széndioxidban gazdag szilárd anyag, amely különösen hasznos a mezőgazdaságban. A Bioszén gazdagítja a talajt, és megakadályozza, hogy a peszticideket és más tápanyagokat kifolyjon. A Biochar szintén kiváló szénelnyelő. A szénelnyelők a széntartalmú vegyi anyagok, köztük az üvegházhatású gázok tárolói.

Gázosítás
A biomassza gázosítással közvetlenül energiává is átalakítható. A gázosítási folyamat során a biomassza alapanyagot (általában MSW) szabályozott mennyiségű oxigén mellett 700 ° C fölé (1300 ° F) melegítik. A molekulák lebomlanak, és szinázgázt és salakot termelnek.

A szingáz hidrogén és szén-monoxid kombinációja. A gázosítás során a szingázt megtisztítják a kéntől, a részecskéktől, a higanytól és más szennyező anyagoktól. A tiszta szintézisgázt égethetjük hővé vagy villamos energiává, vagy feldolgozhatjuk közlekedési bioüzemanyagokká, vegyi anyagokká és műtrágyákká.

A salak üveges, olvadt folyadékként képződik. Zsindely, cement vagy aszfalt készítésére használható.

Ipari gázosító üzemeket építenek az egész világon. Ázsia és Ausztrália építi és üzemelteti a legtöbb üzemet, bár a világ egyik legnagyobb gázosító erőműve építés alatt áll jelenleg az angliai Stockton-on-Tees-ben. Ez az üzem végül több mint 350 000 tonna MSW-t képes átalakítani elegendő energiává 50 000 otthon áramellátására.

Anaerob lebontás
Az anaerob lebontás az a folyamat, amikor a mikroorganizmusok, általában baktériumok, oxigén hiányában lebontják az anyagot. Az anaerob lebontás fontos folyamat a hulladéklerakókban, ahol a biomasszát összetörik és összenyomják, anaerob (vagy oxigénszegény) környezetet létrehozva.

Anaerob környezetben a biomassza lebomlik és metánt termel, amely értékes energiaforrás. Ez a metán helyettesítheti a fosszilis üzemanyagokat.

A hulladéklerakók mellett az anaerob lebontás tanyákon és állattartó telepeken is megvalósítható. A trágya és más állati hulladék átalakítható a gazdaság energiaigényének fenntartható kielégítésére.

Bioüzemanyag

A biomassza az egyetlen megújuló energiaforrás, amely folyékony bioüzemanyagokká, például etanollá és biodízellé alakítható. A bioüzemanyagot járművek meghajtására használják, és gázosítással állítják elő olyan országokban, mint Svédország, Ausztria és az Egyesült Államok.

Az etanolt magas szénhidráttartalmú biomassza, például cukornád, búza vagy kukorica erjesztésével állítják elő. A biodízelt úgy állítják elő, hogy etanolt kombinálnak állati zsírokkal, újrahasznosított főzőzsírokkal vagy növényi olajokkal.

A bioüzemanyagok nem olyan hatékonyan működnek, mint a benzin. Mindazonáltal benzinnel keverhetők a járművek és gépek hatékony meghajtására, és nem szabadítják fel a fosszilis üzemanyagokhoz kapcsolódó kibocsátásokat.

Az etanolhoz hektárnyi termőföldre van szükség a biokultúrák (általában kukorica) termesztéséhez. Körülbelül 1515 liter (400 gallon) etanolt állít elő egy hektár kukorica. De ez a terület akkor nem érhető el növények termesztésére élelmiszer vagy más célra. Az etanolhoz elegendő kukorica termesztése szintén megterheli a környezetet, mivel az ültetés nem változik, és a peszticidek magas használata.

Az etanol a faanyag népszerű helyettesítője lett a lakossági kandallókban. Égve láng formájában hőt és füst helyett vízgőzt ad le.

Biochar

A pirolízis során előállított bioszén értékes mezőgazdasági és környezeti felhasználásra.

Amikor a biomassza rothad vagy megég (természetes úton vagy emberi tevékenység által), nagy mennyiségű metánt és szén-dioxidot bocsát ki a légkörbe. Ha azonban a biomassza elszenesedik, elkülöníti vagy elraktározza széntartalmát. Ha a bioszént visszavezetjük a talajba, az továbbra is felszívhatja a szenet, és nagy föld alatti raktárakat képezhet a megkötött szénből - szénelnyelőkből -, amelyek negatív szén-dioxid-kibocsátáshoz és egészségesebb talajhoz vezethetnek.

A Biochar segít a talaj dúsításában is. Porózus. A talajba visszajuttatva a bioszén felszívja és visszatartja a vizet és a tápanyagokat.

A Biochar-t a brazil amazoniai esőerdőkben használják a slash-and-char nevű folyamatban. A perjel és a mezőgazdaság mezőgazdaság váltja fel a perjel-égetést, amely ideiglenesen növeli a talaj tápanyagtartalmát, de a szén-tartalom 97% -át elveszíti. A permetezés során az elszenesedett növények (bioszén) visszakerülnek a talajba, és a talaj megtartja szén-dioxidjának 50% -át. Ez javítja a talajt és jelentősen nagyobb növénynövekedést eredményez.

Fekete Alkohol

Ha a fát papírokká dolgozzák fel, nagy energiájú, mérgező anyagot termel, amelyet fekete lúgnak neveznek. Az 1930-as évekig a papírgyárakból származó fekete szesz hulladéknak számított és a közeli vízforrásokba került.

A fekete ital azonban megtartja a fa biomassza-energiájának több mint 50% -át. A visszanyerő kazán 1930-as találmányával a fekete szesz újrahasznosítható és felhasználható a malom meghajtására. Az Egyesült Államokban a papírgyárak szinte az összes fekete szeszüket felhasználják a malmok üzemeltetéséhez, és ennek eredményeként az erdőipar az egyik leghatékonyabb a nemzetben.

Újabban Svédország kísérleteket tett a fekete szesz elgázosításával szintagáz előállítására, amelyet aztán villamos energia előállítására lehet felhasználni.

Hidrogén üzemanyagcellák

A biomassza gazdag hidrogénben, amely kémiailag kivonható és felhasználható áramtermelésre és járművek üzemanyagára. A helyhez kötött üzemanyagcellákat villamos energia előállítására használják távoli helyeken, például űrhajókon és vadonban. A Yosemite Nemzeti Park, az Egyesült Államok Kalifornia államában, például hidrogén üzemanyagcellákkal áramot és meleg vizet biztosít az adminisztrációs épülethez.

A hidrogén üzemanyagcellák még nagyobb potenciállal bírhatnak alternatív energiaforrásként a járművek számára. Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma szerint a biomassza évente 40 millió tonna hidrogént képes előállítani. Ez elegendő lenne 150 millió jármű üzemanyagához.

Jelenleg hidrogén üzemanyagcellákat használnak buszok, targoncák, hajók és tengeralattjárók meghajtására, és repülőgépeken és más járműveken tesztelik őket.

Vita van azonban arról, hogy ez a technológia fenntarthatóvá vagy gazdaságilag lehetségesvé válik-e. A hidrogén elszigeteléséhez, tömörítéséhez, csomagolásához és szállításához szükséges energia nem hagy nagy mennyiségű energiát gyakorlati felhasználásra.

Biomassza és a környezet

A biomassza a Föld szénforgalmának szerves része. A szén körforgása az a folyamat, amelynek során a szén kicserélődik a Föld minden rétege között: légkör, hidroszféra, bioszféra és litoszféra.

A szén körforgása sokféle formát ölthet. A szén segít szabályozni a Föld légkörébe jutó napfény mennyiségét. A fotoszintézis, a bomlás, a légzés és az emberi tevékenység révén cserélődnek ki. Az a szén, amelyet a talaj felszív, mint egy organizmus, lebomlik, újrahasznosítható, mivel egy növény fotoszintézis útján szénalapú tápanyagokat bocsát ki a bioszférába. Megfelelő körülmények között a bomló szervezet tőzeggé, széndé vagy kőolajká válhat, mielőtt természetes vagy emberi tevékenység révén kivonják.

A csereperiódusok között a szén elkülönül vagy elraktározódik. A fosszilis üzemanyagok szénét évmilliók óta elkülönítették. Amikor a fosszilis tüzelőanyagokat kinyerik és elégetik energiaforrásként, azok elkülönített szénje felszabadul a légkörbe. A fosszilis üzemanyagok nem szívják fel újra a szenet.

A fosszilis tüzelőanyagokkal ellentétben a biomassza a közelmúltban élő szervezetekből származik. A biomasszában lévő szén a szénforgalomban tovább cserélhető.

Annak érdekében, hogy a Föld hatékonyan folytathassa a szén-dioxid-körforgást, a biomassza-anyagokat, például a növényeket és az erdőket, fenntartható módon kell gazdálkodni. Évtizedekbe telik, mire a fák és növények, például a fűfű, újra felszívják és megkötik a szenet. A talaj gyökérzete vagy megzavarása rendkívül zavaró lehet a folyamatban. A fák, növények és más növények folyamatos és változatos ellátása elengedhetetlen az egészséges környezet fenntartásához.

Algás üzemanyag

Az algák egyedülálló organizmusok, amelyek hatalmas potenciállal rendelkeznek a biomassza energiaforrásaként. Az algák, amelyeknek legismertebb formája a tengeri moszat, a fotoszintézis révén sokkal gyorsabban termel energiát, mint bármely más bioüzemanyag-alapanyag - akár 30-szor gyorsabb, mint az étkezési növények!

Az algák óceánvízben termeszthetők, így nem merítik az édesvízkészleteket. Emellett nem igényel talajt, és ezért nem csökkenti a szántóföldet, amely potenciálisan élelmiszer-növényeket teremthet. Bár az algák égéskor szén-dioxidot bocsátanak ki, élő szervezetként tenyészthető és utánpótolható. A feltöltés során oxigént szabadít fel, és felszívja a szennyező anyagokat és a szén-dioxid-kibocsátást.

Az algák sokkal kevesebb helyet foglalnak el, mint más bioüzemanyagok. Az Egyesült Államok Energetikai Minisztériuma becslései szerint csak körülbelül 38 850 négyzetkilométerre (15 000 négyzetmérföldre, az Egyesült Államok Maine államának felénél kisebb területre) lenne szükség ahhoz, hogy elegendő algát termesszen az Egyesült Államokban az összes kőolaj-alapú energiaigény pótlásához.

Az algák olyan olajokat tartalmaznak, amelyek bioüzemanyaggá alakíthatók. Az új-zélandi Aquaflow Bionomic Corporationnél például az algákat hővel és nyomással dolgozzák fel. Ez létrehoz egy „zöld nyersolajat”, amely hasonló tulajdonságokkal rendelkezik, mint a kőolaj, és bioüzemanyagként használható.

Az algák növekedése, a fotoszintézis és az energiatermelés fokozódik, ha szén-dioxidot buborékoltatnak át rajta. Az algák kiváló szűrők, amelyek elnyelik a szén-dioxid-kibocsátást. A Bioenergy Ventures, egy skót cég kifejlesztett egy rendszert, amelyben a whisky-lepárló szén-dioxid-kibocsátását egy algamezőbe vezetik. Az algák a további szén-dioxiddal virágoznak. Amikor az algák elpusztulnak (kb. Egy hét múlva), összegyűjtik őket, és lipidjeiket (olajjaikat) bioüzemanyaggá vagy haleledellé alakítják.

Az algák óriási potenciállal rendelkeznek alternatív energiaforrásként. Használható formákba történő feldolgozása azonban drága. Bár a becslések szerint 10–100-szor több üzemanyagot hoznak, mint más bioüzemanyag-termények, 2010-ben tonnánkénti 5000 dollárba került. A költségek valószínűleg csökkenni fognak, de jelenleg a legtöbb fejlődő gazdaság számára elérhetetlen.

Emberek és biomassza

Előnyök
A biomassza tiszta, megújuló energiaforrás. Kezdeti energiája a napból származik, és a növények vagy az algák biomassza viszonylag rövid idő alatt képes újratermelni. A fák, a növények és a települési szilárd hulladék folyamatosan rendelkezésre állnak, és fenntartható módon kezelhetők.

Ha a fákat és növényeket fenntartható módon gazdálkodják, ellensúlyozhatják a szén-dioxid-kibocsátást, amikor a légzéssel felszívják a szén-dioxidot. Bizonyos bioenergia-folyamatokban az újra felszívódó szén mennyisége még meghaladja az üzemanyag-feldolgozás vagy -felhasználás során felszabaduló szén-dioxid-kibocsátást.

Számos biomassza-alapanyag, mint például a füves, betakarítható marginális területeken vagy legelőkön, ahol nem versenyeznek az élelmiszer-növényekkel.

Más megújuló energiaforrásoktól, például a széltől vagy a naptól eltérően a biomassza energiája a szervezetben tárolódik, és szükség esetén kinyerhető.

Hátrányok
Ha a biomassza alapanyagokat nem töltik fel olyan gyorsan, mint felhasználják, akkor megújíthatatlanná válhatnak. Például egy erdő több száz évig is eltarthat, míg újból megtelepedik. Ez még mindig sokkal, de sokkal rövidebb időszak, mint egy fosszilis üzemanyag, például tőzeg. 900 évbe telhet, mire egy méter (3 láb) tőzeg feltöltődik.

A legtöbb biomassza kifejlesztéséhez szántóföld szükséges. Ez azt jelenti, hogy a bioüzemanyag-termesztésre használt földek, mint például a kukorica és a szójabab, nem érhetők el élelmiszer-termesztéshez vagy természetes élőhelyek biztosításához.

Az évtizedek óta érő erdős területek (úgynevezett „öreg erdők”) több szén-dioxidot képesek elkötni, mint az újonnan telepített területek. Ezért, ha az erdős területeket nem vágják ki fenntarthatóan, újratelepítik, és időt kapnak a növekedésre és a szén megkötésére, a fa üzemanyagként történő felhasználásának előnyeit nem ellensúlyozza a fák újratermelődése.

A legtöbb biomassza-üzem megköveteli a fosszilis üzemanyagok gazdaságosságát. Egy hatalmas üzemben, amely építés alatt áll például a Talales-talbot (Wales) közelében, az Észak-Amerikából importált fosszilis tüzelőanyagokra lesz szükség, ellensúlyozva a vállalkozás fenntarthatóságának egy részét.

A biomassza „energiasűrűsége” alacsonyabb, mint a fosszilis tüzelőanyagoké. A biomassza 50% -a víz, amely elveszik az energiaátalakítási folyamat során. A tudósok és mérnökök becslései szerint gazdaságilag nem hatékony a biomassza szállítása a feldolgozás helyétől 160 kilométernél (100 mérföldnél) tovább. A biomassza pelletekké történő átalakítása (szemben a faforgáccsal vagy a nagyobb brikettel) azonban növelheti az üzemanyag energiasűrűségét, és előnyösebbé teheti a szállítás.

Az égő biomassza szén-monoxidot, szén-dioxidot, nitrogén-oxidokat és egyéb szennyező anyagokat és részecskéket szabadít fel. Ha ezeket a szennyező anyagokat nem rögzítik és nem hasznosítják, a biomassza elégetése szmogot okozhat, sőt meghaladhatja a fosszilis üzemanyagok által kibocsátott szennyező anyagok számát.

Fotók: USDA, V. Zutshi, S. Beaugez, M. Hendrikx, S. Heydt, M. Oeltjenbruns, A. Munoraharjo, F. Choudhury, G. Upton, O. Siudak, M. Gunther, R. Singh

A biomassza kiegyensúlyozása
Az aggódó tudósok szakszervezete hozzájárult a megújuló biomassza kiegyensúlyozott meghatározásának kidolgozásához, amelyek praktikus és hatékony fenntarthatósági rendelkezések, amelyek bizonyos fokú biztosítékot nyújthatnak a fás biomassza-termés fenntarthatóságára.

Zöld energia a Green Mountain államban
Az első amerikai biomassza gázosító üzem 1998-ban nyílt meg a burlingtoni (Vermont) közelében. A Joseph C. McNeil Generáló Állomás alacsony minőségű fákból származó fát és szüretmaradványokat használ fel, és körülbelül 50 megawatt villamos energiát termel, amely majdnem elegendő Burlington, Vermont legnagyobb városának fenntartásához.

Fowl Play
A hatalmas pekingi Deqingyuan csirkefarm 3 millió csirkéje, Kína Peking mellett, naponta 220 tonna trágyát és 170 tonna szennyvizet termel. A GE Energy gázosítási technológiájának felhasználásával a gazdaság évente 14 600 megawattórás villamos energiává képes átalakítani a csirke trágyát.

A világ legjobb bioüzemanyag-terményei
1. kapcsolófű
2. búza
3. napraforgó
4. gyapotmagolaj
5. szója
6. jatropha
7. pálmaolaj
8. cukornád
9. repce
10. kukorica