Dowiedz się, jak można przekształcić odpady organiczne w energię elektryczną, tzw. Biomasę
Biomasa to wszelka materia organiczna pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego wykorzystywana do produkcji energii, taka jak m.in. węgiel drzewny, drewno opałowe, wytłoczyny z trzciny cukrowej. Ponieważ jest to rozproszone i nisko wydajne źródło energii, tradycyjnie stosowane w krajach słabiej rozwiniętych, brakuje pewnych danych dotyczących reprezentatywności tego źródła energii dla światowej matrycy energetycznej. Jednak według raportu ANEEL około 14% energii zużywanej na świecie pochodzi z tego źródła, a według innego badania przeprowadzonego przez Jornal Brasileiro de Pneumologia 90% domów na obszarach wiejskich w biednych krajach zużywa energię ze spalania biomasy ( drewno, węgiel drzewny, odchody zwierzęce lub odpady rolnicze), zwłaszcza w Afryce Subsaharyjskiej i Azji.
Wykorzystanie biomasy w elektrowniach termoelektrycznych staje się coraz powszechniejsze i jest wykorzystywane do docierania do obszarów nieobjętych siecią elektroenergetyczną, takich jak odizolowane społeczności wiejskie. Coraz powszechniejsze staje się również stosowanie układów kogeneracyjnych, które łączą wytwarzanie energii elektrycznej z biomasy z wytwarzaniem ciepła, zwiększając efektywność energetyczną systemów produkcyjnych.
Co to jest kogeneracja?
Biomasa, taka jak węgiel czy drewno opałowe, porusza duże części generatorów termoelektrycznych. Niezależnie od rodzaju paliwa i silnika generatory te tracą większość energii zawartej w paliwie w postaci ciepła. Średnio energia biomasy utracona do środowiska w postaci ciepła stanowi 60% do 70% całkowitej energii paliwa. Zatem sprawność generatora wynosi około 30% do 40%.
Ponieważ wiele budynków i gałęzi przemysłu wymaga ogrzewania (dla środowiska wewnętrznego lub do ogrzewania wody), opracowano układ kogeneracyjny, dzięki któremu ciepło powstające przy produkcji energii elektrycznej jest włączane do procesu produkcyjnego w postaci pary. Główną zaletą tego systemu jest oszczędność paliwa w procesie ogrzewania. W ten sposób wzrasta efektywność energetyczna układu, osiągając nawet 85% energii biomasy paliwa.
Biomasa w Brazylii
Obecnie surowcem o największym potencjale wykorzystania jako biomasa do wytwarzania energii elektrycznej w kraju jest wytłoczyny z trzciny cukrowej. Sektor cukrowniczy i alkoholowy generuje duże ilości odpadów, które można wykorzystać jako biomasę, głównie w układach kogeneracyjnych. Inne odmiany warzyw o dużym potencjale do produkcji energii elektrycznej to olej palmowy, którego średnia roczna wydajność z hektara jest czterokrotnie wyższa niż trzcina cukrowa, buriti, babassu i andiroba. Pojawiają się jako alternatywa dla dostaw energii elektrycznej w odizolowanych społecznościach, zwłaszcza w regionie Amazonii.
Kiedy etanol jest wytwarzany z trzciny cukrowej, około 28% trzciny jest przekształcane w bagassę. Ta bagassa jest biomasą powszechnie stosowaną w zakładach do produkcji pary niskociśnieniowej, która jest wykorzystywana w turbinach przeciwprężnych w urządzeniach ekstrakcyjnych (63%) oraz do wytwarzania energii elektrycznej (37%). Większość pary pod niskim ciśnieniem, która opuszcza rośliny, jest wykorzystywana do przetwarzania i podgrzewania soku (24%) oraz w aparacie destylacyjnym. Każde urządzenie zużywa średnio około 12 kWh energii elektrycznej, wartość, którą mogą dostarczyć same pozostałości biomasy. Inne pozostałości rolne o dużym potencjale wykorzystania jako biomasa do produkcji energii elektrycznej to łupiny ryżowe, orzechy nerkowca i łupiny kokosowe.
Trasy konwersji biomasy
Źródła biomasy można podzielić na: warzywa drzewne (drewno), warzywa niedrzewne (sacharydy, celulozowe, skrobiowe i wodne), pozostałości organiczne (rolnicze, przemysłowe, miejskie) oraz biopłyny (oleje roślinne). Drogi konwersji biomasy są różnorodne i to dzięki tym technologiom konwersji możliwe jest uzyskanie kilku odmian biopaliw, takich jak etanol, metanol, biodiesel i biogaz. Główne procesy konwersji biomasy to:
Spalanie bezpośrednie
Materiały takie jak drewno i wszystkie rodzaje odpadów organicznych (rolniczych, przemysłowych i miejskich) mogą być poddawane spalaniu w celu wytworzenia energii. Proces spalania polega na zamianie energii chemicznej istniejącej w tych źródłach biomasy na ciepło. W celach energetycznych bezpośrednie spalanie biomasy odbywa się w piecach i piecach. Pomimo praktyczności, proces bezpośredniego spalania jest dość nieefektywny. Ponadto paliwa, które można zastosować w procesie, na ogół charakteryzują się wysoką wilgotnością (20% lub więcej w przypadku drewna opałowego) i niską gęstością energii, co utrudnia ich przechowywanie i transport.
Gazyfikacja
Jest to technologia stosowana do miejskich i przemysłowych odpadów organicznych oraz drewna. Zgazowanie polega na przekształceniu źródeł biomasy stałej w gazy w wyniku reakcji termochemicznych, z udziałem gorącej pary i powietrza lub tlenu w ilościach poniżej minimum do spalania. Powstały skład gazu jest mieszaniną tlenku węgla, wodoru, metanu, dwutlenku węgla i azotu, dzięki czemu proporcje te zmieniają się w zależności od warunków procesu, zwłaszcza w odniesieniu do powietrza lub tlenu używanego do utleniania . Paliwo powstające w wyniku spalania tej biomasy jest bardziej uniwersalne (można je stosować w silnikach spalinowych, a także w turbinie gazowej) i czyste (w trakcie procesu można usunąć związki takie jak siarka) niż wersje na paliwo stałe. Poza tym,istnieje możliwość produkcji gazu syntetycznego ze zgazowania, który można zastosować w syntezie dowolnego węglowodoru.
Piroliza
Piroliza, zwana również karbonizacją, jest najstarszym procesem przekształcania źródła biomasy (zwykle drewna) w inne paliwo (węgiel drzewny) o gęstości energii dwukrotnie większej niż materiał źródłowy. Pirolizie często poddawane są również pozostałości organiczne pochodzenia rolniczego - w takim przypadku pozostałości należy wcześniej zagęścić. Metoda polega na podgrzaniu materiału w środowisku, w którym „prawie nie ma” powietrza. Piroliza wytwarza również gaz opałowy, smołę i pirodrzewo, materiały szeroko stosowane w sektorze przemysłowym. Wynik procesu znacznie się różni od stanu oryginalnego materiału (ilość i wilgotność). Do wyprodukowania jednej tony węgla drzewnego potrzeba od czterech do dziesięciu ton drewna opałowego.
Transestryfikacja
Jest to proces chemiczny, który zamienia biomasę olejów roślinnych w produkt pośredni, powstający w wyniku reakcji dwóch alkoholi (metanolu i etanolu) z zasadą (wodorotlenek sodu lub potasu). Produkty do transestryfikacji tego typu biomasy to gliceryna i biodiesel, paliwo o warunkach zbliżonych do oleju napędowego, które może być stosowane w silnikach spalinowych, do użytku samochodowego lub stacjonarnego.
Fermentacja beztlenowa
Podobnie jak piroliza, rozkład beztlenowy musi odbywać się w środowisku z „prawie nieobecnością” tlenu. Oryginalna biomasa ulega rozkładowi pod działaniem bakterii, tak jak występuje naturalnie z prawie wszystkimi związkami organicznymi. Odpady organiczne, takie jak odchody zwierzęce i odpady przemysłowe, można poddawać procesowi fermentacji beztlenowej (zachodzącej przy braku tlenu) w biofermentatorach. Działanie bakterii powoduje niezbędne ogrzewanie, aby nastąpił rozkład, jednak w regionach lub w okresach zimna może być konieczne zastosowanie dodatkowego ciepła. Końcowym produktem fermentacji beztlenowej jest biogaz, który zasadniczo składa się z metanu (50–75%) i dwutlenku węgla. Powstały ściek można wykorzystać jako nawóz.
Fermentacja
Jest to proces biologiczny zachodzący pod wpływem mikroorganizmów (zwykle drożdży), które przekształcają w alkohol cukry obecne w źródłach biomasy, takich jak trzcina cukrowa, kukurydza, buraki i inne gatunki warzyw. Końcowym wynikiem fermentacji biomasy jest produkcja etanolu i metanolu.
Możliwość zastosowania biomasy
Biomasa jest uważana za odnawialne źródło energii i została wykorzystana do zastąpienia paliw kopalnych, takich jak ropa i węgiel, do wytwarzania energii elektrycznej w elektrowniach termoelektrycznych i do emitowania mniejszej ilości zanieczyszczających gazów w porównaniu z nieodnawialnymi. Jednak pomimo tego, że nie jest paliwem kopalnym, według badań spalanie biomasy jest jednym z największych na świecie źródeł toksycznych gazów, cząstek stałych i gazów cieplarnianych.
W przypadku wypalania dużych powierzchni, czy to lasów, sawann czy innego rodzaju roślinności, emisja siarki prowadzi do zmian pH wód opadowych, przyczyniając się do występowania kwaśnych deszczy. Emisja metanu i dwutlenku węgla przyczynia się do nasilenia efektu cieplarnianego, a rtęci prowadzi do skażenia organizmów wodnych i umożliwia tworzenie się metylortęci, substancji szkodliwej dla zdrowia ludzkiego.
Powtarzające się i długotrwałe narażenie na materiał powstający w procesie spalania biomasy w pomieszczeniach (piece na drewno, kominki itp.) Wiąże się ze wzrostem częstości występowania ostrych infekcji dróg oddechowych u dzieci, co jest uważane za główną przyczynę śmiertelności. w krajach rozwijających się. Ponadto wiąże się to również ze wzrostem przewlekłych obturacyjnych chorób płuc, pylicy płuc (choroba wywołana wdychaniem pyłu), gruźlicy płuc, zaćmy i ślepoty. W przypadku spalania słomy trzcinowej ludność zamieszkująca teren wokół uprawy trzciny cukrowej jest narażona na pył ze spalanej biomasy przez około sześć miesięcy w ciągu całego roku.
Z tego powodu Krajowa Rada Środowiska (Conama) ustala limity emisji zanieczyszczeń powietrza z procesów wytwarzania ciepła z zewnętrznego spalania biomasy z trzciny cukrowej, co umożliwia regulację emisji i złagodzić skutki społeczno-środowiskowe związane ze spalaniem biomasy.
Biomasa daje również możliwość produkcji z różnorodnych materiałów, zapewniając rynkowi elastyczność i bezpieczeństwo, różniące się od samych paliw kopalnych, głównie ropy. Inną kwestią jest to, że wykorzystując organiczne odpady rolnicze, przemysłowe i miejskie do produkcji energii elektrycznej, otrzymują one bardziej „zrównoważone” przeznaczenie niż zwykłe usuwanie. Według badań większość pozostałości rolniczych w Brazylii to kukurydza, soja, ryż i pszenica, z których dwa pierwsze to surowce często używane do produkcji biodiesla.
Brazylia ma sprzyjające warunki do produkcji energii z biomasy, takie jak istnienie dużych obszarów rolniczych, które można wykorzystać do produkcji biomasy i które przez cały rok otrzymują intensywne promieniowanie słoneczne. Istnieją jednak obawy dotyczące produkcji biopaliw pierwszej generacji, które bezpośrednio wykorzystują surowiec roślinny. W takim przypadku biopaliwa mogłyby zwalczać sytuacje rywalizacji o grunty orne z sektorem rolnym, zagrażając bezpieczeństwu żywnościowemu ludności. Inną kwestią związaną z dużymi obszarami jest kwestia ochrony środowiska. Oprócz konkurowania z rolnictwem biopaliwa mogą w końcu wywierać presję na obszary przeznaczone do ochrony środowiska.
