Производство на енергия от сухи горски и селскостопански отпадъци

ЕлектроенергетикаТехнически статииСп. Енерджи ревю - брой 2, 2015

Биомасата е важен енергиен източник в рамките на глобалната стратегия за независимост от фосилните горива, насърчаване използването на възобновяеми енергийни източници, повишаване на енергийната ефективност в бита и индустрията и постигане на нисковъглеродна икономика.

На практика, всички растения и органични отпадъци биха могли да бъдат използвани за производството на топлина, електричество или енергийни продукти. Със значителен потенциал за производството на енергия се отличават сухите горски и селскостопански отпадъци, които са с ниска влажност, висока достъпност и могат да бъдат ефективно оползотворявани за производството на енергия не само във фермите, селските и горските райони, но и в домакинствата и индустрията.

За производството на енергия от биомаса се използват различни технологии и съоръжения, които варират в зависимост от изходната суровина, целта и приложението. Преди проектирането и реализирането на съответния проект за производство на енергия от сухи горски и селскостопански отпадъци е необходимо детайлно проучване на локалните ресурси, тяхното количество и достъпност, както и енергийните им характеристики.

Важно е да се отчетат съдържанието на влага (включително потенциалните му стойности според условията на съхранение), добивът, сезонността, близостта на терена до площадката за генерация, както и всички други съществени фактори, които биха повлияли достъпността на ресурса в бъдеще, качеството на продукта и др.

Селскостопанската биомаса като енергиен източник

Селскостопанската дейност е съпроводена с образуването на големи количества остатъци от биомаса. Повечето растителни остатъци (стъбла, листа, слама и др.) се оставят на полето, за да се подпомогне предотвратяването на почвената ерозия и да се върнат хранителните вещества обратно в почвата при разграждането им. Някои от тези остатъци обаче притежават добри енергийни характеристики и висок потенциал за производството на енергия.

Такова растение е царевицата, от която за производство на енергия широко се използват стъблата, царевичната скорбяла и царевичното масло. Разпространени биогорива са и соевото олио, соята, пшеничната скорбяла и други растителни мазнини.

Съществуват и се култивират и специални сортове растения, предназначени за употреба главно като енергийни източници - растителни енергийни култури. Обикновено те са многогодишни и могат да бъдат отглеждани в големи количества, подобно на ядливите култури.

Сред тях са “слонската трева”, бамбукът, сладкото сорго, власатката и др. Те изискват по-малко дейности по отглеждането в сравнение с едногодишните растения и са по-рентабилни и устойчиви за производство.

Тревистите видове също намират място сред културите с високи енергийни характеристики, предназначени за производството на енергийни продукти, например жълтата тръстикова трева и стрелковидната трева. От тях се получават високи добиви, които могат да бъдат събирани в продължение на няколко години преди подновяване на терена.

Зърнен фураж

Зърненият фураж е един от най-значимите източници на биоенергия в световен мащаб, тъй като големи зони от сушата на планетата са засадени със зърнени култури. Царевичният фураж и пшеничната слама са основните селскостопански остатъци, използвани в производството на енергия.

Въпреки че в по-голяма част от държавите се произвежда повече пшеница отколкото царевица, пшеничната слама има по-малък общ енергиен потенциал поради по-ниското си енергийно съдържание и по-ниската плътност на насажденията на единица площ. Царевичният фураж има калоричност около kWh/kg (влажен) и 4,88 kWh/kg (сух). При пшеничната слама калоричността е от порядъка на 3,53 kWh/kg (влажна) и 4,42 kWh/kg (суха).

Основните фактори за нарастването на ролята на селскостопански отпадъци и в частност на зърнения фураж като енергиен източник са елиминирането на нуждата от използване на изкопаеми горива и по-високата екологичност на процесите по производство на енергия.

Растителни енергийни култури

Растителните енергийни култури са многогодишни растения, включително треви, храсти и дървесни видове, които се отглеждат чрез традиционни селскостопански практики и се използват главно като изходна суровина за производството на енергия и енергийни продукти (течни, твърди и газообразни горива).

Разходите за добив на стрелковидна трева, например, са подобни на тези при повечето фуражни култури, тъй като тя може да бъде ожъната и балирана с конвенционално оборудване, което я превръща в един от най-лесните и евтини източници на биоенергия.

Предимствата на култивирането и използването на специални сортове растителни енергийни култури за производство на енергия са постоянството в съдържанието на влага, енергийните и технологични характеристики. Енергийната стойност на хибридната топола например е около 4,100 kWh/kg във влажно и 8,200 kWh/kg в сухо състояние и тези стойности остават сравнително постоянни. При стрелковидната трева калоричността обикновено е 6,060 kWh/kg (влажна) и 8,670 kWh/kg (суха).

Дървесна биомаса и горски отпадъци

Дървесината е най-големият източник на биоенергия. За добив на биомаса се отглеждат главно бързорастящи дървесни видове, които бързо регенерират след отсичане. Тези растения могат да достигнат височина над 10 м и да бъдат използвани обикновено след 5 до 8 години и в продължение на 10 до 20 години преди презасаждане. Сред най-масово разпространените дървесни енергийни култури са хибридни тополи, хибридни върби, клен, канадска топола, ясен, орех и чинар.

Горските и дървесни отпадъци, получавани при изсичане на дърветата, прочистване и подрязване, също притежават значителен потенциал за производство на биоенергия и енергийни продукти. Те включват клони, кора, пънове, корени, дървесина за огрев, съчки, листа, както и отпадъци от дървопреработката (изрезки, талаш, стърготини, трески и т.н.).

Използването на такава суровина за производството на биоенергия води до значително по-ниски емисии на серен диоксид и азотен оксид в сравнение с изгарянето на въглища. Горските отпадъци обикновено имат средна енергийна стойност приблизително 3,32 kWh/kg (влажни) и 8,570 kWh/kg (сухи).

Тъй като за огрев и за други промишлени и битови цели се използва само дървесина със съответното качество, останалият материал обикновено се оставя на място в горските терени. Тъй като разходите за транспортирането му могат да бъдат сравнително високи, често се прибягва до локализиране на инсталациите на горска биомаса в непосредствена близост до добивната локация.

Друга възможност за оползотворяването на горските отпадъци е транспортирането им чрез съществуващата инфраструктура за събиране на дървесина, която обикновено е налична в зоните за добив.

Технологични решения

Горските и селскостопански отпадъци могат да бъдат превърнати в енергия или в гориво чрез редица технологии, вариращи от конвенционално изгаряне до съвременния метод термична деполимеризация. Освен производството на чиста енергия, тези технологии могат да доведат и до значително редуциране на общите количества отпадъци, които изискват депониране, като по този начин контролирано се оползотворяват, спазвайки стандартите за управление на замърсяването.

Разнообразието от технологични възможности варира от малки битови отоплителни инсталации на селскостопанска или горска биомаса до мащабни индустриални комбинирани генератори за топлина и електричество. Технологиите и съоръженията за производство на биоенергия от сухи горски и селскостопански отпадъци могат да бъдат пригодени в зависимост от приложението - за битови, търговски или промишлени цели.

Оползотворяването на енергийния потенциал на биомасата може да се постигне чрез прости компактни системи за изгаряне на сухи биоотпадъци до промишлени инсталации с голям капацитет и мощност, способни да покриват енергийните потребности на цели производствени или преработващи предприятия.

Горските и селскостопански отпадъци могат да бъдат превърнати в енергия чрез директно изгаряне, изгаряне след смесване с други горива или чрез междинни процеси като газификация. Произведената енергия може да бъде под формата на електричество, топлина или комбинация от двете (когенерация).

Основно предимство при внедряването на когенерационни инсталации за селскостопански, горски и дървесни отпадъци е значително по-високата ефективност на оползотворяването. Производството само на електрическа енергия от такава суровина обикновено е с ефективност 30%, но с реализирането на технология за когенерация ефективността на процеса може да нарасне до 85%.

Биохимични процеси, като анаеробно разграждане например, също се използват за производство на енергия от селскостопански и горски отпадъци под формата на биогаз, който може да бъде превърнат в електричество или топлина чрез газов двигател. От тези отпадъци може да се добиват и течни горива като целулозен етанол, който се използва като заместител на петролните горива.

Превръщане на сухи селскостопански и горски отпадъци в енергия

Когато сухите горски, дървесни или селскостопански отпадъци се изгарят, те отделят енергия главно под формата на топлина. Съдържаният в биомасата въглерод реагира с кислорода от въздуха и образува въглероден диоксид.

При пълно изгаряне произведеното количество въглероден диоксид е приблизително равно на абсорбираното от растението количество по време на жизнения му цикъл, което прави тоз тип отпадъци въглеродно неутрални при оползотворяване под формата на биомаса.

Производството на енергия от селскостопанска и горска биомаса редуцира количеството парникови газове, емитирани в атмосферата, по няколко различни начина. Първо, генерацията на електричество и топлина от биомаса намалява зависимостта на бита и индустрията от изкопаемите горива.

Второ, редуцират се количествата метан, изпускани от сметищата. Не на последно място - инсталациите за производство на енергия от отпадъци са високоефективни и оползотворяват неизползван досега енергиен ресурс вместо конвенционалните суровини.

Методи и приложения

Произвежданата от инсталациите за сухи горски и селскостопански отпадъци топлина чрез директно изгаряне или смесване с други горива може да бъде използвана за отопление на сгради, изсушаване на разнообразни продукти, различни операции в млекопреработвателната промишленост и редица други индустриални процеси. Тази топлина може да бъде използвана и за производството на пара и генериране на електричество.

Биомасата от селскостопански и горски отпадъци може да бъде превърната в течни или газообразни горива за производство на електричество и за целите на транспортния сектор. Типичен продукт от преработката на биомаса е етанолът, който обикновено се произвежда посредством ферментация и дестилация.

Процесът по превръщане на биомасата в газ включва нагряване под налягане в безкислородна среда. Специални биореактори се използват за преработката на тор за производството на газ, който може да бъде превърнат в топлина, пара или електричество.

Нови технологии за оползотворяване на селскостопанска и горска биомаса

Постоянно се разработват нови и по-ефективни технологии за производството на биогаз от селскостопански и горски отпадъци. Сред тях е директното изгаряне на суровината в газова турбина, която задвижва генератор и произвежда електричество. Този процес е два пъти по-ефективен от конвенционалното изгаряне на биомаса за производство на енергия от пара.

Инженерите в областта разработват и малки високоскоростни генератори на биогаз. Тези своеобразни микротурбини имат само 3 подвижни части и генерират около 30 kW - мощност, достатъчна да захрани една средномащабна ферма. Термичната газификация на биомасата от селскостопански и горски отпадъци се налага като икономически по-изгодна алтернатива на ферментацията.

Произведеният от преработката на биомаса биогаз може да бъде превърнат във водород или метанол, от който след това по химичен път може да бъде произведена електрическа енергия във високоефективни горивни клетки. Горивните клетки могат да бъдат големи системи, захранващи цяла ферма или компактни решения, използвани за захранването на автомобили или селскостопанска техника.


Top