Pochopte, ako je možné transformovať organický odpad na elektrickú energiu, takzvanú biomasu
Biomasa je všetka organická hmota rastlinného alebo živočíšneho pôvodu používaná na výrobu energie, ako napríklad uhlie, palivové drevo, bagasa z cukrovej trstiny. Pretože sa jedná o rozptýlený a málo efektívny zdroj energie, ktorý sa tradične používa v menej rozvinutých krajinách, existuje určitý nedostatok údajov o reprezentatívnosti tohto zdroja energie pre svetovú energetickú maticu. Podľa správy ANEEL však asi 14% energie spotrebovanej na svete pochádza z tohto zdroja a podľa inej štúdie Jornal Brasileiro de Pneumologia 90% domov vo vidieckych oblastiach v chudobných krajinách využíva energiu zo spaľovania biomasy ( drevo, drevené uhlie, živočíšny hnoj alebo poľnohospodársky odpad), najmä v subsaharskej Afrike a Ázii.
Využívanie biomasy v termoelektrických zariadeniach je čoraz bežnejšie a používa sa na dosiahnutie oblastí, ktoré nie sú pokryté sieťou na dodávku elektriny, ako sú izolované vidiecke komunity. Čoraz bežnejšie je aj využívanie kogeneračných systémov, ktoré kombinujú výrobu elektrickej energie z biomasy s výrobou tepla a zvyšujú energetickú účinnosť výrobných systémov.
Čo je to kogenerácia?
Biomasa, ako je uhlie alebo palivové drevo, je to, čo pohybuje veľkou časťou termoelektrických generátorov. Bez ohľadu na typ paliva a motor strácajú tieto generátory väčšinu energie obsiahnutej v palive vo forme tepla. V priemere predstavuje energia biomasy stratená do životného prostredia vo forme tepla 60% až 70% celkovej energie z paliva. Účinnosť generátora je teda okolo 30% až 40%.
Pretože veľa budov a priemyselných odvetví vyžaduje vykurovanie (pre vnútorné prostredie alebo pre ohrev vody), bol vyvinutý kogeneračný systém, prostredníctvom ktorého sa teplo vyrobené pri výrobe elektriny začleňuje do výrobného procesu vo forme pary. Hlavnou výhodou tohto systému je úspora paliva pri procese vykurovania. Zvyšuje sa tak energetická účinnosť systému a dosahuje až 85% energie z biomasy paliva.
Biomasa v Brazílii
V súčasnosti je zdrojom s najväčším potenciálom, ktorý sa môže použiť ako biomasa na výrobu elektriny v krajine, bagasa z cukrovej trstiny. Sektor cukru a alkoholu produkuje veľké množstvo odpadu, ktorý sa dá využiť ako biomasa, hlavne v kogeneračných systémoch. Ďalšími odrodami zeleniny s veľkým potenciálom na výrobu elektriny sú palmový olej, ktorý má priemernú ročnú produktivitu na hektár štyrikrát vyššiu ako produktivita cukrovej trstiny, buriti, babassu a andiroba. Objavujú sa ako alternatívy dodávky elektriny v izolovaných komunitách, najmä v oblasti Amazonky.
Keď sa etanol vyrába z cukrovej trstiny, asi 28% trstiny sa premení na bagasu. Táto bagasa je biomasa bežne používaná v závodoch na výrobu nízkotlakovej pary, ktorá sa používa v protitlakových turbínach v ťažobnom zariadení (63%) a pri výrobe elektriny (37%). Väčšina nízkotlakej pary, ktorá opúšťa rastliny, sa používa na proces a ohrev šťavy (24%) a v destilačnom prístroji. V priemere každé zariadenie vyžaduje asi 12 kWh elektrickej energie, čo je hodnota, ktorú môžu dodávať samotné zvyšky biomasy. Ďalšími poľnohospodárskymi zvyškami, ktoré majú vysoký potenciál na použitie ako biomasa pri výrobe elektriny, sú ryžové šupky, kešu orechy a kokosové šupky.
Trasy premeny biomasy
Zdroje biomasy možno klasifikovať ako: drevina (drevo), nedrevná zelenina (sacharidy, celulóza, škrob a voda), organické zvyšky (poľnohospodárske, priemyselné, mestské) a biofluidy (rastlinné oleje). Trasy premeny biomasy sú rozmanité a práve vďaka týmto technológiám premeny je možné získať niekoľko druhov biopalív, ako je etanol, metanol, bionafta a bioplyn. Hlavné procesy premeny biomasy sú:
Priame spaľovanie
Materiály ako drevo a všetky druhy organického odpadu (poľnohospodárskeho, priemyselného a mestského) môžu byť kvôli výrobe energie podrobené spaľovaniu. Proces spaľovania spočíva v transformácii chemickej energie existujúcej v týchto zdrojoch biomasy na teplo. Na energetické účely sa priame spaľovanie biomasy vykonáva v peciach a kachliach. Napriek praktickosti býva proces priameho spaľovania dosť neefektívny. Okrem toho palivá, ktoré sa dajú pri tomto procese použiť, majú zvyčajne vysokú vlhkosť (20% alebo viac v prípade palivového dreva) a nízku energetickú hustotu, čo sťažuje skladovanie a prepravu.
Splyňovanie
Je to technológia aplikovaná na mestský a priemyselný organický odpad a drevo. Splyňovanie spočíva v premene zdrojov pevnej biomasy na plyny termochemickými reakciami, pri ktorých sa na spaľovanie využíva horúca para a vzduch alebo kyslík v množstve menšom ako minimálne. Výsledné zloženie plynu je zmesou oxidu uhoľnatého, vodíka, metánu, oxidu uhličitého a dusíka, takže tieto podiely sa menia podľa podmienok procesu, najmä vo vzťahu k vzduchu alebo kyslíku použitému pri oxidácii. . Palivo vznikajúce pri spaľovaní tejto biomasy je univerzálnejšie (môže sa používať v spaľovacích motoroch a tiež v plynových turbínach) a čisté (počas procesu sa môžu odstraňovať zlúčeniny ako síra) ako verzie na tuhé palivo. Okrem toho,je možné vyrábať syntetický plyn zo splyňovania, ktorý je možné použiť na syntézu akýchkoľvek uhľovodíkov.
Pyrolýza
Pyrolýza, tiež známa ako karbonizácia, je najstarší proces premeny zdroja biomasy (zvyčajne dreva) na iné palivo (drevené uhlie) s hustotou energie dvakrát vyššou ako zdrojový materiál. Organické zvyšky poľnohospodárskeho pôvodu sú tiež často podrobené pyrolýze - v takom prípade musia byť zvyšky predtým zhutnené. Metóda spočíva v zahrievaní materiálu v prostredí, v ktorom je vzduch takmer „neprítomný“. Pyrolýzou sa tiež vyrába palivový plyn, decht a pyro-drevo, materiály, ktoré sa často používajú v priemyselnom priemysle. Výsledok procesu sa veľmi líši od stavu pôvodného materiálu (množstvo a vlhkosť). Na výrobu jednej tony dreveného uhlia môžu byť potrebné štyri až desať ton palivového dreva.
Transesterifikácia
Jedná sa o chemický proces, ktorý premieňa biomasu rastlinných olejov na medziprodukt z reakcie medzi dvoma alkoholmi (metanol a etanol) a zásadou (hydroxid sodný alebo draselný). Produkty na transesterifikáciu tohto typu biomasy sú glycerín a bionafta, palivo, ktoré má podobné podmienky ako nafta a môže sa používať v spaľovacích motoroch na motorové alebo stacionárne použitie.
Anaeróbne trávenie
Rovnako ako pyrolýza, aj anaeróbna digescia musí prebiehať v prostredí s „takmer absenciou“ kyslíka. Pôvodná biomasa sa rozkladá pôsobením baktérií, rovnako ako sa prirodzene vyskytuje u takmer všetkých organických zlúčenín. Organický odpad, ako je živočíšny hnoj a priemyselný odpad, je možné spracovať pomocou anaeróbneho rozkladu (biologického rozkladu pri nedostatku kyslíka) v biologických digestore. Pôsobenie baktérií vedie k nevyhnutnému zahrievaniu rozkladu. V oblastiach alebo časoch chladu však môže byť potrebné použitie dodatočného tepla. Konečným produktom anaeróbnej digescie je bioplyn, ktorý je v podstate zložený z metánu (50% až 75%) a oxidu uhličitého. Vytvorené odpadové vody sa môžu použiť ako hnojivo.
Kvasenie
Je to biologický proces, ktorý sa uskutočňuje pôsobením mikroorganizmov (zvyčajne kvasiniek), ktoré premieňajú cukry prítomné v zdrojoch biomasy, ako je cukrová trstina, kukurica, červená repa a iné druhy zeleniny, na alkohol. Konečným výsledkom fermentácie biomasy je výroba etanolu a metanolu.
Uplatniteľnosť biomasy
Biomasa sa považuje za obnoviteľný zdroj energie a používa sa na nahradenie fosílnych palív, ako je ropa a uhlie, na výrobu elektriny v termoelektrických zariadeniach a na emitovanie nižšieho množstva znečisťujúcich plynov v porovnaní s neobnoviteľnými. Napriek tomu, že nejde o fosílne palivo, podľa štúdie je spaľovanie biomasy jedným z najväčších zdrojov toxických plynov, pevných častíc a skleníkových plynov na svete.
V prípade vypaľovania veľkých plôch, či už lesov, saván alebo iných druhov vegetácie, vedie emisia síry k zmenám pH dažďovej vody, čo prispieva k výskytu kyslých dažďov. Emisie metánu a oxidu uhličitého prispievajú k zosilneniu skleníkového efektu a emisie ortuti vedú ku kontaminácii vodných útvarov a umožňujú tvorbu metylortuti, látky škodlivej pre ľudské zdravie.
Opakované a dlhodobé vystavenie látkam generovaným spaľovaním biomasy v interiéroch (kachle na drevo, krby atď.) Bolo spojené so zvýšením akútnych respiračných infekcií u detí, čo sa považuje za hlavnú príčinu úmrtnosti v rozvojových krajinách. Okrem toho je to spojené aj s nárastom chronických obštrukčných pľúcnych chorôb, pneumokoniózy (choroba spôsobená vdychovaním prachu), pľúcnej tuberkulózy, sivého zákalu a slepoty. V prípade spaľovania trstinovej slamy je obyvateľstvo žijúce v okolí plodiny cukrovej trstiny vystavené prachu zo spálenej biomasy po dobu približne šiestich mesiacov počas celého roka.
Z tohto dôvodu ustanovuje Národná rada pre životné prostredie (Conama) emisné limity pre látky znečisťujúce ovzdušie z procesov výroby tepla z externého spaľovania biomasy z cukrovej trstiny, čo umožňuje reguláciu emisií a zmierniť sociálno-environmentálne vplyvy spojené so spaľovaním biomasy.
Biomasa tiež ponúka možnosť výroby z najrôznejších materiálov, ktoré poskytujú trhu pružnosť a bezpečnosť, na rozdiel od fosílnych palív samotných, najmä ropy. Ďalším bodom je, že keď používajú na výrobu elektriny organický poľnohospodársky, priemyselný a mestský odpad, dostávajú „udržateľnejší“ cieľ ako jednoduché zneškodnenie. Podľa štúdie je väčšinou poľnohospodárskych zvyškov v Brazílii kukurica, sója, ryža a pšenica, pričom prvé dve sú suroviny často používané na výrobu bionafty.
Brazília má priaznivé podmienky na výrobu energie z biomasy, napríklad existenciu veľkých poľnohospodárskych plôch, ktoré sa dajú využiť na výrobu biomasy, a prijíma po celý rok intenzívne slnečné žiarenie. Existujú však obavy týkajúce sa výroby biopalív prvej generácie, ktoré priamo využívajú rastlinnú surovinu. V takom prípade by biopalivá mohli bojovať proti situáciám konkurencie ornej pôdy v poľnohospodárskom sektore, čo by ohrozilo potravinovú bezpečnosť obyvateľstva. Ďalším problémom súvisiacim s rozsiahlymi pozemkami je otázka ochrany životného prostredia. Okrem hospodárskej súťaže s poľnohospodárstvom by biopalivá mohli nakoniec vyvinúť tlak na oblasti určené na ochranu životného prostredia.
