Энергия алу үшін биомассаны пайдалану биоэнергетика

Энергия алу үшін биомассаны пайдалану биоэнергетика адамзат оны ГЭС, АЭС немесе ЖЭС-да өндірмей, көмірмен, мұнаймен, табиғи газбен және жанғыш тақтатастармен жұмыс істейтін электр энергиясының жеткілікті мөлшерін ала алады. Қажетті энергияны баламалы энергия көздерін, мысалы, жел, құйма, геотермальды, күн және толқындық электр станциялары немесе биомассада жұмыс істейтін ЖЭС пайдалана отырып алуға болады. Баламалы энергия деп биогаз, биодизель және биомассаны қайта өңдеу нәтижесінде алынған басқа да көмірсутектер түсініледі. Бұл көздердің ресурстары зор, бірақ шектеулі. Баламалы энергетика адамзаттың қажеттілігін тек энергияны үнемдеу кезінде ғана қанағаттандыра алады. Мысалы, Үндістанда үкімет федералды және аймақтық деңгейлерде жетілдірілген пештерді орнату жөніндегі бағдарламаларды жүзеге асыру үшін айтарлықтай субсидиялар бөледі. 2000 жылдың соңына қарай елде осындай 32,6 миллион пеш жұмыс істеді. Жақсартылған пештерді пайдалану жылына 13 миллион тоннадан астам сүректі жойудан сақталды. Ал егер бүкіл әлем бойынша пешті жетілдірсе? Биомассаны энергетикалық мақсатта пайдалану үлкен перспективалар береді: ауыл шаруашылығының қалдықтарын (мал шаруашылығында биогаз алу, ЖЭС-да өсімдік шаруашылығының қалдықтарын пайдалану) пайдалануға, сондай-ақ отын алуға (энергетикалық ормандарды өсіру) болады. Биомассадан не істеуге болады? Биогаз. Қазіргі уақытта әлемде биогаз алу технологияларының шамамен алпыс түрі қолданылады немесе әзірленуде. Ең көп таралған әдіс - метатанкаларда немесе анаэробты бағаналарда анаэробты ашыту. Биомасса (ауыл шаруашылығы жануарларының экскременттері; өсімдік шаруашылығының басқа да қалдықтары) метанобактериялардың тіршілік әрекеті нәтижесінде жиналады,соның нәтижесінде биогаз және жанама өнімдер (В витамині, тыңайтқыш) пайда болады. Әлеует: Ресей жыл сайын органикалық қалдықтардың құрғақ баламасында 300 миллион тоннаға дейін жинайды.Ауыл шаруашылығы өндірісінде 250 млн. т. және тұрмыстық қоқыс түрінде 50 млн. т. Бұл қалдықтар биогаз өндірісі үшін шикізат болып табылады. Жыл сайын алынатын биогаздың әлеуетті көлемі 90 млрд.м3 құрауы мүмкін. Биодизельді отын Биодизель-бұл дизель отынына қосымша немесе оны толығымен ауыстыра алатын өсімдік майын немесе жануарлар майын химиялық өңдеу жолымен алынатын дизельді қозғалтқыштар үшін экологиялық таза отын. Тәжірибе көрсеткендей, биодизель суға түскен кезде өсімдіктер мен жануарларға зиян келтірмейді. Бұдан басқа, ол іс жүзінде толық биологиялық ыдырауға ұшырайды: топырақта немесе суда микроорганизмдер 28 күн ішінде биодизельдің 99 пайызын өңдейді, бұл өзендер мен көлдердің ластануын азайту туралы айтуға мүмкіндік береді. Биодизель өндірісі пайдаланылмайтын ауыл шаруашылығы жерлерін айналымға енгізуге, ауыл шаруашылығында, машина жасауда, құрылыста және т.б. жаңа жұмыс орындарын құруға мүмкіндік береді. Қалыпты климаттық аймақта энергетикалық ормандардың плантацияларын жасау үшін отын синтезіне арналған биомассаны өсіру теректің (түкті - жемісті және канадалық) және талдың (Кәрзеңке және ешкі) тез өсетін сорттарының, ал елдің оңтүстік бөлігінде акация және эвкалипт түрлерінің неғұрлым перспективалы. Энергетикалық плантацияларды отырғызу кеспешелермен немесе көшеттермен квадраттық тәсілмен немесе қатараралық ені әртүрлі (0,8-ден 2 метрге дейін) шахматтық тәртіппен жүргізіледі. Терек үшін отырғызу тығыздығы әдетте 1 гектарға 3 5 мың дананы құрайды, алайда жалпы ұсыныстар әзірше әзірленбеген. Ротация кезеңі 6 7 жылды құрайды. Плантацияға күтім жасау қатар аралықтарын тырмалау, тыңайтқыш енгізу және құрғақшылық кезеңдерде суландыру болып табылады. Плантациялар монмәдени және аралас болуы мүмкін. Соңғылары ерекше назар аударуға тұрарлық, өйткені әр түрлі дақылдардың егістері мен отырғызуларын әртараптандыруға ықпал етеді, бұл аурулар мен зиянкестерге төзімділікті арттырып, сол арқылы улы химикаттарға қажеттілікті төмендетуі тиіс. Сонымен қатар, мұндай плантациялар биомассаны қалыптастыру үшін түсетін күн энергиясын ұтымды пайдаланады. Бір учаскеде әр түрлі дақылдардың аралас егісі мен отырғызылуы принципі соқпақтарда жақсы белгілі, онда "бақшалар" деп аталатындар тыңайтқыштар мен улы химикаттарды қолданбай бірнеше жыл қатарынан әр түрлі дақылдардың өнімін береді. Әртүрлі дақылдардың аралас егістері мен отырғызуларының түрлі нұсқалары, соның ішінде энергетикалық, Ұлыбритания графстваларының бірінде сыналды. Отырғызуларда қатарлар аралықтарында терек пен арпа, немесе қатарлар аралықтарында күнбағыс және Люпин бар терек, шаған, қандыағаштар, арпа, Клевер, жасыл дақылдар және т.б. бар терек пен арпа пайдаланылады. Қыста бұтақтардың жылдық өсімі кесіледі және биомассаны қолданады. Электр энергиясының 80 пайызына дейін ЖЭО-да өндірілетін Ресейдің еуропалық аумағында, олардың көпшілігі орман аудандарында орналасқан, әрине, энергетикалық ормандардың плантацияларын құру немесе жергілікті орман ресурстарын ішінара пайдалану үшін мүмкіндіктер бар (ағаш дайындау және өңдеу қалдықтары). Жылына гектарынан 15 тонна құрғақ биомассаның шығымдылығы кезінде энергетикалық плантациядан алуға болатын энергия мөлшері (жылу шығару қабілеті 15 МДж/кг) 225 ГДж/га құрайды. Газ турбиналы электр станциясының ПӘК-і 40 пайыз болғанда, энергетикалық плантацияның бір гектары жылына 252 МВт-сағ электр энергиясын өндіруді экологиялық таза отынмен қамтамасыз ете алады. Қазіргі уақытта ауыспалы қысқа ауыспалы энергетикалық ормандарды пайдаланудың әртүрлі схемалары қарастырылуда (әдетте алты жылдық циклмен ауыспалы егіс ұсынылады). Бұл ретте осындай энергетикалық плантациялардың энергия беруі (жүйеден алынатын энергия мөлшерінің оны құруға және пайдалануға арналған энергетикалық шығындарға, барлық жанама шығыстарды қоса алғанда) үш және төрт энергия плантацияларының арасында ауытқиды, бұл, егер көмірмен жұмыс істейтін жылу станциялары үшін энергия беру төрт-бес бірлікті құрайтынын ескерсе, әбден қолайлы шамада көрсетіледі. Өсімдік майы үлкен жылу шығару қабілеті бар (38 МДж). Сонымен қатар, өсімдік майын биодизельге өңдеуге болады. Ал майлы дақылдар егілген гектардан қанша май алуға болады? Әрине, тамақ өнімдерін пайдалану (бұл жағдайда өсімдік майы) энергетикалық проблемадан шығу болып табылмайды. Бірақ бұл ресурсты қарастыру өте орынды. Биомассаны отынға тікелей конверсиялау әдісі жақында Джоржем Хубермен және Массачусетс штаты университетінің екі студенттерімен биомассаны отынға тікелей конверсиялау әдісі әзірленді. Олар ChemSusChem журналында нәтижесі хош иісті қосылыстардың (нафталин, толуол, этилбензол және т.б.) түзілуі болып табылатын целлюлозаның селективті каталитикалық пиролиз әдісін сипаттай отырып мақаланы жариялады, жанама өнімдер арасында - қатты көміртекті материал, СО, СО2 және су. Реакция ZSM5 цеолит катализаторында 600 C кезінде жүргізілді. Процесс екі минут ішінде аяқталды. Бастапқы реагент тазартылған целлюлоза ұнтағы болды. Процесс механизмі туралы түсінік бірнеше қарапайым реакцияларды қамтиды - құрамында оттегі бар органикалық қосылыстардың түзілуімен целлюлозаның ыдырауы, содан кейін дегидрирлеу, декарбонилдеу, олигомеризация және басқа да химиялық түрленулер орын алатын катализатор пораларының ішіндегі осы қосылыстардың реакциялары. Сарапшылар жаңа жұмысты жоғары бағалады, дегенмен авторлар биомассаны мотор отынына тиімді түрлендірудің алғашқы қадамы екенін мойындайды. Бірінші кезекте целлюлоза ұнтағын емес, шикі биомассаны пайдалану мүмкіндігін зерттеу керек. Бұдан әрі пиролиздің негізгі өнімдері хош иісті қосылыстар болып табылады, ал олардың АҚШ үкіметтік Ұйымының - Қоршаған ортаны қорғау жөніндегі агенттіктің талаптарына сәйкес бензиннің жалпы массасында 25% - дан аспауы тиіс. Демек, алкандарға алынған хош иісті қосу немесе қосымша гидрирлеу реакциясын жүргізу керек. Дегенмен, осы шектеулердің барлығына қарамастан, д-ра Хубер процесі әріптестеріне үлкен көңіл бөледі және атмосферадағы көмірқышқыл газының өсуіне алып келмейтін экологиялық таза энергетика саласындағы әрі қарай зерттеулерге түрткі болады. Балдырларды өсіру және қайта өңдеу биомассаны микроскопиялық балдырлар түрінде арнайы өсіру, кейіннен оны спиртке немесе метанға еліктей отырып органикалық отындардың пайда болу процесінің жылдамдығы бойынша табиғи процестерден миллион есе асып түсетін жасанды аналогын жасауға мүмкіндік береді. Бастапқы биологиялық өнім мен теңіз шөгінділері сақталған заттардың арасындағы арақатынас 1000:1 құрайды. Арнайы жағдайлар жасау отынның түзілуін бірнеше рет тездетуі мүмкін. Фотосинтездің пәк биогенді элементтермен қоректендіруді оңтайландыру, температура және араластыру арқасында 1,1-ден 10 пайызға дейін артуы мүмкін. Биомассаны газға және мұнайға қайта өңдеу процесіне табиғатта болатын, оның 0,001 бөлігі емес, барлық зат қосылуы мүмкін, яғни көмірсутектер түзілуінің табиғи процесі айтарлықтай қарқын алуы мүмкін. Осы тұрғыдан алғанда, ботриококкус бір жасушалы балдыры үлкен қызығушылық тудырады, ондағы көмірсутектердің құрамы құрғақ салмақтың 80 пайызына жетеді. Көмірсутектер негізінен клеткалардың сыртқы бетінде оқшауланады, демек, оларды қарапайым механикалық тәсілмен немесе, мысалы, центрифугаларды қолдана отырып, жоюға болады, бұл ретте клеткалар бұзылмайды және оларды қайтадан культиваторға қайтаруға болады. Ботриококкуспен өндірілетін көмірсутектердің құрамы оларды энергия көзі ретінде немесе мұнай-химия өнеркәсібіндегі шикізат ретінде (тікелей немесе толық емес крекингтен кейін) пайдалануға мүмкіндік береді. Гидрокрекингтен кейін шығуда 65 пайыз газолин, 15 пайыз авиациялық отын, 3 пайыз қалдық майлар алынады. Цианобактериялар мен биоотын Остиндегі Техас университетінің ғалымдары бактерияларды отын үшін материалды жасауға үйретті. Олар цианобактерияның генімен өзгертті, соның арқасында соңғысы биоотын алу үшін пайдаланылатын целлюлозаның көп мөлшерін жасауды үйренді. Ғалымдар Цианобактерий генін өзгертті, онда acetobacter xylinume сірке бактерияларынан алынған целлюлоза өнімдеріне жауап беретін гендерді қосады. Нәтижесінде модификацияланған бактериялар целлюлоза түрінде целлюлоза шығара бастады, бұл өте ыңғайлы, өйткені оны глюкоза мен сахарозаға ажырату оңай - этанол алудың негізгі көзі болып табылатын қарапайым қант. Мамандар модификацияланған бактериялардың көмегімен жүгеріден,қызылшадан немесе қант қамыстарынан этанолды алу әлдеқайда оңай деген болжам айтты. Өйткені осы өсімдіктерден алынған целлюлоза кристалды түрде.  Сонымен қатар, ғалымдардың пікірінше, цианобактерияларды жыртылмаған жерлерде өсіруге және суару үшін тұзды суды пайдалануға болады. Зертханадағы цианобактериялардың өнімділігіне қарай мамандар өндірілетін этанолдың бірдей саны кезінде цианобактериялары бар алқаптардың ауданы целлюлоза көзі ретінде пайдаланылатын өсімдіктермен егілген алқаптан екі есе аз болады деп есептейді.