Biomasa jako źródło energii

Poprzez fotosyntezę energia słoneczna jest akumulowana w biomasie, początkowo organizmów roślinnych, później w łańcuchu pokarmowym także zwierzęcych. Energię zawartą w biomasie można wykorzystać dla celów człowieka. Podlega ona przetwarzaniu na inne formy energii poprzez spalanie biomasy lub spalanie produktów jej rozkładu. W wyniku spalania uzyskuje się ciepło, która może być przetworzona na inne rodzaje energii np. energię elektryczną.

Do celów energetycznych wykorzystuje się najczęściej:

• drewno o niskiej jakości technologicznej oraz odpadowe

• odchody zwierząt

• osady ściekowe

• słomę, makuchy i inne odpady produkcji rolniczej

• wodorosty uprawiane specjalnie w celach energetycznych

• odpady organiczne np. wysłodki buraczane, łodygi kukurydzy, trawy, lucerny

• oleje roślinne i tłuszcze zwierzęce.

W Polsce na potrzeby produkcji biomasy można uprawiać rośliny szybko rosnące:

• wierzba wiciowa (Salix viminalis)

• ślazowiec pensylwański lub inaczej malwa pensylwańska (Sida hermaphrodita)

• topinambur czyli słonecznik bulwiasty (Helianthus tuberosus)

• róża wielokwiatowa znana też jako róża bezkolcowa (Rosa multiflora)

• rdest sachaliński (Polygonum sachalinense)

• trawy wieloletnie, jak np.:

• miskant:

• miskant olbrzymi czyli trawa słoniowa (Miscanthus sinensis gigantea)

• miskant cukrowy (Miscanthus sacchariflorus)

• spartina preriowa (Spartina pectinata)

• palczatka Gerarda (Andropogon gerardi)

• proso rózgowe (Panicum virgatum).

Spalanie biomasy jest uważane za korzystniejsze dla środowiska niż spalanie paliw kopalnych, gdyż zawartość szkodliwych pierwiastków (przede wszystkim siarki) w biomasie jest niższa, a powstający się w procesie spalania dwutlenek węgla wytworzony został w nieodległej przeszłości z dwutlenku węgla zawartego w biosferze. Natomiast dwutlenek wprowadzony do środowiska przy spalaniu paliw kopalnych jest dodatkowym dwutlenkiem węgla wnoszonym do atmosfery, zwiększającym globalne ocieplenie. Wadą biomasy stosowanej do spalania jest wydzielanie się szkodliwych substancji podczas spalania białek i tłuszczy.

Oprócz bezpośredniego spalania wysuszonej biomasy, energię pochodzącą z biomasy uzyskuje się również poprzez:

• zgazowanie - gaz generatorowy (głównie wodór i tlenek węgla) powstały ze zgazowania biomasy w zamkniętych reaktorach (tzw. gazogeneratorach) - jest on spalany w kotle lub bezpośrednio napędza turbinę gazową bądź silnik spalinowy, może być też surowcem do syntezy Fischera-Tropscha.

• fermentację tlenową biomasy, w wyniku której otrzymuje się metanol, etanol i inne, które to związki mogą być następnie przetworzone na inne formy energii bądź służyć jako paliwo.

• fermentację beztlenową - jej wynikiem jest otrzymanie biogazu.

• estryfikację - biodiesel.

Fotosynteza to proces anaboliczny (Anabolizm - grupa reakcji chemicznych, w wyniku których z prostych substratów powstają związki złożone, gromadzące energię), w trakcie którego z prostych substancji nieorganicznych z udziałem energii świetlnej powstają związki organiczne. Wydajność energetyczna tego procesu wynosi 19-34%.

W formie sumarycznej przebieg fotosyntezy można zapisać jako:

6H₂O + 6CO₂ + energia świetlna + chlorofil -> C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Organizmy produkujące związki organiczne na drodze fotosyntezy to:

• wszystkie rośliny (nieliczne wyjątki to rośliny cudzożywne, saprofityczne i pasożytnicze),

• niektóre protisty,

• część bakterii (tzw. bakterie purpurowe oraz sinice).

Wszystkie pozostałe źródła energii (poza energią geotermalną i pływów) są pośrednio efektem działania promieniowania słonecznego.

Energia - skalarna wielkość fizyczna opisująca zdolność materii do wykonania pracy lub spowodowania przepływu ciepła. Jest wielkością addytywną i zachowawczą.

pellety

brykiety ze słomy

brykiety z drewna

Słoma - łodygi i liście dojrzałych roślin uprawnych po omłocie (np. zbóż, rzepaku, lnu, bobiku, maku). Po przyoraniu jest wykorzystywana jako nawóz organiczny. Ze słomy można produkować sztuczny obornik, który powstaje przez jej kompostowanie z organicznymi dodatkami zwilżanymi gnojowicą lub gnojówką.

Inne wykorzystanie słomy:

• pasza dla zwierząt (słoma owsiana, jęczmienna),

• strzecha (słoma żytnia),

• ściółka w budynkach inwentarskich,

• biopaliwo,

• materiał do ocieplania ścian budynków

• podłoże do uprawy grzybów

• artykuły dekoracyjne.

Słoma może być przechowywana w formie stogu.

słoma

miskant


wierzba

Synteza Fischera-Tropscha (w skrócie synteza/reakcja F-T lub FTS) to katalityczna (tlenki kobaltu lub żelaza) reakcja chemiczna tworzenia węglowodorów z mieszaniny tlenku węgla i wodoru, czyli tak zwanego gazu syntezowego. Celem syntezy F-T jest produkcja paliw płynnych. Jedną z zalet syntezy F-T jest możliwość wytwarzania paliwa wolnego od związków siarki i azotu a przez to czystszego dla środowiska naturalnego.

Procesem Fischera-Tropscha zwyczajowo nazywa się proces chemicznego wytwarzania paliw przy wykorzystaniu syntezy F-T, który składa się z trzech etapów:

1. Wytwarzania i przygotowania gazu syntezowego. Może on być otrzymywany m.in. z węgla - poprzez jego zgazowanie, gazu ziemnego - poprzez jego reforming jak i również z biomasy - np. w wyniku jej pirolizy. Ostatnia możliwość, choć dotychczas nieekonomiczna, może stanowić przyszłość dla tej technologii. W skład gazu syntezowego może również wchodzić dwutlenek węgla, który jest zdolny do współtworzenia łańcucha węglowodorowego. Wytwarzanie gazu syntezowego to w obecnym czasie najdroższy etap procesu pozyskiwania paliw. Obecnie najpowszechniejsze jest pozyskiwanie tego gazu w wyniku reformingu metanu (gazu ziemnego), proces taki nazywany jest procesem Fischera-Tropscha konwersji gazu do cieczy (z ang. a Fischer-Tropsch gas to liquid process, F-T GTL).

2. Konwersji gazu syntezowego, głównie do węglowodorów alifatycznych (głównego składnika benzyny) oraz wody.

3. Przygotowania i obróbki (głównie hydrokrakingu) do pożądanych produktów.

Synteza F-T to dość skomplikowany proces, podczas którego zachodzi wiele reakcji chemicznych.

Podczas jej trwania powstają głównie proste węglowodory alifatyczne: alkany oraz alk-1-eny jak również alk-2-eny. W mniejszych ilościach powstają inne izomery węglowodorów jak i związki tlenowe: głównie alkohole, ale również aldehydy, ketony, estry i kwasy organiczne. Podstawowym produktem ubocznym syntezy jest woda.

Ogólny zapis reakcji tworzenia węglowodorów może wyglądać następująco:

gdzie n określa liczbę atomów węgla, a m atomów wodoru w cząsteczce produktu.

Fermentacja jest to beztlenowy (zazwyczaj) proces biochemiczny, polegający na enzymatycznym rozpadzie cukrów, który jest jednym z elementów fizjologii drobnoustrojów. Do przebiegu fermentacji konieczne są drobnoustroje lub wytworzone przez nie enzymy.

C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂ - f. alkoholowa.

Alkohol metylowy lub metanol, znany także pod nazwami zwyczajowymi spirytus drzewny i karbinol to najprostszy, trujący dla człowieka, związek organiczny z grupy alkoholi o wzorze CH₃OH. Został odkryty w 1661 przez Roberta Boyle'a.

Do 1923 otrzymywany wyłącznie przez destylację rozkładową drewna, obecnie otrzymuje się go syntetycznie, głównie z gazu syntezowego. Z gazu syntezowego metanol otrzymuje się dwiema metodami

• metoda ICI

• metoda Lurgi

Główną reakcję tych procesów przedstawia równanie:

CO + 2H₂ → CH₃OH

Reakcja ta prowadzona jest w obecności katalizatora miedziowego (Cu-Zn-Al₂O₃) w temperaturze 250°C, przy ciśnieniu 4-10 MPa (Wcześniej stosowane katalizatory chromowo-cynkowe wymagały temperatury 340-400°C i ciśnienia 30-32MPa!). W trakcie procesu przebiega równocześnie reakcja wodoru z dwutlenkiem węgla (potrzebnym m.in. do utrzymania aktywności katalizatora).

CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂O

Reakcja spalnia metanolu : 2 CH3OH + 3 O2 → 2 CO2 + 4 H2O

Alkohol etylowy lub etanol - związek organiczny z grupy alkoholi o wzorze C₂H₅OH.

Etanol jest związkiem łatwopalnym, spala się słabo widocznym niebieskawym stożkowym płomieniem, spalanie alkoholu etylowego przedstawia reakcja: C₂H₅OH + 3O₂ → 3H₂O + 2CO₂↑

Fermentacja anaerobowa (beztlenowa), fermentacja metanowa to proces biologiczny rozkładu substancji organicznych przeprowadzany przez drobnoustroje w warunkach beztlenowych przez bakterie anaerobowe (beztlenowe) z wydzieleniem metanu. Nazwa "Fermentacja metanowa" została nadana przed poznaniem istoty tego procesu i może być myląca. W rzeczywistości jest to zespół przemian biochemicznych które łączy brak tlenu.

Typy fermentacji metanowej:

• Psychrofilna - zachodzi w temperaturze otoczenia, trwa powyżej trzech miesięcy, zwykle zachodzi w szambie, osadniku Imhoffa oraz w otwartych basenach fermentacyjnych; powstający biogaz nie jest ujmowany i stanowi zanieczyszczenie atmosfery

• Mezofilna - przeprowadzana w temperaturze 30 - 37 stopni, trwa około 20 dni, w zamkniętych komorach fermentacyjnych z których ujmowany jest biogaz. Mimo konieczności podgrzewania komory fermentacyjnej, fermentacja mezofilna posiada dodatni bilans energii.

• Termofilna - trwa 12 do 14 dni, zachodzi w 50 stopniach w zamkniętych komorach, przy ujemnym bilansie energetycznym

W wyniku procesu fermentacji powstaje biogaz otrzymywany z odpadów organicznych, takich jak ścieki, stałe odpady komunalne, osady ściekowe. Oprócz biogazu po fermentacji pozostaje również przefermentowany osad. Jest on nieczynny biologicznie, zawiera 30 - 40% związków humusowych. Jest on zwykle niebezpieczny pod względem sanitarno-epidemiologicznym. Po przeprowadzeniu wapnowania może byc stosowany jako nawóz.

Biogaz, gaz wysypiskowy - gaz palny, produkt fermentacji anaerobowej związków pochodzenia organicznego (np. ścieki, m.in. ścieki cukrownicze, odpady komunalne, odchody zwierzęce, gnojowica, odpady przemysłu rolno-spożywczego, biomasa) a częściowo także ich gnicia powstający w biogazowni. W wyniku spalania biogazu powstaje mniej szkodliwych tlenków azotu niż w przypadku spalania paliw kopalnych.

Gnicie - zachodzący w warunkach beztlenowych proces rozkładu związków białkowych odbywający się pod wpływem enzymów wydzielanych przez bakterie gnilne.

Skład biogazu [edytuj]

Nieoczyszczony biogaz składa się w ok. 65% (w granicach 50-75%) z metanu i w 35% z dwutlenku węgla oraz domieszki innych gazów (np. siarkowodoru, tlenku węgla), jego wartość opałowa waha się w granicach 17-27 MJ/m³ (Megadżuli na metr sześcienny biogazu, w warunkach normalnych, czyli 0°C i 10⁵ Pa) i zależy głównie od zawartości metanu.

Skład biogazu
Składnik	%
metan, CH4	55-75
dwutlenek węgla, CO2	25-45
azot, N2	0-0,3
wodór, H2	1-5
siarkowodór, H2S	0-3
tlen, O2	0,1-0,5

Wytwarzanie biogazu [edytuj]

Na składowiskach odpadów biogaz wytwarza się samoczynnie, stąd nazwa gaz wysypiskowy. Obecnie na wysypiskach instaluje się systemy odgazowujące. Nowoczesne składowiska posiadają specjalne komory fermentacyjne lub bioreaktory, w których fermentacja metanowa odpadów odbywa się w stałych temperaturach 33-37°C dla bakterii metanogennych mezofilnych, rzadziej 50-70°C dla bakterii termofilnych oraz przy pH 6,5-8,5 i odpowiedniej wilgotności. Ze składowiska o powierzchni około 15 ha można uzyskać 20 do 60 GWh energii w ciągu roku, jeżeli roczna masa składowanych odpadów to około 180 tys. ton.

Biogaz powstaje również w sposób naturalny np. na torfowiskach (głównie z celulozy), nazywamy go wtedy gazem błotnym lub gazem gnilnym.

Czasami biogaz określa się jako agrogaz, zwłaszcza jeżeli uzyskujemy go z gnojowicy lub obornika. Z 1m³ gnojowicy można uzyskać w przybliżeniu 20m³ biogazu, natomiast z 1m³ obornika nawet 30m³. Pozostałość po fermentacji stanowi cenny nawóz.

Zastosowanie biogazu [edytuj]

Biogaz ma szerokie zastosowanie: wykorzystuje się go głównie w Indiach, Chinach, Szwajcarii, Francji, Niemczech i USA jako paliwo dla generatorów prądu elektrycznego (ze 100m³ biogazu można wyprodukować około 540-600 kWh energii elektrycznej), jako źródło energii do ogrzewania wody a po oczyszczeniu i sprężeniu jako paliwo do napędu silników (instalacje CNG).

Źródło: "http://pl.wikipedia.org/wiki/Biogaz"

BIOMASA
Biomasa to materia organiczna, którą można spalić i otrzymać energię cieplną do bezpośredniego wykorzystania lub produkcji prądu elektrycznego, przerobić na gaz, wytworzyć z niej olej, alkohol etylowy do silników spalinowych. Wartości opałowe biomasy wynoszą:

• słoma żółta - 14,3 MJ/kg

• słoma szara - 15,2 MJ/kg

• drewno odpadowe - 13 MJ/kg

• etanol - 25 MJ/kg

• węgiel kamienny średnio ok. - 25 MJ/kg

• gaz ziemny - 48 MJ/kg.

W  Polsce najpoważniejszymi źródłami biomasy jako źródła energii odnawialnej są słoma i odpady drzewne. W  Gołotczyźnie pod Ciechanowem austriacka firma Systrat Eco Doradztwo i Inwestycje planuje wybudować zakład, który będzie produkował energię ze spalania biomasy, np. kukurydzy czy liści buraków cukrowych a także z przeterminowanych artykułów spożywczych, czyli np. serów i masła. Zakład w Gołotczyźnie ma produkować prąd i biogaz. Ten ostatni ma być używany do ogrzewania mieszkań

Pelety produkowane przez nas mają następujące parametry:

• średnica: 6 i 8 mm

• długość: 2-3 cm

• gęstość: 1,2 Mg/m3

• wartość kaloryczna: 19 MJ/kg

• niska zawartość popiołu (<1%)

• brak substancji wiążących

• wysoka jednorodność paliwa

---