Pochopte, jak je možné přeměnit organický odpad na elektrickou energii, takzvanou biomasu
Biomasa je veškerá organická hmota rostlinného nebo živočišného původu používaná za účelem výroby energie, například dřevěné uhlí, palivové dříví, bagasa z cukrové třtiny. Jelikož se jedná o rozptýlený a málo účinný zdroj energie, který se tradičně používá v méně rozvinutých zemích, existuje určitý nedostatek údajů o reprezentativnosti tohoto zdroje energie pro světovou energetickou matici. Podle zprávy ANEEL však přibližně 14% energie spotřebované na světě pochází z tohoto zdroje a podle jiné studie Jornal Brasileiro de Pneumologia 90% domácností ve venkovských oblastech v chudých zemích využívá energii spalování biomasy ( dřevo, dřevěné uhlí, živočišný hnůj nebo zemědělský odpad), zejména v subsaharské Africe a Asii.
Využívání biomasy v termoelektrických zařízeních je stále běžnější a používá se k dosažení oblastí, které nejsou pokryty elektrickou sítí, jako jsou izolované venkovské komunity. Stále častější je také používání kogeneračních systémů, které usnadňují výrobu elektrické energie prostřednictvím biomasy a výrobu tepla a zvyšují energetickou účinnost výrobních systémů.
Co je to kogenerace?
Biomasa, jako je uhlí nebo palivové dříví, pohání velkou část termoelektrických generátorů. Bez ohledu na typ paliva a motor ztrácejí tyto generátory většinu energie obsažené v palivu ve formě tepla. Energie biomasy ztracená do životního prostředí ve formě tepla představuje v průměru 60% až 70% celkové energie z paliva. Účinnost generátoru je tedy kolem 30% až 40%.
Protože mnoho budov a průmyslových odvětví vyžaduje vytápění (pro vnitřní prostředí nebo pro ohřev vody), byl vyvinut kogenerační systém, pomocí kterého je teplo vyrobené při výrobě elektřiny začleněno do výrobního procesu ve formě páry. Hlavní výhodou tohoto systému je úspora paliva pro proces ohřevu. Energetická účinnost systému se tak zvyšuje a dosahuje až 85% energie z biomasy paliva.
Biomasa v Brazílii
V současné době je zdrojem s největším potenciálem pro využití jako biomasa k výrobě elektřiny v zemi bagasa z cukrové třtiny. Odvětví cukru a alkoholu produkuje velké množství odpadu, který lze využít jako biomasu, zejména v kogeneračních systémech. Dalšími odrůdami zeleniny s velkým potenciálem pro výrobu elektřiny jsou palmový olej, který má průměrnou roční produktivitu na hektar čtyřikrát vyšší než u cukrové třtiny, buriti, babassu a andiroba. Objevují se jako alternativy pro dodávku elektřiny v izolovaných komunitách, zejména v amazonské oblasti.
Když se z cukrové třtiny vyrábí ethanol, asi 28% cukrové třtiny se přemění na bagasu. Tato bagasa je biomasa běžně používaná v zařízeních na výrobu nízkotlaké páry, která se používá v protitlakových turbínách v extrakčních zařízeních (63%) a při výrobě elektřiny (37%). Většina nízkotlaké páry, která opouští rostliny, se používá pro proces a ohřev šťávy (24%) a v destilačním zařízení. V průměru každé zařízení vyžaduje přibližně 12 kWh elektřiny, což je hodnota, kterou mohou dodávat samotné zbytky biomasy. Dalšími zemědělskými zbytky s vysokým potenciálem pro použití jako biomasa při výrobě elektřiny jsou rýžová slupka, skořápka kešu ořechů a kokosová skořápka.
Trasy přeměny biomasy
Zdroje biomasy lze klasifikovat jako: dřevinu (dřevo), nedřevnatou zeleninu (sacharidy, celulózu, škrob a vodu), organické zbytky (zemědělské, průmyslové, městské) a biofluidy (rostlinné oleje). Trasy přeměny biomasy jsou rozmanité a právě díky těmto technologiím přeměny je možné získat několik druhů biopaliv, jako je ethanol, methanol, bionafta a bioplyn. Hlavní procesy přeměny biomasy jsou:
Přímé spalování
Materiály, jako je dřevo a všechny druhy organického odpadu (zemědělské, průmyslové a městské), mohou být za účelem výroby energie podrobeny spalování. Proces spalování spočívá v přeměně chemické energie v těchto zdrojích biomasy na teplo. Pro energetické účely se přímé spalování biomasy provádí v pecích a kamenech. Navzdory praktičnosti je proces přímého spalování spíše neefektivní. Kromě toho paliva, která lze v tomto procesu použít, mají obecně vysokou vlhkost vzduchu (20% nebo více v případě palivového dřeva) a nízkou hustotu energie, což ztěžuje skladování a přepravu.
Zplyňování
Jedná se o technologii aplikovanou na městský a průmyslový organický odpad a dřevo. Zplyňování spočívá v přeměně zdrojů pevné biomasy na plyny pomocí termochemických reakcí zahrnujících horkou páru a vzduch nebo kyslík v méně než minimálním množství pro spalování. Výsledné složení plynu je směsí oxidu uhelnatého, vodíku, metanu, oxidu uhličitého a dusíku, takže se tyto podíly mění podle podmínek procesu, zejména ve vztahu ke vzduchu nebo kyslíku použitému při oxidaci . Palivo generované spalováním této biomasy je univerzálnější (může být použito ve spalovacích motorech a také v plynové turbíně) a čisté (během procesu lze odstraňovat sloučeniny, jako je síra) než verze na tuhá paliva. Kromě toho,ze zplyňování je možné vyrábět syntetický plyn, který lze použít při syntéze jakéhokoli uhlovodíku.
Pyrolýza
Pyrolýza, známá také jako karbonizace, je nejstarší proces přeměny zdroje biomasy (obvykle dřeva) na jiné palivo (uhlí) s hustotou energie dvakrát vyšší než zdrojový materiál. Organické zbytky zemědělského původu jsou také často podrobeny pyrolýze - v tomto případě musí být zbytky předem zhutněny. Tato metoda spočívá v zahřívání materiálu v prostředí, ve kterém je „téměř nepřítomnost“ vzduchu. Pyrolýza také produkuje topný plyn, dehet a pyro-dřevo, materiály široce používané v průmyslovém sektoru. Výsledek procesu se velmi liší od stavu původního materiálu (množství a vlhkost). Na výrobu jedné tuny dřevěného uhlí budete možná potřebovat čtyři až deset tun palivového dřeva.
Transesterifikace
Jedná se o chemický proces, který přeměňuje biomasu rostlinných olejů na meziprodukt z reakce mezi dvěma alkoholy (methanol a ethanol) a zásadou (hydroxid sodný nebo draselný). Produkty pro transesterifikaci tohoto typu biomasy jsou glycerin a bionafta, palivo, které vykazuje podobné podmínky jako nafta a může být použito ve spalovacích motorech, pro automobilové nebo stacionární použití.
Anaerobní trávení
Stejně jako pyrolýza musí i anaerobní digesce probíhat v prostředí s „téměř nepřítomností“ kyslíku. Původní biomasa podléhá rozkladu působením bakterií, stejně jako se přirozeně vyskytuje téměř u všech organických sloučenin. Organický odpad, jako je zvířecí hnůj a průmyslový odpad, lze zpracovat pomocí anaerobního vyhnívání (biologického odpadu za nepřítomnosti kyslíku) v biologických digestorech. Působení bakterií způsobuje nezbytné zahřátí, aby došlo k rozkladu, avšak v oblastech nebo dobách chladu může být nutné použít další teplo. Konečným produktem anaerobní digesce je bioplyn, který je v zásadě složen z metanu (50% až 75%) a oxidu uhličitého. Vznikající odpadní voda může být použita jako hnojivo.
Kvašení
Jedná se o biologický proces prováděný působením mikroorganismů (obvykle kvasinek), které přeměňují cukry přítomné ve zdrojích biomasy, jako je cukrová třtina, kukuřice, řepa a jiné druhy rostlin, na alkohol. Konečným výsledkem fermentace biomasy je výroba ethanolu a methanolu.
Použitelnost biomasy
Biomasa je považována za obnovitelný zdroj energie a byla používána k nahrazení fosilních paliv, jako je ropa a uhlí, k výrobě elektřiny v termoelektrických zařízeních a k emitování nižšího množství znečišťujících plynů ve srovnání s neobnovitelnými. Přesto, že nejde o fosilní palivo, je podle studie spalování biomasy jedním z největších zdrojů toxických plynů, pevných částic a skleníkových plynů na světě.
V případě spalování velkých ploch, ať už lesů, savan nebo jiných druhů vegetace, vede emise síry ke změnám pH dešťové vody, což přispívá k výskytu kyselých dešťů. Emise metanu a oxidu uhličitého přispívají k zesílení skleníkového efektu a emise rtuti vedou ke kontaminaci vodních útvarů a umožňují tvorbu methylortuti, látky škodlivé pro lidské zdraví.
Opakované a dlouhodobé vystavení materiálu generovanému procesem spalování biomasy v interiéru (kamna na dřevo, krby atd.) Bylo spojeno se zvýšením akutních respiračních infekcí u dětí, což je považováno za hlavní příčinu úmrtnosti v rozvojových zemích. Kromě toho je také spojován se zvýšením chronických obstrukčních plicních onemocnění, pneumokoniózy (onemocnění způsobené vdechováním prachu), plicní tuberkulózy, katarakty a slepoty. V případě spalování třtinové slámy je populace žijící v oblasti kolem plodiny cukrové třtiny vystavena prachu ze spálené biomasy po dobu přibližně šesti měsíců po celý rok.
Z tohoto důvodu stanoví Národní rada pro životní prostředí (Conama) emisní limity pro látky znečišťující ovzduší z procesů výroby tepla z externího spalování biomasy z cukrové třtiny, což umožňuje regulaci emisí a zmírnit socio-environmentální dopady spojené se spalováním biomasy.
Biomasa také nabízí možnost výroby z široké škály materiálů, což poskytuje trhu flexibilitu a bezpečnost, na rozdíl od samotných fosilních paliv, zejména ropy. Dalším bodem je, že když využívají organický zemědělský, průmyslový a městský odpad k výrobě elektřiny, dostávají „udržitelnější“ cíl než jednoduchou likvidaci. Podle studie většina zemědělských zbytků v Brazílii je kukuřice, sójové boby, rýže a pšenice, přičemž prvními dvěma jsou suroviny často používané k výrobě bionafty.
Brazílie má příznivé podmínky pro výrobu energie z biomasy, například existenci velkých zemědělských ploch, které lze využít k výrobě biomasy, a po celý rok přijímá silné sluneční záření. Existují však obavy ohledně výroby biopaliv první generace, která přímo využívají rostlinnou surovinu. V takovém případě by biopaliva mohla bojovat proti konkurenci o ornou půdu v odvětví zemědělství, což by ohrozilo zajišťování potravin obyvatelstvem. Dalším problémem souvisejícím s velkými plochami půdy je otázka ochrany životního prostředí. Kromě konkurence v zemědělství by biopaliva mohla nakonec vyvinout tlak na oblasti určené k ochraně životního prostředí.
