Energija Biomase – Karakteristike energije biomase

Biljne i životinjske organizme čine organska i neorganska jedinjenja, pa te organizme možemo smatrati nosiocima velike količine energije. Izvor njihove obnovljivosti je Sunce, tako da energiju biomase možemo smatrati jednim oblikom energije Sunca.

Biomasa kao izvor energije

 

Zračenje Sunca putem fotosinteze proizvodi značajnu količinu biomase obnovljive prirode. Proizvodnja biomase veže se prvenstveno za održavanje života, ali određeni dijelovi mogu se iskoristiti kao izvor energije. Obnovljiva energija iz biomase, u konačnici je, dakle, energija Sunca.

 

Pojam biomase nije potpuno jednoznačan. Pod biomasom podrazumijevamo:

 

  • Primarna biomasa: prirodna vegetacija, biljke, šume, pašnjaci, vrtno i vodeno bilje…
  • Sekundarna biomasa: životinjski svijet, popratni proizvodi životinjskog uzgoja…
  • Tercijarna biomasa: proizvodi i popratni proizvodi industrije koja koristi sirovine biološkog porijekla, organski otpad ljudskih naselja…

 

Energija koja se može proizvesti iz biomase zavisi o zračenju sunca na površini zemlje, potencijalnoj količini biomase te o udijelu onoga što se može iskoristiti.

 

Zračenje sunca koje tokom godine dopire na površinu Zemlje iznosi 2,6 . 1024 J/god. Od te energije se oko 2 promila pomoću fotosinteze pretvori u biomasu energetske vrijednosti 5,7 . 1021 J/god. Ovu vrijednost možemo smatrati Zemljinim teoretskim energetskim zalihama, koje mogu nastati iz fotosinteze. Iz toga iskoristivu količinu najlakše možemo dobiti procjenom. Ako uzmemo da 3% biomase možemo iskoristiti za energetske ciljeve, dobijemo količinu energije od 170 . 1018 J/god. To je otprilike polovina svjetske potrošnje energije.

 

Biomasa, kao izvor energije, daje nebrojene mogućnosti za iskorištenje, od neposrednog sagorijevanja, do proizvodnje bioplina ili čak vodonika. Odabir odgovarajućeg rješenja zavisi samo o lokalnim potrebama i mogućnostima. Domaće mogućnosti su slijedeće:

 

Iskorištenje primarne biomase

 

  • energetsko bilje drvenastih ili mekih stabljika, energetske šume
  • nusproizvodi uzgoja biljaka, slama, stabljike
  • nusproizvodi šumarstva, grane, kora

 

Iskorištenje sekundarne biomase

 

Od primarne bio mase za uzgoj životinja se potroši oko 18*106 t/god, iz koje se dobije 7*106 t/god. sekundarne biomase. To su nusproizvodi, u prvom redu stajski gnoj koji se upotrebljavaju za proizvodnju bioplina.

 

Iskorištenje tercijalne biomase

 

Nusproizvodi drvne industrije se danas uvelike koriste u energetske svrhe, dok se iskorištavanje ostalih organskih materija još ispituje.

 

Prednosti korištenja biomase

 

  • Emisija štetnih plinova je dio godišnjeg (ili višegodišnjeg ) ciklusa, budući da je biomasa iskorištena za grijanje ili proizvodnju goriva prijašnjih godina (za vrijeme rasta bilja) trošila ugljični dioksid. Ovaj ciklus je, tako, u najmanju ruku CO2 neutralan i tako pogodan za usporavanje globalnih promjena klime.
  • Omogućava otvaranje novih radnih mjesta.
  • Uključuje stanovništvo u gospodarenje energijom i sirovinama  kroz proizvodnju, preradu, upotrebu, i na taj način  jača svijest o povezanosti zaštite okoliša i energije.

 

     

    Karakteristike energije biomase

    Biomasa je prema načinu nastanka izrazito raznovrsna, a na mjestu nastajanja se u energetske svrhe može iskoristiti samo u rijetkim slučajevima. Za iskorištenje biomase potrebne su određene predradnje, kao što su skupljanje, sušenje, usitnjavanje, skladištenje itd. Biomasa se može iskoristiti neposrednim sagorijevanjem ili konverzijom.

    Neposrednim sagorijevanjem ugljenik, vodonik i gorivi elementi koji se nalaze u biomasi uz oksidaciju oslobađaju energiju, što znači da iz hemijske energije oksidacijom dobijamo toplotnu energiju.

    Bitno je da energetska vrijednost biomase koja se oslobađa sagorijevanjem bude veća od energije potrebne za sušenje i ostalu pripremu biomase. Realna energetska vrijednost biomase je 15 MJ/kg uz udio vlage od 10%. Specifičnost biomase je veliki sadržaj eteričnih ulja (60-70%), i nizak sadržaj pepela (1-7%). Za njeno sagorijevanje potrebni su specijalni kotlovi, a pepeo koji nastaje može se iskoristiti kao gnojivo zbog sadržaja kalija.

    Biomasa se za sagorijevanje priprema baliranjem, izradom peleta ili briketa. Energetske potrebe takve pripreme obično su oko 1-5% ogrijevne vrijednosti finalnog proizvoda. Jedini realni način regulacije snage kod loženja je doziranjem količine unesenog ogrjevnog materijala i svježeg kiseonika u kotao.

    Konverzijom se iz biomase (mehaničkim, termičkim ili hemijskim postupkom) proizvodi plin, ulje, alkohol ili ugalj, te se ovi proizvodi koriste za proizvodnju energije (za pogon strojeva i grijanje).

    Široku upotrebu biomase u energetske svrhe opravdava više činjenica. Smanjenje zavisnosti države o vanjskim energentima, iskorištenje neiskorištenih poljoprivrednih površina, povećanje zaposlenisti ruralnih područja i ne manje važno, očuvanje okoline i klimatskih uslova.

    Sagorijevanje biomase

    Loženje biomase je najstariji način korištenja energije. Čvrsta loživa biomasa sastoji se od gorivog i jalovog dijela. Gorivi dio se sastoji od ugljenika, vodonika, sumpora i fosfora, a jalova od kiseonika, azota, vode i pepela. Gorenje je hemijska reakcija tokom koje se masa pod visokom temperaturom uz razvijanje toplote sjedinjuju sa kiseonikom iz vazduha.

    Da bi gorenje bilo moguće, potrebno je zadovoljiti slijedeće uslove: prisustvo gorive mase, kiseonika, određene temperature i odgovarajućeg odnosa gorive biomase i kiseonika. Toplota gorenja je ona toplota koju goriva masa tokom gorenja oslobađa i to tako da je temperatura i početne i krajnje biomase 20 oC.

    Toplota gorenja biomase može se odrediti mjerenjem kalorimetrom ili teoretskim proračunom. Taj podatak u praksi iznosi oko 15MJ/kg uz vlagu od 10%. Prilikom izgaranja nastaju i određeni gubici. To su prvenstveno toplotni gubici dimnih plinova i gubici zbog nesavršenog izgaranja. Proizvod plinovitog stanja koji nastaje tokom gorenja nazivamo dimnim plinom.

    Sagorijevanje biomase se odvija u nekoliko faza:

    • < 100oC , sušenje ( odvajanje vlage),
    • 100oC< <200oC , cijepanje molekula, plinofikacija,
    • 225oC< , početak trajnog gorenja,
    • 260oC< , eksotermni proces, spontana proizvodnja toplote,
    • 1000oC svi plinovi su izgorjeli, izgaranje ostataka ugljenika.

    Sistemi za grijanje na biomasu zavisno o snazi projektuju se tako da gubici pojedinih faza budu najmanji mogući, da gorenje ima najveći stupanj iskorištenja. Za razliku od uređaja sa poveremenim pogonom, sistemima sa trajnim pogonom treba osigurati nastanak i razvoj svih faza, te da uvijek bude dovoljna količina kiseonika na raspolaganju.

    Toplotnu energiju nastalu neposrednim sagorijevanjem možemo iskoristiti na više načina, od grijanja do proizvodnje tople vode ili pare.

    Posredni način sagorijevanja biomase je plinofikacija i piroliza. Piroliza je zagrijavanje masei sa visokim udjelom ugljenika bez prisustva kiseonika i dovodi do depolimerizacije mase. Proizvod pirolize drveta je drvni plin koji se može iskoristiti za pogon plinskih generatora.

    Iskorišćenje tečne biomase

    Tečna biomasa, biljna ulja, biodizel, bioetanol, imaju velikih prednost. Lako se proizvode, transportuju, imaju veliku energetsku vrijednost i imaju široku upotrebu u transporu i kao zamjena fosilnim gorivima.

    Prema izvoru, ovi energenti mogu biti biljnog, životinjskog, ostalog (mikrobi, gljivice) porijekla, dok se prema vrsti dijele na ulja, masti, alkohole, a upotrebljavaju se kao ogrjevni materijal i pogonsko goriva za motore.

    Sirovina za tečne energente dobija se iz uljanih biljaka presovanjem, od biljaka koje sadrže šećer i skrob destilacijom, a od celuloznih materijala termohemijskim procesima kao što je piroliza. Karakteristično za sve njih je da hemijsku energiju iz biljaka pretvaraju u toplotnu ili mehaničku energiju.

    Prednosti tečnih energenata biološkog porijekla su:

    • Sagorijevanjem se stvara manja količina štetnih jedinjenja (od 70-100%), manja je količina čađi, oko 25%  su manji Nox i CO, a ni CH nije lošiji nego kod konvencionalnih goriva,
    • Poništava se emisija CO2 u atmosferu (ciklički),
    • Prirodnim putem se razgrađuje u okolinu,
    • Svake godine se može proizvoditi,
    • Efektivna snaga motora pada svega 5-7%,
    • Otvaranje novih radnih mjesta,
    • Nezavisnost, mogućnost planiranja
    • Iskorištenje neiskorištenih poljoprivrednih površina
    • Sirovine se dobro uklapaju u strukturu poljoprivredne proizvodnje

    Biljna ulja dobivena mogu se dobiti presovanjem hladnim ili toplim postupkom. Iz sjemenke biljke može se dobiti 25-30% ulja. U sirovom stanju tačka zapaljenja tih ulja je relativno visoka, 250-300oC, dakle teško su zapaljiva. Ona imaju velik viskozitet što znači da se teško raspršuju. Mogu se upotrijebiti za grijanje, za pogon specijalnih Elsbett motora, te uz određene aditve kao pogonsko gorivo za manje zahtjevne dizel motore. Hemijskom doradom mogu se dobiti pogonska goriva i za konvencionalne motore sa unutrašnjim sagorijevanjem. Granica ekonomičnosti gajenja uljarica je trenutno uz prinose od 4t/ha.

    Alkohole biološkog porijekla obično dobijamo iz celuloze, i to postuokom hidrolize. U današnje vrijeme se vrlo živo istražuje tenologija industrijske proizvodnje bioetanola iz  celuloze. Bioetanol se može upotrebljavati u klasičnim četverotaktnim Otto motorima. Na ovom području veliki programi su pokrenuti u Brazilu, SAD-u, Francuskoj, Argentini, Kanadi i na Novom Zelandu.

    Proizvodnja i upotreba bioplina

    Jedan od osnovnih, a ujedno i ekološki najpovoljnijih načina korištenja biomase je proizvodnja bioplina. Bioplin dobiven razgradnjom organskih materija je  jednostavan i lako iskoristiv obnovljivi izvor energije.

    Bioplinom nazivamo plinove sa sadržajem metana (CH4  oko 60%), a koji nastaju anaerobnom fermentacijom  organskih jedinjenja. Energetska vrijednost bioplina je manja od one zemnog gasa (22,4-23 MJ/m3), zbog toga je za proizvodnju potrebno osigurati rezervoare velikog kapaciteta, što uvelike narušava ekonomske pokazatelje ulaganja u proizvodnju. Karakteristika proizvodnje bioplina je mogućnost široke lepeze sirovina i mogućnost proizvodnje raznim tehnološkim procesima.

    Mogući postupci proizvodnje bioplina pomoću bakterija:

    • Psichofili 15-20oC /temperatura razgradnje, 100 dana /vrijeme razgradnje/
    • Mezofili 35-38oC ,40 dana
    • Thermofili 55-60oC 10 dana

     

    U ovom vremenskom periodu razgradi se 90% organske mase.

    Najvažnije potencijalne sirovine:

    • Velika količina biootpada nastaje kroz uzgoj domaćih životinja. Tečno i čvrsto gnojivo u svinjogojstvu posebno zagađuje okoliš i među najvećim je zagađivačima površinskih i podzemnih voda.
    • U naseljima 30-40% komunalnog otpada je biološki razgradiva organska masa. Danas najveći dio tog otpada odlažemo na deponije, koje uzrokuju zagađenje podzemnih i  nadzemnih voda. Uslijed padavina nastaju jedinjenja među kojima CO2 i CH4 uzrokuju neposrednu štetu okolini.
    • Mulj koji je ostatak kod pročišćavanja komunalnih otpadnih voda sadrži velike količine organskih jedinjenja. Manipulacijom ovim jedinjenjima velikim dijelom još nije riješeno.
    • Veliki dio biootpada čine ostaci iz prehrambene industrije, prvenstveno iz klaonica, koji se praktično smatraju opasnim otpadom.

     

    Za ilustraciju o ovoj tematici navest ćemo da je od 10 kg kućnog organskog otpada moguće proizvesti oko 1,5 m3 bioplina (što odgovara 1 litri benzina), a sa čime bi se moglo voziti automobilom 10 km. Dakle 1 kg otpada odgovara 1 km vožnje autom.

    Uklanjanjem opasnih jedinjenja iz biootpada odgovarajućim tehnologijama, iskorištavanjem u njemu sadržane energije i nastalog gnojiva može se stvoriti ekonomski isplativ integrirani sistem.

    Kompleksna proizvodnja bioplina ima slijedeće obilježja:

    • Od biološkog otpada se fermentacijom proizvodi bioplin,
    • Bioplin se iskorištava za proizvodnju energije,
    • Ostatak bio gnojiva se koristi u poljoprivredi.

     

    Osim iskorištenja otpada, ekološka prednost ovog kompleksnog sistema je zaštita okoline, jer omogućije CO2-neutralnu proizvodnju energije.

    Proizvedeni bioplin može se uz odgovarajuću kompresiju koristiti u plinskim motorima ili kotlovima. Plinskim motorima moguće je pogoniti generator za proizvodnju električne energije i uporedo dobijati toplotnu energiju upotrebljivu za daljinsko grijanje ili za zagrijavanje potrošne tople vode. Od proizvodnje bioplina korist je dvostruka,  prvo energija a drugo zaštita okoline.