Mõista, kuidas on võimalik orgaanilisi jäätmeid muundada elektrienergiaks, nn biomassiks
Biomass on kogu taimse või loomse päritoluga orgaaniline aine, mida kasutatakse muu hulgas energia tootmiseks, näiteks puusüsi, küttepuud, suhkruroo bagass. Kuna tegemist on hajutatud ja madala efektiivsusega energiaallikaga, mida traditsiooniliselt kasutatakse vähem arenenud riikides, on selle energiaallika representatiivsuse kohta maailma energiamaatriksis teatud määral andmeid. ANEELi aruande kohaselt pärineb aga umbes 14% maailmas tarbitavast energiast just sellest allikast ning Jornal Brasileiro de Pneumologia teise uuringu kohaselt kasutab 90% vaeste riikide maapiirkondade kodudest biomassi põletamisest saadavat energiat ( puit, puusüsi, loomasõnnik või põllumajandusjäätmed), eriti Sahara-taguses Aafrikas ja Aasias.
Biomassi kasutamine termoelektrijaamades on muutunud üha suuremaks ja seda kasutatakse elektrivarustusvõrguga katmata alade, näiteks isoleeritud maakogukondade, jõudmiseks. Üha tavalisemaks on muutunud ka koostootmissüsteemide kasutamine, mis lepivad elektrienergia tootmise läbi biomassi ja soojuse tootmise, suurendades tootmissüsteemide energiatõhusust.
Mis on koostootmine?
Biomass, näiteks kivisüsi või küttepuud, on see, mis liigutab termoelektrigeneraatorite suurt osa. Sõltumata kütuseliigist ja mootorist kaotavad need generaatorid suurema osa kütuses sisalduvast energiast soojuse kujul. Keskmiselt moodustab keskkonda soojuse kujul kaduma läinud biomassienergia 60–70% kogu kütuseenergiast. Seega on generaatori efektiivsus umbes 30–40%.
Kuna paljud hooned ja tööstused vajavad kütmist (sisekeskkonna jaoks või vee soojendamiseks), töötati välja koostootmissüsteem, mille kaudu elektrienergia tootmisel tekkiv soojus lülitatakse tootmisprotsessi auruna. Selle süsteemi peamine eelis on kütte kokkuhoid kütteprotsessi jaoks. Seega tõuseb süsteemi energiatõhusus, ulatudes kuni 85% -ni kütuse biomassienergiast.
Biomass Brasiilias
Praegu on riigi elektritootmisel kõige suurema potentsiaaliga ressurss suhkruroo bagass. Suhkru- ja alkoholisektoris tekib suur hulk jäätmeid, mida saab kasutada biomassina, peamiselt koostootmissüsteemides. Teised köögiviljasordid, millel on suur elektri tootmise potentsiaal, on palmiõli, mille keskmine tootlikkus hektari kohta on neli korda suurem kui suhkruroo, buriti, babassu ja andiroba. Need ilmnevad alternatiividena elektrivarustuse eraldatud kogukondades, eriti Amazonase piirkonnas.
Kui suhkruroost toodetakse etanooli, muundatakse umbes 28% roost bagassiks. See bagass on biomassi, mida tavaliselt kasutatakse madalrõhu auru tootmise tehastes, mida kasutatakse vasturõhuturbiinides kaevandusseadmetes (63%) ja elektritootmises (37%). Suurem osa taimedest väljuvast madalrõhuaurust kasutatakse mahla töötlemiseks ja kuumutamiseks (24%) ning destilleerimisaparaadis. Keskmiselt vajab iga seade umbes 12 kWh elektrienergiat, selle väärtuse võivad anda biomassi jäägid ise. Teised kõrge potentsiaaliga põllumajandusjäägid, mida elektrienergia tootmisel biomassina kasutada, on riisikest, kašupähklikoor ja kookoskoor.
Biomassi muundamise marsruudid
Biomassi allikaid võib klassifitseerida puitköögiviljadeks (puit), puiduta köögiviljadeks (sahhariidid, tselluloossed, tärkliserikkad ja veekogud), orgaanilisteks jääkideks (põllumajandus-, tööstus-, linnalised) ja biovedelikeks (taimeõlid). Biomassi muundamise marsruudid on erinevad ja just tänu nendele muundamistehnoloogiatele on võimalik saada mitut sorti biokütuseid, nagu etanool, metanool, biodiisel ja biogaas. Peamised biomassi muundamise protsessid on:
Otsene põlemine
Energia saamiseks võib põletada selliseid materjale nagu puit ja kõik orgaaniliste jäätmete sordid (põllumajanduslikud, tööstuslikud ja linnalised jäätmed). Põlemisprotsess seisneb nende biomassiallikate keemilise energia muundamises soojuseks. Energia eesmärgil põletatakse biomassi otseselt ahjudes ja ahjudes. Vaatamata praktilisusele kipub otsene põlemisprotsess olema üsna ebaefektiivne. Lisaks on protsessis kasutatavatel kütustel tavaliselt kõrge õhuniiskus (küttepuude korral 20% või rohkem) ja madal energiatihedus, mis muudab ladustamise ja transportimise keeruliseks.
Gaasistamine
See on tehnoloogia, mida rakendatakse linna- ja tööstuslikele orgaanilistele jäätmetele ja puidule. Gaasistamine seisneb tahkete biomassiallikate muundamises gaasideks termokeemiliste reaktsioonide kaudu, kaasates kuuma auru ja õhku või hapnikku vähem kui minimaalselt põletamiseks. Saadud gaasikompositsioon on süsinikmonooksiidi, vesiniku, metaani, süsinikdioksiidi ja lämmastiku segu, nii et need proportsioonid varieeruvad vastavalt protsessi tingimustele, eriti seoses oksüdeerimisel kasutatava õhu või hapnikuga . Selle biomassi põlemisel tekkiv kütus on mitmekülgsem (seda saab kasutada sisepõlemismootorites ja ka gaasiturbiinides) ning puhtam (protsessi käigus saab eemaldada selliseid ühendeid nagu väävel) kui tahkekütuse versioonid. Peale selle,gaasistamisel on võimalik toota sünteetilist gaasi, mida saab rakendada mis tahes süsivesinike sünteesis.
Pürolüüs
Pürolüüs, tuntud ka kui karboniseerimine, on vanim protsess biomassi allika (tavaliselt puit) muundamiseks teiseks kütuseks (puusüsi), mille energiatihedus on kaks korda suurem kui lähtematerjalil. Samuti pürolüüsitakse sageli põllumajandusliku päritoluga orgaanilisi jäätmeid - sel juhul on vaja jäätmed eelnevalt tihendada. Meetod seisneb materjali kuumutamises keskkonnas, kus õhk peaaegu puudub. Pürolüüsi käigus saadakse ka kütusegaasi, tõrva ja püro-puitu, materjale, mida kasutatakse laialdaselt tööstussektoris. Protsessi tulemus erineb suuresti originaalmaterjali seisundist (kogus ja niiskus). Ühe tonni puusöe tootmiseks võib vaja minna nelja kuni kümmet tonni küttepuid.
Ümberesterdamine
See on keemiline protsess, mis muudab taimeõlide biomassi vahesaaduseks kahe alkoholi (metanool ja etanool) ja aluse (naatrium- või kaaliumhüdroksiid) vahelisest reaktsioonist. Seda tüüpi biomassi ümberesterdamise saadused on glütseriin ja biodiisel, kütus, millel on diislikütusega sarnased tingimused ja mida saab kasutada sisepõlemismootorites sõidukitel või statsionaarseks kasutamiseks.
Anaeroobne seedimine
Nagu pürolüüs, peab ka anaeroobne seedimine toimuma keskkonnas, kus hapnik peaaegu puudub. Algne biomass laguneb bakterite toimel, nii nagu see toimub looduslikult peaaegu kõigi orgaaniliste ühendite puhul. Orgaanilisi jäätmeid, näiteks loomasõnnikut ja tööstusjäätmeid, saab töödelda anaeroobse (hapniku puudumisel tekkiva) lagundamise teel biomagnetites. Bakterite toime põhjustab lagunemiseks vajaliku kuumutamise, kuid külmades piirkondades või aegadel võib osutuda vajalikuks lisakütte lisamine. Anaeroobse lagundamise lõpptoode on biogaas, mis koosneb põhiliselt metaanist (50% kuni 75%) ja süsinikdioksiidist. Tekkinud heitvett saab kasutada väetisena.
Kääritamine
See on bioloogiline protsess, mis viiakse läbi mikroorganismide (tavaliselt pärmseente) toimel, mis muundavad biomassi allikates, nagu suhkruroog, mais, peet ja muud köögiviljaliigid, sisalduvad suhkrud alkoholiks. Biomassi kääritamise lõpptulemus on etanooli ja metanooli tootmine.
Biomassi rakendatavus
Biomassi peetakse taastuvaks energiaallikaks ja seda on kasutatud fossiilkütuste, näiteks nafta ja kivisöe asendamiseks, elektrienergia tootmiseks termoelektrijaamades ja vähem taastuvate gaaside saasteainete eraldamiseks. Vaatamata sellele, et see pole fossiilkütus, on uuringu kohaselt biomassi põletamine üks maailma suurimaid toksiliste, tahkete osakeste ja kasvuhoonegaaside allikaid.
Suurte alade, olgu metsad, savannid või muud taimestik, põletamise korral põhjustab väävli emissioon vihmavee pH muutusi, aidates kaasa happevihmade tekkele. Metaani ja süsinikdioksiidi heitkogused aitavad kaasa kasvuhooneefekti tugevnemisele ning elavhõbe põhjustab veekogude saastumist ja võimaldab moodustada metüülelavhõbedat - inimese tervisele kahjulikku ainet.
Korduvat ja pikaajalist kokkupuudet materjalidega, mis on saadud biomassi põlemisprotsessist siseruumides (puupliidid, kaminad jms), on seostatud laste ägedate hingamisteede infektsioonide sagenemisega, mida peetakse peamiseks suremuse põhjuseks arengumaades. Lisaks on see seotud ka krooniliste obstruktiivsete kopsuhaiguste, pneumokonioosi (tolmu sissehingamisel põhjustatud haigus), kopsutuberkuloosi, katarakti ja pimeduse suurenemisega. Roosuhkepõletuse põlemisel puutub suhkruroo saaki ümbritseval alal elav elanikkond põlenud biomassi tolmule aastaringselt kokku umbes kuus kuud.
Sel põhjusel kehtestab riiklik keskkonnanõukogu (Conama) suhkruroo biomassi välispõletamisel soojuse tekitamise käigus tekkivate õhusaasteainete heitkoguste piirnormid, mis võimaldab reguleerida heitkoguseid ja leevendada biomassi põletamisega seotud sotsiaal-keskkonnamõjusid.
Samuti pakub biomass võimalust toota väga erinevatest materjalidest, pakkudes turul paindlikkust ja turvalisust, erinevalt fossiilkütustest, eriti naftast. Teine punkt on see, et orgaaniliste põllumajandus-, tööstus- ja olmejäätmete kasutamisel elektri tootmiseks saavad nad "säästvama" sihtkoha kui lihtne kõrvaldamine. Uuringu kohaselt on Brasiilias enamik põllumajandusjäätmeid mais, soja, riis ja nisu, esimesed kaks on tooraine, mida kasutatakse sageli biodiisli tootmiseks.
Brasiilias on soodsad tingimused energia tootmiseks biomassist, näiteks on olemas suured põllumajanduspiirkonnad, mida saab kasutada biomassi tootmiseks ja mis saavad kogu aasta jooksul intensiivset päikesekiirgust. Muret teeb siiski esimese põlvkonna biokütuste tootmine, mis kasutavad köögiviljatoorainet otse. Sellisel juhul võivad biokütused võidelda põllumaade ja põllumajandussektori vahelise konkurentsi olukorra vastu, seades elanike toiduga kindlustatuse ohtu. Teine suurte maa-aladega seotud küsimus on keskkonnakaitse küsimus. Lisaks põllumajandusega konkureerimisele võivad biokütused lõpuks avaldada survet ka keskkonnakaitsele mõeldud aladele.
