Энергетический урожай
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( апрель 2012 г. ) |
Энергетические культуры – это недорогие и не требующие особого ухода культуры, выращиваемые исключительно для производства возобновляемой биоэнергии (а не для производства продуктов питания). Урожай перерабатывается в твердое , жидкое или газообразное топливо , такое как пеллеты , биоэтанол или биогаз . Топливо сжигается для выработки электроэнергии или тепла.
Растения обычно делятся на древесные и травянистые . Древесные растения включают иву. [1] и тополь , травянистые растения включают Miscanthus x giganteus и Pennisetum purpureum (оба известны как слоновья трава ). Травянистые культуры, хотя физически меньше деревьев, хранят под землей примерно в два раза больше CO 2 (в форме углерода) по сравнению с древесными культурами. [2]
С помощью биотехнологических процедур, таких как генетическая модификация , растениями можно манипулировать для получения более высоких урожаев. Относительно высокие урожаи могут быть достигнуты и с использованием существующих сортов . [3] : 250 Однако некоторые дополнительные преимущества, такие как снижение сопутствующих затрат (т.е. затрат в ходе производственного процесса), [4] ) и меньшего использования воды можно добиться только за счет использования генетически модифицированных культур .
Типы
[ редактировать ]Твердая биомасса
[ редактировать ]
Твердая биомасса, часто в виде гранул , используется для сжигания на тепловых электростанциях либо отдельно, либо совместно с другими видами топлива. В качестве альтернативы его можно использовать для производства тепла или комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ).
В порослевом сельском хозяйстве с коротким оборотом (SRC) быстрорастущие породы деревьев, такие как ива и тополь , выращиваются и собираются в короткие циклы продолжительностью от трех до пяти лет. Эти деревья лучше всего растут на влажной почве. Не исключено влияние на местные водные условия. размещения вблизи уязвимых водно-болотных угодий . Следует избегать [5] [6] [7]
Газовая биомасса (метан)
[ редактировать ]Целые культуры, такие как кукуруза , суданская трава , просо , белый донник и многие другие, могут быть переработаны в силос , а затем переработаны в биогаз . [3] Анаэробные варочные котлы или биогазовые установки можно напрямую дополнять энергетическими культурами после их силосования в силос. Самым быстрорастущим сектором немецкого биофермерства является область «Культуры, использующие возобновляемые источники энергии», занимающая почти 500 000 га (1 200 000 акров) земли (2006 г.). [8] Энергетические культуры также можно выращивать для увеличения выхода газа в тех случаях, когда сырье имеет низкое содержание энергии, например, навоз и испорченное зерно. Подсчитано, что в настоящее время энергетический выход биоэнергетических культур, преобразованных через силос в метан, составляет около 2 ГВтч / км. 2 (1.8 × 10 10 БТЕ / кв. миль ) ежегодно. Небольшие предприятия смешанного земледелия с животными могут использовать часть своей площади для выращивания и переработки энергетических культур и удовлетворения энергетических потребностей всей фермы, используя примерно одну пятую площади. Однако в Европе и особенно в Германии такой быстрый рост произошел только при существенной государственной поддержке, как, например, в немецкой системе бонусов за возобновляемые источники энергии . [9] Подобные разработки по интеграции растениеводства и производства биоэнергии с помощью метана из силоса были почти полностью упущены из виду в Северной Америке, где политические и структурные проблемы и огромное продолжающееся стремление к централизации производства энергии затмили позитивные изменения. [ нужна ссылка ]
Жидкая биомасса
[ редактировать ]Биодизель
[ редактировать ]
За последнее десятилетие европейское производство биодизеля из энергетических культур неуклонно росло, в основном ориентируясь на рапс, используемый для производства нефти и энергии. Производство масла/биодизеля из рапса охватывает территорию более 12 000 км. 2 только в Германии, и за последние 15 лет оно удвоилось. [10] Типичный расход масла в виде чистого биодизельного топлива составляет 100 000 л/км. 2 (68 000 галлонов США на квадратную милю; 57 000 имп галлонов на квадратную милю) или выше, что делает биодизельные культуры экономически привлекательными при условии, что используются устойчивые севообороты , сбалансированные по питательным веществам и предотвращающие распространение болезней, таких как кила . Выход биодизеля из соевых бобов значительно ниже, чем из рапса. [11]
| Обрезать | Масло % |
|---|---|
| копра | 62 |
| клещевины семена | 50 |
| кунжут | 50 |
| арахиса ядро | 42 |
| ятрофа | 40 |
| рапс | 37 |
| пальмовое ядро | 36 |
| горчичное семя | 35 |
| подсолнечник | 32 |
| пальмовые фрукты | 20 |
| соевые бобы | 14 |
| хлопка семена | 13 |
Биоэтанол
[ редактировать ]Двумя ведущими непищевыми культурами для производства целлюлозного биоэтанола являются просо и мискантус гигантский .В Америке существует озабоченность целлюлозным биоэтанолом, поскольку во многих регионах сельскохозяйственная структура, поддерживающая производство биометана, отсутствует, а также не существует системы кредитов или бонусов. [ нужна ссылка ] Следовательно, много частных денег и надежд инвесторов возлагается на рыночные и патентоспособные инновации в области ферментативного гидролиза и подобных процессов. Травы также являются энергетическими культурами для получения биобутанола .
Биоэтанол также относится к технологии использования преимущественно кукурузы (семени кукурузы) для производства этанола непосредственно посредством ферментации. Однако при определенных условиях эксплуатации и процесса этот процесс может потреблять столько же энергии, сколько энергетическая ценность производимого им этанола, поэтому он является неустойчивым. Новые разработки в области переработки зерновой барды (называемой дистилляционной бардой или DGS) в биогаз выглядят многообещающе как средство улучшения низкого энергетического соотношения этого типа процесса получения биоэтанола.
Использование энергетических культур в разных странах
[ редактировать ]
В Швеции иву и коноплю часто используют .
В Финляндии канареечник тростниковый является популярной энергетической культурой. [12]
Просо просо ( panicum virgatum ) – еще одна энергетическая культура. [13] Для производства 1 тонны проса проса требуется от 0,97 до 1,34 ГДж ископаемой энергии по сравнению с 1,99–2,66 ГДж для производства 1 тонны кукурузы. [14] Учитывая, что просо содержит примерно 18,8 ГДж/ODT биомассы, соотношение выходной и потребляемой энергии для этой культуры может достигать 20:1. [15]
Использование энергетических культур на тепловых электростанциях
[ редактировать ]Существует несколько методов уменьшения загрязнения и сокращения или устранения выбросов углекислого газа электростанциями, работающими на ископаемом топливе . Часто используемый и экономически эффективный метод заключается в переводе электростанции на другое топливо (например, энергетические культуры/биомасса). В некоторых случаях сжигание биомассы может принести пользу электростанции, если энергетические культуры/биомасса являются материалом, который будет использовать электростанция, работающая на переоборудованном ископаемом топливе. [16] Кроме того, при использовании энергетических культур в качестве топлива и при внедрении производства биоугля тепловая электростанция может даже стать углеродно-отрицательной, а не просто углеродно-нейтральной. Повышение энергоэффективности угольной электростанции также может снизить выбросы.
Аспекты устойчивого развития
[ редактировать ]В последние годы биотопливо стало более привлекательным для многих стран как возможная замена ископаемому топливу . Поэтому понимание устойчивости этого возобновляемого ресурса очень важно. Существует множество преимуществ, связанных с использованием биотоплива, таких как сокращение выбросов парниковых газов , более низкая стоимость, чем ископаемое топливо, возобновляемость и т. д. [17] Эти энергетические культуры можно использовать для производства электроэнергии. Было доказано, что древесная целлюлоза и биотопливо в сочетании со стационарным производством электроэнергии очень эффективны. С 2008 по 2013 год мировое производство биотоплива выросло на 109%, и ожидается, что оно увеличится еще на 60% для удовлетворения наших потребностей (по данным Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР)/Продовольственной и сельскохозяйственной организации) (ФАО)). [18]
Прогнозируемое увеличение использования/потребности энергетических культур ставит вопрос о том, является ли этот ресурс устойчивым. Увеличение производства биотоплива связано с проблемами, связанными с изменениями в землепользовании, воздействием на экосистемы (почвы и водные ресурсы) и усиливает конкуренцию за земельные площади за использование для выращивания энергетических, продовольственных или кормовых культур. Растения, наиболее подходящие для будущего биоэнергетического сырья, должны быть быстрорастущими, высокоурожайными и требовать очень небольших затрат энергии для роста, сбора урожая и т. д. [18] Использование энергетических культур для производства энергии может быть выгодным из-за их углеродной нейтральности. Он представляет собой более дешевую альтернативу ископаемому топливу, но при этом чрезвычайно разнообразен по видам растений, которые можно использовать для производства энергии. Но вопросы, касающиеся стоимости (более дорогих, чем другие возобновляемые источники энергии), эффективности и пространства, необходимого для поддержания производства, необходимо рассмотреть и улучшить, чтобы обеспечить широкое внедрение использования биотоплива. [17]
Углеродная нейтральность
[ редактировать ]
Во время роста растений CO 2 поглощается растениями. [19] В то время как период ротации углерода в обычных лесных насаждениях составляет многие десятилетия, период ротации лесных насаждений с коротким севооборотом (SRF) составляет 8–20 лет, а с порослью с коротким севооборотом (SRC) — 2–4 года. [20] Многолетние травы, такие как мискантус или рябчик , имеют период севооборота 4–12 месяцев. Помимо поглощения CO 2 надземными тканями, культуры, полученные из биомассы, также связывают углерод под землей, в корнях и почве. Как правило, многолетние культуры связывают больше углерода, чем однолетние культуры, поскольку накопление корней может продолжаться в течение многих лет. Кроме того, при выращивании многолетних культур избегают процедур ежегодной обработки почвы (вспашка, перекопка), связанных с выращиванием однолетних культур. почвенных микробов Вспашка помогает популяциям разлагать имеющийся углерод с образованием CO 2 .
Было замечено, что органического углерода в почве больше под посевами проса , чем под возделываемыми пахотными землями, особенно на глубине ниже 30 см (12 дюймов). [21]
Количество секвестрированного углерода и количество выброшенных парниковых газов (ПГ) будут определять, будет ли общая стоимость жизненного цикла выбросов ПГ биоэнергетического проекта положительной, нейтральной или отрицательной. В частности, жизненный цикл с отрицательным выбросом парниковых газов/углеродом возможен, если общее подземное накопление углерода более чем компенсирует общие выбросы парниковых газов за жизненный цикл над землей.
Например, для Miscanthus × giganteus углеродная нейтральность и даже негативность вполне достижимы. Это означает, что урожайность и связанное с ней связывание углерода настолько велики, что на их долю приходится больше, чем общая сумма выбросов от сельскохозяйственной деятельности, выбросов от переработки топлива и выбросов от транспорта. [22] Успешная секвестрация зависит от места посадки, поскольку лучшими почвами для секвестрации являются те, в которых в настоящее время наблюдается дефицит углерода.
В Великобритании ожидается успешная секвестрация пахотных земель на большей части территории Англии и Уэльса, а неудачная секвестрация ожидается в некоторых частях Шотландии из-за уже богатых углеродом почв (существующих лесных массивов). Кроме того, в Шотландии относительно более низкие урожаи в этом более холодном климате затрудняют CO 2 достижение отрицательного уровня выбросов . К почвам, уже богатым углеродом, относятся торфяники и зрелые леса. Пастбища также могут быть богаты углеродом, и было обнаружено, что наиболее успешная улавливание углерода в Великобритании происходит под улучшенными пастбищами. [23]
См. также
[ редактировать ]
- Водорослевое топливо
- Анаэробное пищеварение
- Целлюлозный этанол
- Снижение загрязнения углем
- Эйхорния crassipes#Биоэнергетика
- Европейская ассоциация биомассы
- Мириофиллум
- Перелесок с коротким вращением
- Лесное хозяйство с короткой ротацией
- Устойчивая энергетика
- Таблица урожайности биотопливных культур
- Вегойл
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Мола-Юдего, Блас; Аронссон, Пяр (сентябрь 2008 г.). «Модели урожайности коммерческих плантаций биомассы ивы в Швеции». Биомасса и биоэнергетика . 32 (9): 829–837. Бибкод : 2008BmBe...32..829M . doi : 10.1016/j.biombioe.2008.01.002 .
- ^ Агостини, Франческо; Грегори, Эндрю С.; Рихтер, Гетц М. (15 января 2015 г.). «Связывание углерода многолетними энергетическими культурами: решение еще не принято?» . Биоэнергетические исследования . 8 (3): 1057–1080. Бибкод : 2015BioER...8.1057A . дои : 10.1007/s12155-014-9571-0 . ПМЦ 4732603 . ПМИД 26855689 .
- ^ Перейти обратно: а б Ара Киракосян; Питер Б. Кауфман (15 августа 2009 г.). Последние достижения в области биотехнологии растений . Спрингер. п. 169. ИСБН 9781441901934 . Проверено 14 февраля 2013 г.
- ^ Смит, Ребекка А.; Касс, Синтия Л.; Мазахери, Мона; Сехон, Раджандип С.; Хеквольф, Марлис; Кэпплер, Хайди; де Леон, Наталья; Мэнсфилд, Шон Д.; Кэпплер, Шон М.; Седбрук, Джон К.; Карлен, Стивен Д.; Ральф, Джон (2 мая 2017 г.). «Подавление циннамоил-КоА-редуктазы увеличивает уровень ферулатов монолигнола, включенных в лигнины кукурузы» . Биотехнология для биотоплива . 10 (1): 109. дои : 10.1186/s13068-017-0793-1 . ПМК 5414125 . ПМИД 28469705 .
- ^ Хартвич, Йенс (2017). Оценка региональной пригодности порослей с коротким вращением в Германии (Диссертация). дои : 10.17169/refubium-9817 .
- ^ Хартвич, Йенс; Бёльшер, Йенс; Шульте, Ахим (24 сентября 2014 г.). «Воздействие коротковорсовой поросли на водные и земельные ресурсы». Водный Интернационал . 39 (6): 813–825. Бибкод : 2014WatIn..39..813H . дои : 10.1080/02508060.2014.959870 . S2CID 154461322 .
- ^ Хартвич, Йенс; Шмидт, Маркус; Бёльшер, Йенс; Рейнхардт-Имьела, Кристиан; Мурач, Дитер; Шульте, Ахим (11 июля 2016 г.). «Гидрологическое моделирование изменений водного баланса из-за воздействия производства древесной биомассы на Северо-Германской равнине». Экологические науки о Земле . 75 (14): 1071. Бибкод : 2016EES....75.1071H . дои : 10.1007/s12665-016-5870-4 . S2CID 132087972 .
- ^ «Экологическое использование биомассы» . Архивировано из оригинала 26 сентября 2021 года . Проверено 22 января 2016 г.
- ^ Баубек, Роланд; Карпенштайн-Мачан, Марианна; Каппас, Мартин (10 августа 2014 г.). «Расчет потенциала биомассы для кукурузы и двух альтернативных энергетических культур, тритикале и чашечника (Silphium perfoliatum L.), с помощью модели урожая BioSTAR в районе Ганновера (Германия)» . Науки об окружающей среде Европы . 26 (1): 19. дои : 10.1186/s12302-014-0019-0 . ISSN 2190-4715 . ПМК 5044939 . ПМИД 27752417 .
- ^ Умер. «Энергия биомассы» .
- ^ Киракосян, Ара; Кауфман, Питер Б. (2009). Последние достижения в области биотехнологии растений | Спрингерлинк (PDF) . дои : 10.1007/978-1-4419-0194-1 . ISBN 978-1-4419-0193-4 .
- ^ Справочник для производителей энергии.
- ^ Организация биотехнологической промышленности (2007). Промышленная биотехнология совершает революцию в производстве этанола для транспортного топлива. Архивировано 12 февраля 2006 г. в Wayback Machine, стр. 3-4.
- ^ Дейл Б., Ким С. (2004). «Совокупная энергия и влияние глобального потепления от производства биомассы для продуктов биологического происхождения» . Журнал промышленной экологии . 7 (3–4): 147–62. дои : 10.1162/108819803323059442 .
- ^ Самсон, Р.; и др. (2008). «Развитие энергетических культур для использования в тепловых целях: оптимизация качества топлива, энергетическая безопасность и снижение выбросов парниковых газов». В Пиментеле, Дэвид (ред.). Биотопливо, солнечная энергия и ветер как системы возобновляемой энергетики: преимущества и риски . Берлин: Шпрингер. стр. 395–423 . ISBN 978-1-4020-8653-3 .
- ^ Торрефикация биомассы иногда необходима при использовании биомассы в переработанных FFPS.
- ^ Перейти обратно: а б Renewable Resources Co (9 декабря 2016 г.). «Преимущества и недостатки энергии биомассы» . Коалиция возобновляемых ресурсов . RenewableResourcesCoalition.org.
- ^ Перейти обратно: а б де Сикейра Феррейра, Савио; Нисияма, Милтон; Патерсон, Эндрю; Соуза, Главсия (27 июня 2013 г.). «Биотопливо и энергетические культуры: высокоурожайные сахарины занимают центральное место в эпоху постгеномики» . Геномная биология . 14 (6): 210. doi : 10.1186/gb-2013-14-6-210 . ПМК 3707038 . ПМИД 23805917 . S2CID 17208119 .
- ^ «Биомасса объяснила» . Управления энергетической информации США Федеральная статистическая система . 25 октября 2019 г. Проверено 31 октября 2020 г.
- ^ «Короткая вахта лесного хозяйства» . Лесные исследования . 29 мая 2018 года . Проверено 19 октября 2020 г.
- ^ Углерод почвы под насаждениями проса и возделываемыми пахотными землями (краткое пояснение и техническое резюме) . Служба сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США, 1 апреля 2005 г.
- ^ Уитакер, Жанетт; Филд, Джон Л.; Бернакки, Карл Дж.; Серри, Карлос ЭП; Сеулеманс, Рейнхарт; Дэвис, Кристиан А.; ДеЛюсия, Эван Х.; Доннисон, Иэн С.; МакКалмонт, Джон П.; Паустиан, Кейт; Роу, Ребекка Л.; Смит, Пит; Торнли, Патрисия; Макнамара, Найл П. (март 2018 г.). «Консенсус, неопределенности и проблемы в отношении многолетних биоэнергетических культур и землепользования» . ГКБ Биоэнергетика . 10 (3): 150–164. Бибкод : 2018GCBBi..10..150W . дои : 10.1111/gcbb.12488 . ПМЦ 5815384 . ПМИД 29497458 .
- ^ Милнер, Сюзанна; Холланд, Роберт А.; Ловетт, Эндрю; Сунненберг, Гилла; Гастингс, Эстли; Смит, Пит; Ван, Шифэн; Тейлор, Гейл (март 2016 г.). «Потенциальное воздействие на экосистемные услуги перехода землепользования к биоэнергетическим культурам второго поколения в Великобритании» . ГКБ Биоэнергетика . 8 (2): 317–333. Бибкод : 2016GCBBi...8..317M . дои : 10.1111/gcbb.12263 . ПМЦ 4974899 . ПМИД 27547244 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Г.А. Мансури, Н. Энаяти, Л.Б. Адьярко (2016), Энергия: источники, использование, законодательство, устойчивость, Иллинойс как модельное государство , World Sci. Паб. Ко., ISBN 978-981-4704-00-7
- Энергетические культуры для топлива
- Энергетические культуры в Энергетическом центре биомассы
- Центр устойчивого энергетического земледелия
