Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Департамент окружающей среды, продовольствия и сельского хозяйства энергетических культур схема плантацию в Соединенном Королевстве. Энергетические культуры такого типа могут использоваться на обычных электростанциях или специализированных установках для выработки электроэнергии, снижая количество выбросов углекислого газа, получаемых из ископаемого топлива .

Энергетические культуры - это недорогие и неприхотливые в уходе культуры, выращиваемые исключительно для производства энергии путем сжигания (а не для пищевых продуктов). Урожай перерабатывается в твердое, жидкое или газообразное топливо , такое как пеллеты, биоэтанол или биогаз. Топливо сжигается для выработки электроэнергии или тепла.

Обычно растения делятся на древесные и травянистые . Древесные растения включают иву [1] и тополь , травянистые растения - 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 виде углерода) по сравнению с древесными культурами. [2]

С помощью биотехнологических процедур, таких как генетическая модификация, можно манипулировать растениями для получения более высоких урожаев. Относительно высокая урожайность также может быть получена при использовании существующих сортов . [3] : 250 Однако некоторые дополнительные преимущества, такие как снижение сопутствующих затрат (т. Е. Затрат во время производственного процесса [4] ) и меньшее потребление воды, могут быть достигнуты только за счет использования генетически модифицированных культур .

CO 2 нейтралитет [ править ]

ПГ / CO 2 / углеродный отрицательный фактор для производственных путей Miscanthus x giganteus .
Взаимосвязь между урожайностью над землей (диагональные линии), органическим углеродом почвы (ось X) и потенциалом почвы для успешного / неудачного связывания углерода (ось Y). По сути, чем выше урожай, тем больше земли можно использовать в качестве инструмента снижения выбросов парниковых газов (включая земли с относительно высоким содержанием углерода).

Количество секвестрированного углерода и количество выбрасываемых парниковых газов будут определять, будет ли общая стоимость жизненного цикла парниковых газов для биоэнергетического проекта положительной, нейтральной или отрицательной. В частности, жизненный цикл с отрицательным выбросом парниковых газов / углеродом возможен, если общее накопление углерода под землей более чем компенсирует общие выбросы парниковых газов над землей в течение жизненного цикла. Whitaker et al. оценить , что для Miscanthus × Гигантеуса , углеродной нейтральности и даже негатива находится в пределах досягаемости. По сути, урожайность и связанное с ней связывание углерода настолько высоки, что с лихвой компенсируют выбросы от хозяйственной деятельности, выбросы при преобразовании топлива и выбросы транспорта. На графике показаны два CO 2 отрицательных вида Miscanthus x giganteus.производственные пути, представленные в граммах эквивалента CO 2 на мегаджоуль. Желтые ромбы представляют средние значения. [5]

Следует отметить, что успешное связывание зависит от участков посадки, поскольку лучшими для связывания являются почвы с низким содержанием углерода. Разнообразие результатов, отображаемых на графике, подчеркивает этот факт. [5]

Milner et al. утверждают, что в Великобритании ожидается успешная секвестрация пахотных земель на большей части территории Англии и Уэльса, с неудачной секвестрацией в некоторых частях Шотландии из-за уже богатых углеродом почв (существующих лесных массивов). Кроме того, для Шотландии относительно низкие урожаи в этом более холодном климате затрудняют достижение отрицательного эффекта CO 2 . Почвы, уже богатые углеродом, включают торфяники и спелые леса. Пастбища также могут быть богаты углеродом, и Milner et al. далее утверждают, что наиболее успешное связывание углерода в Великобритании происходит ниже улучшенных пастбищ. [6]

На нижнем графике отображается расчетная урожайность, необходимая для достижения отрицательного содержания CO 2 при различных уровнях насыщения почвы углеродом.

Многолетний, а не однолетний характер посевов мискантуса означает, что ежегодное существенное накопление углерода под землей может продолжаться без нарушения. Отсутствие ежегодной вспашки или перекопки означает отсутствие повышенного окисления углерода и стимуляции популяций микробов в почве, и, следовательно, отсутствие ускоренного преобразования органического углерода в CO 2 в почве каждую весну.

Типы [ править ]

Твердая биомасса [ править ]

Слоновая трава ( Miscanthus giganteus ) - экспериментальная энергетическая культура.

Твердая биомасса, часто гранулированная , используется для сжигания на тепловых электростанциях либо отдельно, либо совместно с другими видами топлива. В качестве альтернативы он может использоваться для производства тепла или комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ).

В сельском хозяйстве с короткими поросльями (SRC) быстрорастущие породы деревьев, такие как ива и тополь , выращиваются и собираются короткими циклами от трех до пяти лет. Эти деревья лучше всего растут в условиях влажной почвы. Не исключено влияние на местные водные условия. Следует избегать создания вблизи уязвимых водно-болотных угодий . [7] [8] [9]

Газовая биомасса (метан) [ править ]

Целые культуры, такие как кукуруза , суданская трава , просо , донник белый и многие другие, можно перерабатывать в силос, а затем превращать в биогаз . [3] Анаэробные варочные котлы или биогазовые установки могут быть напрямую дополнены энергетическими культурами после того, как они были заархивированы в силос. Самым быстрорастущим сектором немецкого биофардинга является область «Возобновляемые источники энергии» на почти 500 000 га (1 200 000 акров) земли (2006 г.). [10]Энергетические культуры также можно выращивать для увеличения урожайности газа, если сырье имеет низкое содержание энергии, например, навоз и испорченное зерно. Подсчитано, что в настоящее время выработка энергии от биоэнергетических культур, преобразованных с помощью силоса в метан, составляет около 2  ГВтч / км 2 (1,8 × 10 10  БТЕ / кв. Миль ) в год. Небольшие предприятия по смешанному земледелию с животными могут использовать часть своих площадей для выращивания и преобразования энергетических культур и обеспечивать потребности всей фермы в энергии, занимая примерно одну пятую площадей. Однако в Европе и особенно в Германии этот быстрый рост произошел только при значительной государственной поддержке, как в немецкой системе бонусов за возобновляемые источники энергии . [11]Аналогичные разработки по интеграции растениеводства и производства биоэнергии с использованием силоса и метана почти полностью игнорировались в Северной Америке, где политические и структурные проблемы и продолжающийся огромный толчок к централизации производства энергии затмили позитивные изменения. [ необходима цитата ]

Жидкая биомасса [ править ]

Биодизель [ править ]

Кокосы, сушеные на солнце в Кожикоде , Керала, для изготовления копры, сушеного мяса или ядра кокоса . Кокосовое масло, извлеченное из него, сделало копру важным сельскохозяйственным товаром для многих стран-производителей кокосов. Он также дает кокосовый жмых, который в основном используется в качестве корма для домашнего скота.
Чистый биодизель (B-100), изготовленный из соевых бобов

Производство биодизеля из энергетических культур в Европе неуклонно росло в последнее десятилетие, в основном сосредоточенное на рапсе, используемом для производства масла и энергии. Производство масла / биодизеля из рапса только в Германии составляет более 12 000 км², а за последние 15 лет оно увеличилось вдвое. [12] Типичный выход масла в виде чистого биодизеля составляет 100 000 л / км 2 (68 000 галлонов США / кв. Миль; 57 000 имп гал / кв. Миль) или выше, что делает биодизельные культуры экономически привлекательными при условии использования устойчивых севооборотов , которые являются питательными веществами. уравновешивают и предотвращают распространение таких болезней, как кала . Урожайность биодизеля из сои значительно ниже, чем у рапса. [13]

Типичное масло, экстрагируемое по массе
ОбрезатьМасло %
копра62
касторовое семя50
кунжут50
ядро арахиса42
ятрофа40
рапс37
пальмовое ядро36
горчичное семя35 год
подсолнечник32
пальмовый плод20
соя14
семена хлопка13

Биоэтанол [ править ]

Двумя ведущими непродовольственными культурами для производства целлюлозного биоэтанола являются просо и гигантский мискантус . В Америке наблюдается озабоченность по поводу целлюлозного биоэтанола, поскольку сельскохозяйственная структура, поддерживающая биометан, отсутствует во многих регионах, без системы кредитов или бонусов. [ необходима цитата ] Следовательно, много частных денег и надежд инвесторов возлагается на рыночные и патентоспособные инновации в ферментном гидролизе и аналогичных процессах. Травы также являются энергетическими культурами для биобутанола .

Биоэтанол также относится к технологии использования в основном кукурузы (семян кукурузы) для производства этанола непосредственно путем ферментации. Однако в определенных полевых и технологических условиях этот процесс может потреблять столько же энергии, сколько и энергетическая ценность производимого им этанола, поэтому он не является устойчивым. Новые разработки в области преобразования барды (называемой бардой дистилляторов или DGS) в биогаз выглядят многообещающими как средство улучшения низкого энергетического коэффициента этого типа процесса биоэтанола.

Использование энергетических культур в разных странах [ править ]

В Швеции часто используют иву и коноплю .

В Финляндии трава канарской тростника - популярная энергетическая культура. [14]

Использование энергетических культур на тепловых электростанциях [ править ]

См. Также: Биомасса § Термические_конверсии

Существует несколько методов уменьшения загрязнения и сокращения или устранения выбросов углерода электростанциями, работающими на ископаемом топливе . Часто используемый и рентабельный метод - переоборудование завода для работы на другом топливе (например, энергетических культурах / биомассе). В некоторых случаях торрефикация биомассы может принести пользу электростанции, если энергетические культуры / биомасса являются материалом, который будет использовать преобразованная электростанция на ископаемом топливе. [15] 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.

Биотопливо и устойчивость [ править ]

В последние годы биотопливо стало более привлекательным для многих стран в качестве возможной замены ископаемого топлива. Поэтому понимание устойчивости этого возобновляемого ресурса очень важно. Использование биотоплива дает множество преимуществ, таких как сокращение выбросов парниковых газов, более низкая стоимость, чем ископаемое топливо, возобновляемые источники энергии и т. Д. [16] Эти энергетические культуры можно использовать для выработки электроэнергии. Доказано, что древесная целлюлоза и биотопливо в сочетании со стационарным производством электроэнергии очень эффективны. За последние 5 лет мировое производство биотоплива увеличилось на 109%, и ожидается, что этот показатель вырастет еще на 60% для удовлетворения наших потребностей (по данным Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) / Продовольствия и сельского хозяйства Организация (ФАО)).[17]

Прогнозируемое увеличение использования / потребности в энергетических культурах вызывает вопрос о том, является ли этот ресурс устойчивым. Увеличение производства биотоплива связано с проблемами, связанными с изменениями в землепользовании, воздействием на экосистему (почву и водные ресурсы), и усугубляет конкуренцию за использование земельного пространства для выращивания энергетических культур, продуктов питания или кормовых культур. Растения, наиболее подходящие для использования в качестве исходного сырья для биоэнергетики, должны быть быстрорастущими, высокоурожайными и требовать очень мало энергии для роста, сбора урожая и т. Д. [17]Использование энергетических культур для производства энергии может быть выгодным из-за их углеродной нейтральности. Он представляет собой более дешевую альтернативу ископаемому топливу, при этом он чрезвычайно разнообразен по видам растений, которые можно использовать для производства энергии. Но вопросы, касающиеся стоимости (дороже, чем другие возобновляемые источники энергии), эффективности и пространства, необходимого для поддержания производства, должны быть рассмотрены и улучшены, чтобы можно было широко использовать биотопливо. [16]

См. Также [ править ]

  • Водорослевое топливо
  • Анаэробное пищеварение
  • Целлюлозный этанол
  • Снижение загрязнения углем
  • Eichhornia crassipes # Биоэнергетика
  • Европейская ассоциация биомассы
  • Мириофиллум
  • Поросль короткого вращения
  • Лесное хозяйство с коротким оборотом
  • Таблица урожайности биотоплива
  • Vegoil

Ссылки [ править ]

  1. ^ Мола-Юдего, Блас; Аронссон, Пар (сентябрь 2008 г.). «Модели урожайности для коммерческих плантаций биомассы ивы в Швеции». Биомасса и биоэнергетика . 32 (9): 829–837. DOI : 10.1016 / j.biombioe.2008.01.002 .
  2. ^ Агостини, Франческо; Грегори, Эндрю С .; Рихтер, Гетц М. (15 января 2015 г.). «Связывание углерода многолетними энергетическими культурами: еще нет решения?» . Биоэнергетические исследования . 8 (3): 1057–1080. DOI : 10.1007 / s12155-014-9571-0 . PMC 4732603 . PMID 26855689 .  
  3. ^ a b Ара Киракосян; Питер Б. Кауфман (2009-08-15). Последние достижения в биотехнологии растений . п. 169. ISBN. 9781441901934. Проверено 14 февраля 2013 года .
  4. ^ Смит, Ребекка А .; Cass, Cynthia L .; Мазахери, Мона; Sekhon, Rajandeep S .; Хекволф, Марлис; Кэпплер, Хайди; де Леон, Наталья; Mansfield, Shawn D .; Kaeppler, Shawn M .; Седбрук, Джон С.; Карлен, Стивен Д .; Ральф, Джон (2 мая 2017 г.). «Подавление CINNAMOYL-CoA REDUCTASE увеличивает уровень монолигнольных ферулятов, включенных в лигнины кукурузы» . Биотехнология для биотоплива . 10 (1): 109. DOI : 10,1186 / s13068-017-0793-1 . PMC 5414125 . PMID 28469705 .  
  5. ^ a b Уитакер, Жанетт; Филд, Джон Л .; Bernacchi, Carl J .; Черри, Карлос EP; Ceulemans, Reinhart; Дэвис, Кристиан А .; DeLucia, Evan H .; Donnison, Iain S .; МакКалмонт, Джон П .; Паустиан, Кейт; Роу, Ребекка Л .; Смит, Пит; Торнли, Патриция; Макнамара, Найл П. (март 2018 г.). «Консенсус, неопределенности и проблемы для многолетних биоэнергетических культур и землепользования» . GCB Bioenergy . 10 (3): 150–164. DOI : 10.1111 / gcbb.12488 . PMC 5815384 . PMID 29497458 .  
  6. ^ Милнер, Сюзанна; Голландия, Роберт А.; Ловетт, Эндрю; Сунненберг, Гилла; Гастингс, Астлей; Смит, Пит; Ван, Шифэн; Тейлор, Гейл (март 2016). «Потенциальное воздействие на экосистемные услуги перехода землепользования на биоэнергетические культуры второго поколения в Великобритании» . GCB Bioenergy . 8 (2): 317–333. DOI : 10.1111 / gcbb.12263 . PMC 4974899 . PMID 27547244 .  
  7. ^ Хартвич, Йенс (2017). Оценка региональной пригодности поросль короткого вращения в Германии (Диссертация). DOI : 10,17169 / refubium-9817 .
  8. ^ Хартвич, Йенс; Бёльшер, Йенс; Шульте, Ахим (24 сентября 2014 г.). «Влияние короткооборотных порослей на водные и земельные ресурсы». Water International . 39 (6): 813–825. DOI : 10.1080 / 02508060.2014.959870 . S2CID 154461322 . 
  9. ^ Хартвич, Йенс; Шмидт, Маркус; Бёльшер, Йенс; Райнхардт-Имджела, Кристиан; Мурах, 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). DOI : 10.1007 / s12665-016-5870-4 . S2CID 132087972 . 
  10. ^ «Экологическое использование биомассы» .
  11. ^ Bauböck, Роланд; Карпенштейн-Мачан, Марианна; Каппас, Мартин (10 августа 2014 г.). «Расчет потенциала биомассы для кукурузы и двух альтернативных энергетических культур, тритикале и чашечного растения (Silphium perfoliatum L.) с помощью модели культуры BioSTAR в районе Ганновера (Германия)» . Науки об окружающей среде Европы . 26 (1): 19. DOI : 10,1186 / s12302-014-0019-0 . ISSN 2190-4715 . PMC 5044939 . PMID 27752417 .   
  12. ^ Умер. «Биомассовая энергия» .
  13. ^ Киракосян, Ара; Кауфман, Питер Б. (2009). Последние достижения в биотехнологии растений | SpringerLink (PDF) . DOI : 10.1007 / 978-1-4419-0194-1 . ISBN  978-1-4419-0193-4.
  14. ^ Справочник для производителей энергии
  15. ^ Торрефикация биомассы иногда требуется при использовании биомассы в преобразованном FFPS
  16. ^ a b Renewable Resources Co. "Преимущества и недостатки энергии биомассы" . Коалиция за возобновляемые ресурсы . RenewableResourcesCoalition.org.
  17. ^ а б де Сикейра Феррейра, Савио; Нишияма, Милтон; Патерсон, Эндрю; Соуза, Глаусия (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 . PMC 3707038 . PMID 23805917 . S2CID 17208119 .   

Внешние ссылки [ править ]

  • Г.А. Мансури, Н. Энаяти, Л. Б. Агиарко (2016), Энергия: источники, использование, законодательство, устойчивость, Иллинойс как модельное государство , World Sci. Паб. Co., ISBN 978-981-4704-00-7 
  • Энергетические культуры для топлива
  • Энергетические культуры в Центре энергии биомассы
  • Центр устойчивого энергетического сельского хозяйства
  • Обзор научных данных об экологическом воздействии возобновляемых источников энергии