Biomasa roślinna to organiczny materiał pochodzenia roślinnego, który może być wykorzystywany jako źródło energii. Jest obiecującym źródłem energii odnawialnej, gdyż bilans emisji dwutlenku węgla jest zerowy. A to dlatego, ponieważ podczas spalania do atmosfery zostaje oddane tyle CO2 ile wcześniej rośliny pobrały z otoczenia.
Biomasę można podzielić ze względu na stan skupienia:
- Stała: W energetyce najczęściej stosowana jest biomasa drzewna w postaci zrębków, trocin, peletów i brykietów. Procesowi spalania poddaje się również korę, słomę oraz rośliny z plantacji, np. wierzbę energetyczną, miskant olbrzymi, topinambur.
- Ciekła: Obejmuje biopaliwa ciekłe, takie jak etanol i olej roślinny.
- Gazowa: Zalicza się tutaj biogaz powstający w procesach zgazowania biomasy drewnianej.
Biomasa roślinna stała
Coraz większą uwagę poświęca się na odpowiednim dobieraniu roślin jako źródle biomasy. Rośliny te, znane jako rośliny energetyczne, muszą charakteryzować się szeregiem cech, aby mogły być efektywnym, opłacalnym i zrównoważonym surowcem energetycznym.
A oto najważniejsze cechy:
- Szybki Wzrost:
- Rośliny energetyczne, takie jak miskant olbrzymi czy wierzba energetyczna, charakteryzują się szybkim tempem wzrostu. To umożliwia efektywne pozyskiwanie biomasy w krótkim czasie.
- Wysoka Produkcja Biomasy:
- Rośliny takie jak kukurydza, trawy energetyczne czy bambus wytwarzają duże ilości biomasy na jednostkę powierzchni.
- Elastyczność w Uprawie:
- Rośliny energetyczne są często elastyczne pod względem warunków uprawy. Mogą rosnąć na glebach, które są mniej przydatne do uprawy tradycyjnych roślin. A poza tym niektóre odmiany potrafią częściowo oczyścić glebę z szkodliwych substancji.
- Odporność na Choroby i Szkodniki:
- Rośliny energetyczne, takie jak wierzby energetyczne, mogą być odporne na choroby i szkodniki, co ogranicza konieczność stosowania pestycydów.
- Zrównoważone Gospodarowanie Zasobami Wodnymi:
- W porównaniu z niektórymi tradycyjnymi roślinami uprawnymi, rośliny energetyczne mogą wymagać mniejszej ilości wody na jednostkę biomasy, co jest ważne w kontekście zrównoważonego zarządzania zasobami wodnymi.
Najważniejszym warunkiem, jaki musi spełniać roślina energetyczna, jest wysoka wartość opałowa. Powinna ona wynosić powyżej 15 MJ/kg.
Zawartość wilgoci obniża wartość opałową paliwa, gdyż część generowanego ciepła jest tracona na ogrzanie i odparowanie wilgoci. Powinna być niższa niż 10 %.
Zawartość popiołu w paliwie niekorzystnie wpływa na wartość energetyczną oraz na przebieg procesu spalania.
Jak właściwe powstaje energia z biomasy?
Rośliny pobierają wodę z gleby oraz dwutlenek węgla z powietrza. Pod wpływem promieniowania słonecznego, z cząsteczek wody i dwutlenku węgla tworzone są cząsteczki glukozy oraz tlen (proces fotosyntezy). Cząsteczki glukozy zapewniają roślinom energię oraz węgiel do budowy komórek i tkanek. Pod wpływem procesów spalania, węgiel który stanowi budulec roślin przetwarzany jest w energię świetlną i cieplną.
Po odpowiednim przygotowaniu materiału, można przystąpić do etapu właściwego – pozyskiwanie energii.
Etapy pozyskiwania energii z biomasy roślinnej – spalanie:
Zbieranie Biomasy:
Biomasa roślinna może pochodzić z różnych źródeł, takich jak drewno, słoma, resztki rolnicze, orzechy czy specjalnie uprawiane rośliny energetyczne.
Magazynowanie i Przygotowanie:
Biomasę przechowuje się w suchym miejscu, aby uniknąć rozkładu przed spaleniem. W przypadku wilgotnej biomasy poddaje sie ją procesowi suszenia. Biomasa o zbyt wysokiej wilgotności ze względów ekonomicznych nie jest wykorzystywana.
Proces suszenia może przebiegać w warunkach naturalnych bądź z wykorzystaniem urządzeń i instalacji, takich jak:
Spalanie w Kotłach:
Współczesne kotły wyposażane są w zaawansowane systemy kontroli i monitoringu, które pozwalają na optymalne zarządzanie procesami spalania. Posiadają systemy oczyszczania spalin, aby zmniejszyć emisję zanieczyszczeń i systemy automatycznego zasypywania paliwem, co zwiększa wygodę obsługi.
Wytwarzanie Ciepła:
Proces spalania generuje ciepło, które może być wykorzystywane do ogrzewania wody lub powietrza. Ogrzewanie wody może prowadzić do produkcji pary, którą można następnie wykorzystać do generowania energii elektrycznej w turbogeneratorach.
Systemy Ciepłownicze:
Generowane ciepło przekazywane jest do systemów ciepłowniczych a stamtąd do budynków.
Biomasa roślinna ciekła
Biomasa ciekła tworzy się w wyniku przetwarzania roślin, takich jak rzepak czy kukurydza na drodze fermentacji alkoholowej lub chemicznej przeróbki olejów roślinnych.
Biodiesel otrzymywany jest w reakcji transestryfikacji trójglicerydów, występujących w olejach roślinnych z alkoholem (najczęściej metanolem).
Coraz większą rolę zaczynają odgrywać metody mikrobiologiczne (transestryfikacja enzymatyczna) polegające na działaniu enzymów wydzielanych przez odpowiednie mikroorganizmy. Biopaliwa otrzymywane za pomocą metod mikrobiologicznych to obiecująca gałąź biotechnologii, która wykorzystuje organizmy takie jak bakterie i glony, do produkcji paliw. Poniżej opisano kilka kluczowych metod ich wykorzystywanych w procesie otrzymywania biopaliw:
1. Fermentacja Mikrobiologiczna:
Fermentacja jest procesem, w którym mikroorganizmy, przede wszystkim bakterie i drożdże, przekształcają substancje organiczne, takie jak cukry, w biopaliwa. Najczęściej stosowanym substratem są cukry z roślin – trzcina cukrowa czy kukurydza. Proces ten można podzielić na etapy:
- Hydroliza: Rozkład złożonych cukrów na proste cukry za pomocą enzymów.
- Fermentacja: Mikroorganizmy przetwarzają cukry na biopaliwo, często w postaci bioetanolu lub biobutanolu.
2. Inżynieria Genetyczna:
Polega na modyfikowaniu genetycznym mikroorganizmów w celu zwiększenia ich zdolności do produkcji biopaliw. Przykładowo, można modyfikować drożdże, aby były bardziej wydajne w przekształcaniu cukrów na bioetanol.
3. Gazyfikacja Mikrobiologiczna:
W procesie tym mikroorganizmy, zwłaszcza bakterie, rozkładają substancje organiczne w warunkach beztlenowych, co prowadzi do produkcji gazów, takich jak metan i dwutlenek węgla. Te gazy mogą być później przetwarzane na biopaliwa gazowe.
4. Hydroliza Celulozy:
Mikroorganizmy, zwłaszcza bakterie celulolityczne, są wykorzystywane do hydrolizy celulozy, czyli rozbijania jej na prostsze cukry.
Proces produkcji biodiesla jest jednym z kluczowych elementów szeroko rozumianych badań nad paliwami odnawialnymi i alternatywnymi. Skuteczność tego procesu zależy od wielu czynników, takich jak rodzaj surowców, zastosowane reakcje chemiczne, katalizatory, a także procesy oczyszczania i kontroli jakości.
Biomasa roślinna gazowa
Formę gazową biomasy można pozyskać poprzez zgazowanie drewna, co prowadzi do uzyskania tzw. gazu drzewnego. Efektem tego procesu jest powstanie gazu, składającego się głównie z wodoru, tlenku węgla i niewielkich ilości metanu oraz niepalnego azotu a także dwutlenku węgla i pary wodnej.
W okresie przed II wojną światową gaz drzewny stał się popularnym źródłem energii a to z powodu utrudnionej dostępności do konwencjonalnych paliw. Stosowano go zarówno do produkcji energii elektrycznej, jak i do napędu pojazdów.
Kogeneracja (równoczesne wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej lub mechanicznej w trakcie tego samego procesu technologicznego) biomasy to tani i ekologiczny sposób produkcji energii cieplnej i elektrycznej.
Zgazowanie biomasy drewnianej
Zgazowanie biomasy drewnianej to proces chemiczny, w którym drewno jest poddawane wysokiej temperaturze w obecności ograniczonej ilości tlenu. Wytworzony gaz napędza silnik spalinowy współpracujący z generatorem energii elektrycznej. Jest to tak zwana piroliza, a w jej efekcie, oprócz gazu powstają także smoła oraz węgiel. Część produktów pirolizy spala się z powietrzem, generując ciepło. Gorący gaz „przechodzi” przez dwa wymienniki ciepła. W pierwszym jest on chłodzony do temperatury około 200°C, a odzyskane ciepło jest natychmiast udostępniane do ogrzewania. Kolejny etap to filtrowanie, czyli oddzielanie cząstek stałych od gazu. Oczyszczony trafia on do drugiego wymiennika, gdzie jego temperatura jest obniżana do 60°C. Następnie po zmieszaniu z powietrzem nadaje się on do napędzania silnika spalinowego współpracującego z generatorem prądu. Ciepło pochodzące z chłodzenia urządzeń może aktywnie służyć do podgrzewania wody użytkowej, wodnego ogrzewania podłogowego oraz wstępnego podgrzewania klimatyzacji.
PODSUMOWANIE
Warto podkreślić, że rośliny energetyczne jako źródło biomasy mają potencjał zrównoważonego wykorzystania, ale ich uprawa i przetwarzanie wymagają odpowiedniego zarządzania, aby unikać negatywnego wpływu na środowisko i konkurencji z produkcją żywności. W praktyce, zrównoważony rozwój tej branży obejmuje uwzględnienie aspektów ekonomicznych, społecznych i środowiskowych.
Metody mikrobiologiczne oferują wiele zalet, takich jak niższe emisje gazów cieplarnianych, ale wymagają również skomplikowanych procedur hodowlanych, kontroli środowiska i optymalizacji genetycznej. Dalsze badania i innowacje w tej dziedzinie mają potencjał przyczynienia się do zrównoważonej produkcji biopaliw.
Biomasa roślinna w formie gazowej stanowi interesujący obszar, który może przyczynić się do zrównoważonej produkcji energii. Jednak, ze względu na skomplikowane procesy, konieczne jest rozwijanie zaawansowanych technologii oraz strategii zarządzania, aby efektywnie wykorzystywać ten potencjał.
Źródła:
https://odr.pl/
https://eon.pl/dla-domu/portal-o-odnawialnych-zrodlach-energii/zielona-energia/energia-biomasy-jak-dziala-jakie-sa-jej-zrodla
https://magazynbiomasa.pl/porownanie-roslin-energetycznych-uprawianych-polsce/
https://instsani.pl/technik-urzadzen-i-systemow-energetyki-odnawialnej/vademecum-energetyki-odnawialnej/biomasa/suszenie-biomasy/
https://gpd24.pl/aktualnosci_promowane_slajder/energia-powstaje-w-wyniku-zgazowania-biomasy/
„Ocena właściwości biomasy wykorzystywanej do celów energetycznych”
Barbara JAGUSTYN, Nina BĄTOREK-GIESA, Blanka WILK – Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla, Zabrze
CHEMIK 2011, 65, 6, 557-563