Begrijp hoe het mogelijk is om organisch afval om te zetten in elektrische energie, de zogenaamde biomassa
Biomassa is alle organische stof van plantaardige of dierlijke oorsprong die wordt gebruikt om energie te produceren, zoals houtskool, brandhout, suikerrietbagasse, onder andere. Aangezien het een verspreide energiebron met een laag rendement is, traditioneel gebruikt in minder ontwikkelde landen, is er een zeker gebrek aan gegevens over de representativiteit van deze energiebron voor de wereldenergiematrix. Volgens een ANEEL-rapport komt echter ongeveer 14% van de energie die in de wereld wordt verbruikt uit deze bron en, volgens een andere studie van de Jornal Brasileiro de Pneumologia, gebruikt 90% van de huizen in plattelandsgebieden in arme landen energie uit het verbranden van biomassa ( hout, houtskool, dierlijke mest of landbouwafval), vooral in Sub-Sahara Afrika en Azië.
Het gebruik van biomassa in thermo-elektrische centrales wordt steeds gebruikelijker en wordt gebruikt om gebieden te bereiken die niet onder het elektriciteitsnet vallen, zoals geïsoleerde plattelandsgemeenschappen. Het gebruik van warmtekrachtkoppelingssystemen, die de opwekking van elektrische energie door middel van biomassa combineren met de opwekking van warmte, waardoor de energie-efficiëntie van productiesystemen toeneemt, komt ook steeds vaker voor.
Wat is warmtekrachtkoppeling?
Biomassa, zoals kolen of brandhout, is wat grote delen van thermo-elektrische generatoren beweegt. Ongeacht het type brandstof en de motor verliezen deze generatoren de meeste energie in de brandstof in de vorm van warmte. Gemiddeld vertegenwoordigt de biomassa-energie die verloren gaat aan het milieu in de vorm van warmte 60% tot 70% van de totale brandstofenergie. Het rendement van de generator is dus ongeveer 30% tot 40%.
Omdat veel gebouwen en industrieën verwarming nodig hebben (voor de interne omgeving of voor het verwarmen van water), is een warmtekrachtkoppelingssysteem ontwikkeld, waarmee de warmte die bij de opwekking van elektriciteit wordt geproduceerd, in de vorm van stoom in het productieproces wordt opgenomen. Het belangrijkste voordeel van dit systeem is de brandstofbesparing voor het verwarmingsproces. De energie-efficiëntie van het systeem neemt dus toe en bereikt tot 85% van de biomassa-energie van de brandstof.
Biomassa in Brazilië
Momenteel is suikerrietbagasse de bron met het grootste potentieel om als biomassa te worden gebruikt bij de opwekking van elektriciteit in het land. De suiker- en alcoholsector genereert een grote hoeveelheid afval, die kan worden gebruikt als biomassa, voornamelijk in warmtekrachtkoppelingssystemen. Andere groentesoorten met een groot potentieel voor de productie van elektriciteit zijn palmolie, die een gemiddelde jaarlijkse productiviteit per hectare heeft die vier keer hoger is dan die van suikerriet, buriti, babassu en andiroba. Ze verschijnen als alternatieven voor de levering van elektriciteit in geïsoleerde gemeenschappen, vooral in het Amazonegebied.
Wanneer ethanol wordt geproduceerd uit suikerriet, wordt ongeveer 28% van het suikerriet omgezet in bagasse. Deze bagasse is een biomassa die veel wordt gebruikt in installaties voor de productie van lagedrukstoom, die wordt gebruikt in tegendrukturbines in extractieapparatuur (63%) en bij elektriciteitsopwekking (37%). De meeste lagedrukstoom die de planten verlaat, wordt gebruikt voor het verwerken en verwarmen van het sap (24%) en in het destillatieapparaat. Gemiddeld heeft elk apparaat zo'n 12 kWh elektriciteit nodig, een waarde die door de biomassa-reststromen zelf geleverd kan worden. Andere landbouwresiduen met een hoog potentieel om als biomassa te worden gebruikt bij de productie van elektriciteit zijn rijstschillen, cashewnoten en kokosnootschillen.
Biomassa conversie routes
De bronnen van biomassa kunnen worden geclassificeerd als: houtige groenten (hout), niet-houtige groenten (sacchariden, cellulosehoudend, zetmeelhoudend en aquatisch), organische reststoffen (landbouwkundig, industrieel, stedelijk) en biovloeistoffen (plantaardige oliën). De omzettingsroutes van biomassa zijn divers en dankzij deze omzettingstechnologieën is het mogelijk om verschillende soorten biobrandstoffen te verkrijgen, zoals ethanol, methanol, biodiesel en biogas. De belangrijkste conversieprocessen van biomassa zijn:
Directe verbranding
Materialen zoals hout en alle soorten organisch afval (landbouw, industrie en stad) kunnen verbrand worden om energie op te wekken. Het verbrandingsproces bestaat uit het omzetten van de chemische energie die in deze biomassabronnen aanwezig is in warmte. Voor energiedoeleinden wordt directe verbranding van biomassa uitgevoerd in ovens en fornuizen. Ondanks het praktische is het directe verbrandingsproces nogal inefficiënt. Bovendien hebben de brandstoffen die in het proces kunnen worden gebruikt over het algemeen een hoge luchtvochtigheid (20% of meer in het geval van brandhout) en een lage energiedichtheid, waardoor opslag en transport moeilijk zijn.
Vergassing
Het is een technologie die wordt toegepast op stedelijk en industrieel organisch afval en hout. Vergassing bestaat uit het omzetten van vaste biomassabronnen in gassen door middel van thermochemische reacties, waarbij hete stoom en lucht of zuurstof worden gebruikt in hoeveelheden die lager zijn dan het minimum voor verbranding. De resulterende gassamenstelling is een mengsel van koolmonoxide, waterstof, methaan, kooldioxide en stikstof, zodat deze verhoudingen variëren afhankelijk van de procesomstandigheden, vooral met betrekking tot de lucht of zuurstof die wordt gebruikt bij de oxidatie. . De brandstof die wordt gegenereerd door de verbranding van deze biomassa is veelzijdiger (kan worden gebruikt in verbrandingsmotoren en ook in een gasturbine) en is schoon (verbindingen zoals zwavel kunnen tijdens het proces worden verwijderd) dan versies met vaste brandstof. Daarnaast,het is mogelijk om synthetisch gas te produceren uit vergassing, dat kan worden toegepast op de synthese van elke koolwaterstof.
Pyrolyse
Pyrolyse, ook bekend als carbonisatie, is het oudste proces waarbij een biomassabron (meestal hout) wordt omgezet in een andere brandstof (houtskool) met een energiedichtheid die twee keer zo hoog is als het bronmateriaal. Ook organische reststromen van agrarische oorsprong worden vaak gepyrolyseerd - in dit geval moeten de reststromen vooraf worden verdicht. De methode bestaat uit het verwarmen van het materiaal in een omgeving waarin er "bijna geen" lucht aanwezig is. Pyrolyse produceert ook brandstofgas, teer en pyro-hout, materialen die veel worden gebruikt in de industriële sector. Het resultaat van het proces verschilt sterk van de toestand van het originele materiaal (hoeveelheid en vochtigheid). Voor de productie van één ton houtskool kan vier tot tien ton brandhout nodig zijn.
Omestering
Het is een chemisch proces dat de biomassa van plantaardige oliën omzet in een tussenproduct, van de reactie tussen twee alcoholen (methanol en ethanol) en een base (natrium- of kaliumhydroxide). De producten voor de omestering van dit type biomassa zijn glycerine en biodiesel, een brandstof die vergelijkbare omstandigheden biedt als diesel en die kan worden toegepast in verbrandingsmotoren, voor voertuigen of stationair gebruik.
Anaërobe spijsvertering
Net als pyrolyse moet anaërobe vertering plaatsvinden in een omgeving met "bijna geen" zuurstof. De oorspronkelijke biomassa wordt afgebroken door de werking van bacteriën, net zoals dat van nature voorkomt bij bijna alle organische verbindingen. Organisch afval, zoals dierlijke mest en bedrijfsafval, kan worden verwerkt door middel van anaerobe vergisting (die optreedt bij afwezigheid van zuurstof) in biovergisters. De werking van de bacteriën veroorzaakt de noodzakelijke verwarming voor de ontleding, maar in koude gebieden of tijden kan het nodig zijn om extra warmte toe te voeren. Het eindproduct van anaerobe vergisting is biogas, dat hoofdzakelijk bestaat uit methaan (50% tot 75%) en kooldioxide. Het geproduceerde effluent kan worden gebruikt als meststof.
Fermentatie
Het is een biologisch proces dat wordt uitgevoerd door de werking van micro-organismen (meestal gisten) die de suikers die aanwezig zijn in biomassabronnen, zoals suikerriet, maïs, bieten en andere groentesoorten, omzetten in alcohol. Het eindresultaat van biomassavergisting is de productie van ethanol en methanol.
Toepasbaarheid van biomassa
Biomassa wordt beschouwd als een hernieuwbare energiebron en is gebruikt om fossiele brandstoffen, zoals olie en steenkool, te vervangen om elektriciteit op te wekken in thermo-elektrische centrales en om een kleinere hoeveelheid vervuilende gassen uit te stoten in vergelijking met niet-hernieuwbare. Ondanks dat het geen fossiele brandstof is, is het verbranden van biomassa volgens een studie een van 's werelds grootste bronnen van giftige gassen, fijnstof en broeikasgassen.
In het geval van verbranding van grote gebieden, of het nu gaat om bossen, savannes of andere soorten vegetatie, leidt de uitstoot van zwavel tot veranderingen in de pH van het regenwater, wat bijdraagt aan het optreden van zure regen. De uitstoot van methaan en kooldioxide draagt bij aan de versterking van het broeikaseffect, en die van kwik leidt tot verontreiniging van waterlichamen en maakt de vorming van methylkwik mogelijk, een stof die schadelijk is voor de menselijke gezondheid.
Herhaalde en langdurige blootstelling aan materiaal dat wordt gegenereerd door het verbrandingsproces van biomassa binnenshuis (houtkachels, open haarden enz.) Is in verband gebracht met een toename van acute luchtweginfecties bij kinderen, wat wordt beschouwd als een belangrijke doodsoorzaak in ontwikkelingslanden. Bovendien wordt het ook geassocieerd met een toename van chronische obstructieve longziekten, pneumoconiose (een ziekte die wordt veroorzaakt door het inademen van stof), longtuberculose, cataract en blindheid. In het geval van het verbranden van rietstro, wordt de bevolking die in het gebied rond de suikerrietoogst woont, ongeveer zes maanden per jaar blootgesteld aan het stof van de verbrande biomassa.
Om deze reden stelt de Nationale Milieuraad (Conama) emissiegrenswaarden vast voor luchtverontreinigende stoffen afkomstig van warmteopwekkingsprocessen door externe verbranding van suikerrietbiomassa, wat het mogelijk maakt om emissies en de sociaal-ecologische gevolgen van het verbranden van biomassa verzachten.
Biomassa biedt ook de mogelijkheid om uit een grote verscheidenheid aan materialen te worden geproduceerd, wat de markt flexibiliteit en zekerheid biedt, in tegenstelling tot fossiele brandstoffen zelf, voornamelijk olie. Een ander punt is dat wanneer ze organisch landbouw-, industrieel en stedelijk afval gebruiken om elektriciteit op te wekken, ze een duurzamere bestemming krijgen dan eenvoudige verwijdering. Volgens een studie zijn de meeste landbouwresten in Brazilië maïs, sojabonen, rijst en tarwe. De eerste twee zijn de grondstoffen die vaak worden gebruikt voor de productie van biodiesel.
Brazilië heeft gunstige voorwaarden voor de productie van energie uit biomassa, zoals het bestaan van grote landbouwgebieden die kunnen worden gebruikt voor de productie van biomassa en die het hele jaar door intense zonnestraling ontvangen. Er is echter bezorgdheid over de productie van biobrandstoffen van de eerste generatie, die de plantaardige grondstof rechtstreeks gebruiken. In dit geval kunnen biobrandstoffen situaties van concurrentie om bouwland met de landbouwsector bestrijden, waardoor de voedselzekerheid van de bevolking in gevaar komt. Een ander probleem met betrekking tot grote stukken land is de kwestie van milieubehoud. Biobrandstoffen kunnen niet alleen concurreren met de landbouw, maar kunnen ook druk uitoefenen op gebieden die bestemd zijn voor milieubehoud.
