Биомасса - это что такое? Определение понятия. Эволюционные изменения биомассы планеты

ЧТО ТАКОЕ БИОГАЗ И БИОМАССА?

В последнее время во всем мире все большее внимание уделяют нетрадиционным с технической точки зрения, возобновляемым источникам энергии (ВИЭ). Для Республики Узбекистан из ВИЭ имеет значение энергия: солнечного излучения, ветра, малых речных потоков, термальных источников, биомассы . Некоторые из них, например, ветер, находили широкое применение и в прошлом, а сегодня переживают второе рождение во многих странах мира, в особенности в странах Европы. Одним из «забытых» видов сырья является и биогаз, использовавшийся еще в Древнем Китае и вновь «открытый» в наше время.

Что же такое биогаз? Этим термином обозначают газообразный продукт, получаемый в результате анаэробной, то есть происходящей без доступа воздуха, ферментации органических веществ самого разного происхождения. В любом крестьянском хозяйстве в течение года собирается значительное количество навоза, ботвы растений, различных отходов. Обычно после разложения их используют как органическое удобрение. Однако мало кто знает, какое количество биогаза и тепла выделяется при ферментации. А ведь эта энергия тоже может сослужить хорошую службу сельским жителям.

Биогаз – смесь газов. Его основные компоненты: метан (СН4% и углекислый газ (СО2) – 28-43%, а также в очень малых количествах другие газы, например – сероводород (Н2S).

В среднем 1 кг органического вещества, при 70% биологическом разложении, производит 0,18 кг метана, 0,32 кг углекислого газа, 0,2 кг воды и 0,3 кг неразложимого остатка.

Свежий навоз животноводческих ферм и жидкие составляющие навоза вместе со сточными водами являются загрязнителями окружающей среды. Повышенная восприимчивость сельскохозяйственных культур к свежему навозу приводит к загрязнению грунтовых вод и воздушного бассейна, создает благоприятную среду для заражения почвы вредными микроорганизмами. В навозе животных жизнедеятельность болезнетворных бактерий и яиц гельминтов не прекращается, содержащиеся в нем семена сорных трав сохраняют свои свойства.

Для устранения этих негативных явлений необходима специальная технология обработки навоза, позволяющая повысить концентрацию питательных веществ и одновременно устранить неприятные запахи, подавить патогенные микроорганизмы, снизить содержание канцерогенных веществ. Перспективным, экологически безопасным и экономически выгодным направлением решения этой проблемы является анаэробная переработка навоза и отходов в биогазовых установках с получением биогаза. Благодаря высокому содержанию метана (до 70%) биогаз может гореть. Оставшаяся после такой естественной переработки органическая масса представляет собой качественное обеззараженное удобрение.

Для переработки используются дешевые отходы сельского хозяйства - навоз животных, помет птицы, солома, отходы древесины, сорная растительность, бытовые отходы и органический мусор, отходы жизнедеятельности человека и т. п.

Полученный биогаз, может идти на отопление животноводческих помещений, жилых домов, теплиц, на получение энергии для приготовления пищи, сушку сельскохозяйственных продуктов горячим воздухом, подогрев воды, выработку электроэнергии с помощью газовых генераторов.

После утилизации содержание питательных веществ в полученном удобрении увеличивается на 15% по сравнению с обычным навозом. При этом в новом удобрении уничтожены гельминты и болезнетворные бактерии, семена сорных трав. Такой навоз применяется без традиционных выдержек и хранения. При утилизации получается также жидкий экстракт, который предназначается для полива кормовых трав, овощей и т. п. Сухое удобрение используется по прямому назначению, при этом урожайность люцерны повышается на 50%, кукурузы на 12, овощей на 20-30%.

Из навоза одной коровы можно получить в сутки до 4,2 м3 биогаза. Энергия, заключенная в одном м3 биогаза, эквивалентна энергии 0,6 м3 природного горючего газа, 0,74 л нефти, 0,65 л дизельного топлива, 0,48 л бензина и т. п. При применении биогаза экономятся также мазут, уголь, электроэнергия и другие энергоносители. Внедрение биогазовых установок улучшает экологическую обстановку на животноводческих фермах, птицефабриках и на прилегающих территориях, предотвращаются вредные воздействия на окружающую среду.

По некоторым данным вклад биомассы в мировой энергетический баланс составляет около 12%, хотя значительная доля биомассы, используемой для энергетических нужд, не является коммерческим продуктом и, как результат, не учитывается официальной статистикой. В странах Европейского Союза, в среднем, вклад биомассы в энергетический баланс составляет около 3%, но с широкими вариациями : в Австрии - 12%, в Швеции - 18%, в Финляндии - 23%.

Первичной биомассой являются растения, произрастающие на суше и в воде. Биомасса образуется в результате фотосинтеза, за счет которого солнечная энергия аккумулируется в растущей массе растений. Энергетический кпд собственно фотосинтеза составляет около 5%. В зависимости от рода растений и климатической зоны произрастания это приводит к различной продуктивности в расчете на единицу площади, занятой растениями.

Для энергетических целей первичная биомасса используется в основном как топливо, замещающее традиционное ископаемое топливо. Причем речь, как правило, идет об отходах лесной и деревоперерабатывающей промышленности, а также об отходах полеводства (солома, сено). Теплотворность сухой древесины достаточно высока, составляя в среднем 20 ГДж/т. Несколько ниже теплотворность соломы, например, для пшеничной соломы она составляет около 17,4 ГДж/т.

В то же время большое значение имеет удельный объем топлива, который определяет размеры соответствующего оборудования и технологию сжигания. В этом отношении древесина значительно уступает, например, углю. Для угля удельный объем составляет около 30 дм3 /ГДж, тогда как для щепы, в зависимости от породы дерева, этот показатель лежит в пределах 250 – 350 дм3 /ГДж; для соломы удельный объем еще больше, достигая 1м3 /ГДж. Поэтому сжигание биомассы требует либо ее предварительной подготовки, либо специальных топочных устройств.

В частности, в ряде стран распространение получил способ уплотнения древесных отходов с превращением их в брикеты или, так называемые, плетки. Оба способа позволяют получить топливо с удельным объемом около 50 дм3/ГДж, что вполне приемлемо для обычного слоевого сжигания. Например, в США годовое производство плеток составляет около 0,7 млн. т, а их рыночная цена - около 6 долл./ГДж при теплотворности около 17 ГДж/т.

В виде топлива может использоваться широкий спектр биомассы. Древесина и сухой навоз являются традиционными сельскими видами топлива и продолжают в большом объеме использоваться во многих регионах мира. Основные виды перечислены в таблице вместе с техникой их использования.

Сжигание биомассы является нейтральным процессом с точки зрения выделения углекислого газа. Растения потребляют углекислый газ в цикле фотосинтеза. Затем он выделяется при горении вещества. Следовательно, выращенный лес и энергетические культуры являются энергетическим ресурсом, который не приводит к концентрации углекислого газа в атмосфере.

В Узбекистане большие площади занимают посевы хлопчатника, кенафа, табака, подсолнечника. И если стебли хлопчатника до сих пор частично использовались как сырье для производства спирта, бумаги, то стебли остальных растений, как правило, просто сжигались. А ведь по природному происхождению и химическому составу они близки к древесине! И это при том, что лесных насаждений в стране очень мало. Ученые Узбекистана разработали технологию получения из этих отходов растениеводства экологически чистых строительных материалов , обладающих хорошими теплоизоляционными свойствами и достаточно высоким сопротивлением к разрыву, что немаловажно для этого сейсмически активного региона.

Биомасса	Описание	Использование энергии
Отходы лесоматериалов		В основном как топливо для котельных
Сельскохозяйственные отходы	Солома, помет, сахарная багасса и т. п.	a) Как топливо для котельных или для выработки энергии б) Производство биоэтанола для транспортного топлива, например, использование сахара в Бразилии.
Энергетические сельскохозяйственные культуры	Быстрорастущая биомасса, выращиваемая специально на топливо, например, ива или мискантус	Получение электроэнергии (всего несколько коммерческих примеров)
Твердые городские отходы	Домашние и коммерческие отходы	a) Широкомасштабное сжигание с получением энергии, используемое для выработки электроэнергии б) Улавливание метана со свалок, используется для выработки электроэнергии и промышленного нагрева.
Сточные воды	Осадки от переработки городских сточных вод	Анаэробное сбраживание осадков сточных вод вырабатывает метан. Используется для выработки электроэнергии.

Биомасса - термин, объединяющий все органические вещества растительного и животного происхождения. Биомасса делится на первичную (растения, животные, микроорганизмы и т. д.) и вторичную - отходы при переработке первичной биомассы и продукты жизнедеятельности человека и животных. В свою очередь отходы также делятся на первичные - отходы при переработке первичной биомассы (солома, ботва, опилки, щепа, спиртовая барда и т. д.) и вторичные - продукты физиологического обмена животных и человека.

ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ БИОГАЗА

В основе биогазовых технологий лежат сложные природные процессы биологического разложения органических веществ в анаэробных (без доступа воздуха) условиях под воздействием особой группы анаэробных бактерий. Эти процессы сопровождаются минерализацией азотсодержащих , фосфорсодержащих и калийсодержащих органических соединений с получением минеральных форм азота, фосфора и калия, наиболее доступных для растений, с полным уничтожением патогенной (болезнетворной) микрофлоры, яиц гельминтов, семян сорняков, специфических фекальных запахов, нитратов и нитритов. Процесс образования биогаза и удобрений осуществляется специальных биореакторах-метантенках.

Один микробиологический способ обезвреживания навоза, да и любых других органических остатков, известен давно - это компостирование. Отходы складывают в кучи, где они под действием микроорганизмов-аэробов понемногу разлагаются. При этом куча разогревается примерно до 60°С и происходит естественная пастеризация - погибает большинство патогенных микробов и яиц гельминтов, а семена сорняков теряют всхожесть.

Но качество удобрения при этом страдает: пропадает до 40 % содержащегося в нем азота и немало фосфора. Пропадает и энергия, потому что впустую рассеивается тепло, выделяющееся из недр кучи, - а в навозе, между прочим, заключена почти половина всей энергии, поступающей на ферму с кормами. Отходы же от свиноферм для компостирования просто не годятся: слишком они жидкие.

Но возможен и другой путь переработки органического вещества - сбраживание без доступа воздуха, или анаэробная ферментация. Именно такой процесс происходит в природном биологическом реакторе, заключенном в брюхе каждой буренки, пасущейся на лугу. Там, в коровьем преджелудке, обитает целое сообщество микробов. Одни расщепляют клетчатку и другие сложные органические соединения, богатые энергией, и вырабатывают из них низкомолекулярные вещества, которые легко усваивает коровий организм. Эти соединения служат субстратом для других микробов, которые превращают их в газы - углекислоту и метан. Одна корова производит в сутки до 500 литров метана; из общей продукции метана на Земле почти четверть - 100-200 млн. тонн в год! - имеет такое "животное" происхождение.

Метанообразующие бактерии - во многом весьма замечательные создания. У них необычный состав клеточных стенок, совершенно своеобразный обмен веществ, свои, уникальные ферменты и коферменты, не встречающиеся у других живых существ. И биография у них особая - их считают продуктом особой ветви эволюции.

Примерно такое сообщество микроорганизмов и приспособили латвийские микробиологи для решения задачи - переработки отходов свиноферм. По сравнению с аэробным разложением при компостировании анаэробы работают медленнее, но зато гораздо экономнее, без лишних энергетических потерь. Конечный продукт их деятельности - биогаз, в котором 60-70 % метана,- есть не что иное, как концентрат энергии: каждый кубометр его, сгорая, выделяет столько же тепла, сколько килограмм каменного угля, и в два с лишним раза больше, чем килограмм дров.

Во всех прочих отношениях анаэробная ферментация ничуть не хуже компостирования. А самое важное - что таким способом прекрасно перерабатывается навоз с ферм. В процессе биологической, термофильной, метангенерирующей обработки органических отходов образуются экологически чистые, жидкие, высокоэффективные органические удобрения. Эти удобрения содержат минерализованный азот в виде солей аммония (наиболее легко усвояемая форма азота), минерализованные фосфор, калий и другие, необходимые для растения биогенные макро - и микроэлементы, биологически активные вещества, витамины , аминокислоты, гуминоподобные соединения, структурирующие почву.

Получаемый биогаз плотностью 1,2 кг/ м3 (0,93 плотности воздуха) имеет следующий состав (%): метан - 65, углекислый газ - 34, сопутствующие газы - до 1 (в том числе сероводород - до 0,1). Содержание метана может меняться в зависимости от состава субстрата и технологии в пределах 55-75 %. Содержание воды в биогазе при 40°С - 50 г/м3; при охлаждении биогаза она конденсируется, и необходимо принять меры к удалению конденсата (осушка газа, прокладка труб с нужным уклоном и пр.).

Энергоемкость получаемого газа - 23 мДж/ м3 , или 5500 ккал/ м3 .

Энергия, запасенная в первичной и вторичной биомассе может конвертироваться в технически удобные виды топлива или энергии несколькими путями.

Получение растительных углеводородов (растительные масла, высокомолекулярные жирные кислоты и их эфиры, предельные и непредельные углеводороды и т. д.).

Термохимическая конверсия биомассы (твердой, до 60%) в топливо: прямое сжигание, пиролиз, газификация, сжижение, фест-пиролиз.

Биотехнологическая конверсия биомассы (при влажности от 75 % и выше) в топливо: низкоатомные спирты, жирные кислоты, биогаз.

Биологическая конверсия биомассы в топливо и энергию развивается по двум основным направлениям:

Ферментация с получением этанола, низших жирных кислот, углеводородов, липидов - это направление давно и успешно используется на практике;

Получение биогаза.

В настоящее время получение биогаза связано, прежде всего с переработкой и утилизацией отходов животноводства, птицеводства, растениеводства, пищевой, спиртовой промышленности, коммунально-бытовых стоков и осадков.

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПРОИЗВОДСТВО БИОГАЗА

Поскольку разложение органических отходов происходит за счет деятельности определенных типов бактерий, существенное влияние на него оказывает окружающая среда. Так, количество вырабатываемого газа в значительной степени зависит от температуры: чем теплее, тем выше скорость и степень ферментации органического сырья. Именно поэтому, вероятно, первые установки для получения биогаза появились в странах с теплым климатом. Однако применение надежной теплоизоляции, а иногда и подогретой воды, позволяет освоить строительство генераторов биогаза в районах, где температура зимой опускается до –20о С.

Существуют определенные требования и к сырью: оно должно быть подходящим для развития бактерий, содержать биологически разлагающееся органическое вещество и в большом количестве воду (90-94 %). Желательно, чтобы среда была нейтральной и без веществ, мешающих действию бактерий: например, мыла, стиральных порошков, антибиотиков .

Для получения биогаза можно использовать растительные и хозяйственные отходы, навоз, сточные воды и т. п. В процессе ферментации жидкость в резервуаре имеет тенденцию к разделению на 3 фракции. Верхняя – корка, образованная из крупных частиц, увлекаемых поднимающимися пузырьками газа, через некоторое время может стать достаточно твердой и будет мешать выделению биогаза. В средней части ферментатора скапливается жидкость, а нижняя, грязеобразная фракция выпадает в осадок.

Бактерии наиболее активны в средней зоне. Поэтому содержимое резервуара необходимо периодически перемешивать – хотя бы один раз в сутки, а желательно – до шести раз. Перемешивание может осуществляться с помощью механических приспособлений, гидравлическими средствами (рециркуляция под действием насоса), под напором пневматической системы (частичная рециркуляция биогаза) или с помощью различных методов самоперемешивания.

БИОГАЗОВЫЕ УСТАНОВКИ

Технологические схемы и конструктивно-технологические параметры биогазовых установок зависят от объемов переработки и свойств сбраживаемого материала, тепловлажностного режима, способов загрузки и перебраживания субстрата и ряда других факторов.

Основное оборудование биогазовой установки - герметически закрытая емкость с теплообменником (теплоноситель - вода, нагретая до 50-60 °С), устройства для ввода и вывода навоза и для отвода газа.

Так как на каждой ферме свои особенности удаления навоза, использования подстилочного материала, теплоснабжения , создать один типовой биореактор невозможно. Конструкция установки во многом определяется местными условиями, наличием материалов. Ниже приведены некоторые возможные конструкции биогазовых учтановок.

Для небольшой установки наиболее простое решение - использовать высвободившиеся топливные цистерны. Схема биореактора на базе стандартной топливной цистерны объемом 50 м3 показана на рисунке. Внутренние перегородки могут быть из металла или кирпича; их основная функция - направлять поток навоза и удлинить путь его внутри реактора, образуя систему сообщающихся сосудов. На схеме перегородки показаны условно; их число и размещение зависят От свойств навоза - от текучести, количества подстилки.

Биореактор экспериментальной газовой станции (утеплитель из древесных опилок условно не показан):

1 - бетонная подставка (2 шт.); 2 - теплоизоляционная «подушка» (2 шт.); 3- обогреватель с термофикационной водой («тепловая рубашка» базовой железнодорожной нефтецистерны); 4 - патрубок приема сырья; 5 - корпус биореактора (цистерна); 6-сырье (жидкий навоз); 7 - вал мешалки с лопастями; 8 - шлюзовая перегородка (4 шт.); 9 - биогаз; 10 - газопроводный патрубок; 11 - переработанная биомасса; 12 - сифонный затвор; 13 - патрубок трубопрово­да переработанной биомассы; 14- цеп­ная передача; 15 - мотор-редуктор (220 В, 3 кВт)

Биореактор из железобетона требует меньше металла, но более трудоемок в изготовлении. Чтобы определить объем биореактора, нужно исходить из количества навоза, которое зависит как от численности и массы животных, так и от способа его удаления: при смыве бесподстилочного навоза общее количество стоков увеличивается во много раз, что нежелательно, так как требует увеличения затрат энергии на подогрев. Если суточное количество стоков известно, нужный объем реактора можно определить, умножив это количество на 12 (поскольку 12 суток - минимальный срок выдержки навоза) и увеличив полученную величину на 10 % (так как реактор следует заполнять субстратом на 90 %).

Ориентировочная суточная производительность биореактора при загрузке навоза с содержанием сухого вещества 4-8 % - два объема газа на объем реактора: биореактор объемом 50 м3 будет давать в сутки 100 м3 биогаза.

Как правило, переработка бесподстилочного навоза от 10 голов крупного рогатого скота позволяет получить в сутки около 20 м3 биогаза, от 10 свиней - 1-3 м3 , от 10 овец,2 м3 , от 10 кроликов - 0,4-0,6 м3. Тонна соломы дает 300 м3 биогаза, тонна коммунально-бытовых отходов - 130 м3. (Потребность в газе односемейного дома, включая отопление и горячее водоснабжение , составляет в среднем 10 м3 в сутки, но может сильно колебаться в зависимости от качества теплоизоляции дома.)

Подогревать субстрат до 40°С можно различными способами. Удобнее всего использовать для этого газовые водонагревательные аппараты АГВ-80 или АГВ-120, снабженные автоматикой для поддержания температуры теплоносителя. При питании аппарата биогазом (вместо природного газа) следует его отрегулировать, уменьшив подачу воздуха. Можно также использовать для подогрева субстрата ночную электроэнергию. Аккумулятором тепла в этом случае служит сам биореактор.

Для уменьшения потерь тепла биореактор необходимо тщательно теплоизолировать. Здесь возможны разные варианты: в частности, можно устроить вокруг него легкий каркас, заполненный стекловатой, нанести на реактор слой пено-полиуретана и пр.

Давление газа, получаемого в биореакторе (100-300 мм вод. ст.), достаточно для его подачи на расстояние до нескольких сотен метров без газодувок или компрессоров.

При запуске биореактора необходимо заполнить его на 90 % объема субстратом и продержать суток, после чего можно подавать в реактор новые порции субстрата, извлекая соответствующие количества ферментированного продукта.

СОЦИАЛЬНЫЕ, ЭКОНОМИЧЕСКИЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ

АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИОГАЗОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Ведущее место по производству биогаза занимает Китай. Начиная с середины 70-х гг., в этой стране ежегодно строилось около миллиона метантенков. В настоящее время их количество превышает 20 млн. штук. КНР обеспечивает 30% национальных потребностей в энергии за счет биогаза.

Второе место в мире по производству биогаза занимает Индия, в которой еще в 30- годы была принята первая в мире программа по развитию биогазовой технологии. На конец 2000 г. в сельских районах Индии было построено свыше 1 млн. метантенков, что позволило улучшить энергообеспеченность ряда деревень, их санитарно-гигиеническое состояние, замедлить вырубку окрестных лесов и улучшить почвы. Сегодня ежедневное производство биогаза в Индии составляет 2,5-3 млн. куб. м.

В Непале создана и активно функционирует национальная биогазовая компания.

Биогазовые установки успешно работают в восьми животноводческих хозяйствах Японии.

Предварительные расчеты показывают, что из 1 тонны растительной биомассы, смешанной с отходами, можно получить 350 куб. м газов (метан, водород) с энергоемкостью 2.1х106 ккал, 430 л жидкого топлива с энергоемкостью 3.08х106 ккал и твердое топливо, эквивалентное 0.2х106 ккал энергии. Таким образом, из 1 тонн такого сырья можно получить 0,1-0,4 тут, а также 0,8-0,9 тонны обеззараженных удобрений.

Сегодня в сельской местности, где особенно ощутим нынешний топливно-энергетический дисбаланс, одинаково необходимы все виды топлива: газообразное - для отопления, жидкое - для функционирования транспорта, твердое - для получения теплоносителей.

Главное, что биогазовая технология переработки и обеззараживания отходов животноводства, себя окупает не только газом и производимым экологически чистым удобрением. Эта технология обеспечивает экологическое благополучие: иначе пришлось бы строить и навозохранилища, очистные сооружения, тратить большие деньги и очень много энергии.

Биореактор объемом 50 м3 дает в сутки 100 м3 биогаза, из которых на долю "товарного" газа, приходится в среднем около 70 м* (остальное идет на подогрев реактора), что составляет 25 тыс. м3 в год - количество, эквивалентное 16,75 т жидкого топлива.

Если капитальные вложения в строительство установки распределить на 15-летний срок ее эксплуатации и учесть эксплуатационные расходы и расходы на ремонт (1 % от стоимости оборудования), то экономия от замены биогазом жидкого топлива очень высокая.

При таком подсчете не учитывается предотвращение загрязнения окружающей среды , а также увеличение урожайности в результате применения получаемого высококачественного удобрения.

Биогазовые технологии решают ряд социально-экономических и природоохранных задач: экономию и комплексность использования топливно-энергетических и других природных ресурсов (земельных и водных); создание новых интенсивных технологий производства сельскохозяйственной продукции вне зависимости от погодно-климатических условий; снижение негативного воздействия теплового загрязнения на окружающую среду.

Особенность биогазовых технологий в том, что они не являются чисто энергетическими, а представляют комплекс, охватывающий решение как энергетических, так и экологических, агрохимических, лесотехнических и других вопросов, и в этом состоит их высокая рентабельность и конкурентоспособность.

Биогаз – это здоровье в вашем доме. В результате утилизации навоза в биогазовых установках, а не складирования его на приусадебных участках, падает уровень заражения среды болезнетворными бактериями. Исчезают неприятные запахи от разложения биоотходов и мухи, личинки которых выводятся в навозе.

Биогаз – это чистота вашей кухни. Пламя от горения газа не коптит и не содержит вредных смол и химических соединений, поэтому кухня и посуда не пачкаются копотью. Снижается риск респираторных и глазных заболеваний, связанных с дымом.

Биогаз – это источник плодородия вашего огорода. Из нитритов и нитратов, содержащихся в навозе и отравляющих ваш урожай, получается чистый азот, который так необходим растениям. При переработке навоза в установке погибают семена сорняков, и при удобрении огорода метановым флюентом (переработанным в установке навозом и органическими отходами) у вас будет уходить гораздо меньше времени на прополку.

Биогаз – доходы из отходов. Пищевые отходы и навоз, которые скапливаются в хозяйстве, являются бесплатным сырьем для биогазовой установки. После переработки мусора вы получаете горючий газ, а также высококачественные удобрения (гуминовые кислоты), являющиеся основными составляющими чернозема.

Биогаз – это независимость. Вы не будете зависеть от поставщиков угля и газа. А еще экономите деньги на этих видах топлива.

Биогаз – это возобновляемый источник энергии. Метан можно использовать для нужд крестьянских и фермерских хозяйств:

Для приготовления пищи;

Для подогрева воды;

Для отопления жилищ (при достаточных количествах исходного сырья – биоотходов).

Сколько же можно получить газа из одного килограмма навоза? Исходя из того, что на кипячение одного литра воды расходуется 26 литров газа:

С помощью одного килограмма навоза крупного рогатого скота можно вскипятить 7,5-15 литров воды;

С помощью одного килограмма навоза свиней – 19 литров воды;

С помощью одного килограмма птичьего помета – 11,5-23 литра воды;

С помощью одного килограмма соломы зернобобовых можно вскипятить 11,5 литров воды;

С помощью одного килограмма картофельной ботвы – 17 литров воды;

С помощью одного килограмма ботвы томатов – 27 литров воды.

Неоспоримое преимущество биогаза – в децентрализованном производстве электроэнергии и тепла.

Процесс биоконверсии кроме энергетической позволяет решить еще две задачи. Во-первых, сброженный навоз по сравнению с обычным применением, повышает на 10-20% урожайность сельскохозяйственных культур. Объясняется это тем, что при анаэробной переработке происходит минерализация и связывание азота. При традиционных же способах приготовления органических удобрений (компостированием) потери азота составляют до 30-40%. Анаэробная переработка навоза в четыре раза - по сравнению с несброженным навозом - увеличивает содержание аммонийного азота (20-40% азота переходит в аммонийную форму). Содержание усвояемого фосфора удваивается и составляет 50% общего фосфора.

Кроме того, во время сбраживания полностью гибнут семена сорняков, которые всегда содержатся в навозе, уничтожаются микробные ассоциации, яйца гельминтов, нейтрализуется неприятный запах, т. е. достигается актуальный на сегодня экологический эффект.

Что такое биомасса, каковы источники ее получения? Что подразумевается под данным термином? В первую очередь отметим, что ее можно считать

Источник энергии

Рассматривая вопрос о том, что такое биомасса, необходимо упомянуть о том, что речь идет обо всех материалах, имеющих растительное происхождение. Для выделения энергии подходят следующие материалы:

• трава;
• древесина;
• древесные и растительные отходы;
• навоз свиней и крупного рогатого скота.

Преимущества биомассы

Так что такое биомасса? Каковы ее преимущества по сравнению с традиционными видами полезных ископаемых? Данный источник энергии обеспечивает энергосбережение, повышает уровень жизни, повышает благосостояние, снижает уровень бедности.

Современные энергетические системы, которые создаются на основе применения зеленой массы, являются потенциальными механизмами избавления жителей сельской местности от бедности. Источники биомассы можно найти в любой деревне, селе. Они позволяют создавать не нанося ущерба экологическому состоянию местности.

Доступность топлива, получаемого из биомассы, способствует развитию энергоемких производств, расположенных вдали от крупных промышленных центров.

Рассуждая над тем, что такое биомасса, заметим, что это ресурс, позволяющий в любой момент получать необходимое количество энергоносителей (биогаза).

Среди недостатков применения травы в качестве источника топлива необходимо упомянуть сезонность, поэтому более выгодным будет использование подобной технологии в теплых регионах.

При рациональном использовании энергии биомассы можно рассчитывать на недорогую электрическую энергию без существенных затрат.

Вопрос является особенно актуальным по причине уменьшения запасов традиционных источников углеводородов.

Старшеклассникам, изучающим экономику, предлагается такой вопрос: «Определите значение терминов: «биомасса», «биотопливо». В качестве ответа подразумевается рассказ об основном компоненте - зеленой траве, торфе, опилках. Подтвердить эффективность применения биомассы в современной экономике можно с помощью математических вычислений.

Примеры расчетов

Можно оценить эффективность использования навоза для получения Учитывая вес крупного рогатого скота, количество навоза, выделяемого за сутки (месяц), объем газа, который можно получить из килограмма коровьего навоза, можно рассчитать общий выход топлива.

Умножив полученный результат на стоимость одного литра дизеля, можно получить денежный эквивалент. Для того чтобы расчеты были полноценными, вычитают все расходы, связанные с приобретением оборудования, а также его установкой и обслуживанием.

Для вычисления окупаемости проекта, его рентабельности потребуются более сложные математические действия.

Поиск альтернативных способов получения энергии является одной из приоритетных задач, поставленных перед отечественными энергетиками. Применение биомассы является одним из способов решения проблемы энергоресурсов.

Биомасса Земли . На суше Земли, начиная от полюсов к экватору, биомасса постепенно увеличивается. Вместе с тем возрастает и количество видов растений. Тундра с лишайниками и мхами сменяется хвойными и широколиственными лесами, затем степями и субтропической растительностью. Наибольшее сгущение и многообразие растений имеет место во влажных тропических лесах. Высота деревьев достигает 110-120м. Растения растут в несколько ярусов, эпифиты покрывают деревья. Количество и разнообразие видов животных зависят от растительной массы и тоже увеличиваются к экватору. В лесах животные расселены в различных ярусах. Наибольшая плотность жизни наблюдается в биогеоценозах, где виды связаны цепями питания. Цепи питания, переплетаясь, образуют сложную сеть передачи химических элементов и энергии от одного звена к другому. Между организмами идет жесточайшее состязание за обладание пространством, пищей, светом, кислородом. Большое влияние на биомассу суши оказывает человек. Под его воздействием сокращаются площади, производящие биомассу.

Биомасса почвы . Почва - среда, необходимая для жизни растений и биогеоценоз с разнообразными мельчайшими живыми организмами. Это рыхлый поверхностный слой земной коры, изменяемый атмосферой и организмами и постоянно пополняемый органическими остатками. Образование живого органического вещества происходит на земной поверхности; разложение органических веществ, их минерализация осуществляются главным образом в почве. Почва образовалась под воздействием организмов и физико-химических факторов. Мощность почвы наряду с поверхностной биомассой и под влиянием ее увеличивается от полюсов к экватору. В северных широтах особое значение имеет перегной.

Распространение биомассы на поверхности суши.

Почва плотно заселена живыми организмами. Вода от дождей, тающих снегов обогащает ее кислородом и растворяет минеральные соли. Часть растворов удерживается в почве, часть выносится в реки и океан. Почва испаряет поднимающуюся по капиллярам грунтовую воду. Происходит движение растворов и выпадение солей в разных почвенных горизонтах.

В почве происходит и газообмен. Ночью при охлаждении и сжатии газов в неё проникает некоторое количество воздуха. Кислород воздуха поглощается животными и растениями и входит в состав химических соединений. Проникший в почву с воздухом азот улавливается некоторыми бактериями. Днем при нагревании почвы выделяются газы: углекислый, сероводород, аммиак. Все процессы, происходящие в почве, входят в круговорот веществ биосферы.

Некоторые виды хозяйственной деятельности человека (химизация сельскохозяйственного производства, переработка нефтепродуктов и др.) вызывают массовую гибель почвенных организмов, играющих важную роль в биосфере.

Биомасса Мирового океана . Гидросфера Земли, или Мировой океан, занимает более 2/3 поверхности планеты. Вода обладает высокой теплоемкостью, делает более равномерной температуру океанов и морей, смягчая крайние изменения температуры зимой и летом. Океан замерзает только у полюсов, но и подо льдом существуют живые организмы.

Вода - хороший растворитель. В состав воды океана входят минеральные соли, содержащие около 60 химических элементов, в ней растворяются поступающие из воздуха кислород и углекислый газ. Водные животные также выделяют при дыхании углекислый газ, а водоросли в процессе фотосинтеза обогащают воду кислородом.

Физические свойства и химический состав вод океана весьма постоянны и создают среду, благоприятную для жизни. Фотосинтез водорослей происходит главным образом в верхнем слое воды - до 100м. Поверхность океана в этой толще заполнена микроскопическими одноклеточными водорослями, образующими микропланктон.

В питании животных океана преимущественное значение имеет планктон. Водорослями и простейшими питаются веслоногие рачки. Рачков поедают сельди и другие рыбы. Сельди идут в пищу хищным рыбам и чайкам. Исключительно планктоном питаются усатые киты. В океане, кроме планктона и свободноплавающих животных, много организмов, прикрепленных ко дну и ползающих по нему. Население дна носит название бентоса. В океане наблюдаются сгущения организмов: планктонное, прибрежное, донное. К живым сгущениям относятся и колонии кораллов, образующие рифы и острова. В океане, особенно на дне его, распространены бактерии, превращающие органические остатки в неорганические вещества. Отмершие организмы медленно оседают на дно океана. Многие из них покрыты кремневыми или известковыми оболочками, а также известковыми раковинами. На дне океана они образуют осадочные породы.

В настоящее время в ряде стран решается проблема добычи из океана пресной воды, металлов и более полного использования его пищевых ресурсов с охраной наиболее ценных животных.

Гидросфера оказывает мощное влияние на всю биосферу. Суточные и сезонные колебания нагревания поверхности суши и океана вызывают циркуляцию тепла и влаги в атмосфере и влияют на климат и круговороты веществ во всей биосфере.

Добыча нефти в морях, перевозка ее в танкерах и другие виды деятельности человека приводят к загрязнению Мирового океана и сокращению его биомассы.

Биомасса - термин, используемый для описания всего органического вещества, полученного путем фотосинтеза, существующего на поверхности Земли. Он включают в себя всю водную и наземную растительность и деревья, и все отходы живых организмов, такие как твердые бытовые отходы, вещества биологического происхождения (сточные воды), отходы лесного хозяйства, животноводства (навоз), сельскохозяйственные отходы и отдельные виды промышленных отходов. Мировые энергетические рынки полагаются в большой степени на ископаемые виды топлива. Биомасса - единственный энергетический ресурс естественного происхождения, содержащий углерод в количестве, достаточном, чтобы применяться в качестве их замены.

В отличие от ископаемого топлива, биомасса - возобновляемый источник энергии. Требуется относительно короткий период времени, чтобы восстановить энергетический ресурс. Биомасса также - единственный возобновляемый источник энергии, выделяющий углекислый газ при переработке. Однако это компенсируется тем, что биомасса была выращена с помощью поглощения углекислого газа из атмосферы в процессе фотосинтеза. Если ресурс биомассы используется устойчиво, то со временем в цикле переработки биомассы не происходит увеличение выброса углерода.

Способы переработки биомассы

Биомасса может быть конвертирована в тепловую энергию, жидкое, твердое или газообразное топливо и другие химические продукты с помощью различных процессов переработки. Сегодня значительная часть электроэнергии из биомассы вырабатывается путем прямого сжигания. При развитии технологий повышение эффективности будет достигаться за счет сжигания смеси биомассы и угля в котлах и внедрения высокоэффективной газификации, систем комбинированного цикла, систем топливных элементов, а также модульных систем.

Известные биоэнергетические технологии: непосредственное сжигание, совместное сжигание, газификация, пиролиз, анаэробное брожение и ферментация.

1. Прямое сжигание

Это, пожалуй, самый простой способ получения энергии из биомассы. Промышленные объекты способны сжечь много видов топлива на основе биомассы, в том числе дрова, сельскохозяйственные отходы, древесную целлюлозу, твердые бытовые отходы. При сжигании в котлах производится пар, который вращает турбину. Последняя приводит во вращение ротор генератора, вырабатывающего электроэнергию. Из-за потенциального накопления золы, которая засоряет котел, снижая его эффективность и увеличивая затраты, только определенные типы материалов биомассы используются для прямого сжигания.

2. Газификация

Газификация - процесс, воздействия на твердое топливо высокой температуры при ограниченном доступе кислорода для получения газообразного топлива. Таким способом получается смесь газов, таких как окись углерода, углекислый газ, азот, водород и метан. После газ используется для привода газовой турбины. Газификация имеет ряд преимуществ над сжиганием твердого топлива. Важный плюс технологии - один из получаемых газов - метан. Он может быть обработан так же, как природный газ, и использоваться для тех же целей.

Преимущество заключается в том, что при газификации производится топливо без примесей. Следовательно, его сжигание вызывает меньше проблем загрязнения. При определенных условиях можно производить синтез-газ - смесь угарного газа и водорода, который может являться сырьем для производства углеводород (например, метана и метанола) для замены ископаемых видов топлива. Сам водород также потенциальное экологически чистое топливо, которое предположительно может заменить нефть и нефтепродукты в обозримом будущем.

3. Пиролиз

В своей простейшей форме пиролиз представляет собой нагревание биомассы с отводом летучих веществ, в результате чего образуется древесный уголь. Этот процесс преобразует исходный материал в более энергоемкий, так как древесный уголь весит в два раза меньше исходной биомассы, но содержит такое же количество энергии, что делает топливо более транспортабельным. Уголь также горит при значительно более высокой температуре, чем исходная биомасса. Это делает его более полезным для производственных процессов. Более сложные методы пиролиза разработаны недавно для сбора летучих веществ, которые в противном случае теряются в системе. Собранные летучие вещества производят газ, который богат водородом и окисью углерода. Эти соединения синтезируются в метан, метанол и другие углеводороды.

Быстрый пиролиз используется для производства бионефти - горючего топлива. Тепло используется для химического преобразования биомассы в синтетическую нефть, которую легче хранить и транспортировать, чем твердые материалы биомассы. Затем ее сжигают для производства электричества. Пиролиз может также преобразовывать биомассу в феноловое масло - химическое вещество, используемое для изготовления древесных клеев, литьевых пластмасс и изоляционной пены.

4. Анаэробное брожение

Анаэробное брожение биомассы осуществляется за счет анаэробных бактерий. Эти микроорганизмы обычно живут на дне болот или в других местах, где нет воздуха, потребляя мертвое органическое вещество с образованием метана и водорода. Мы можем использовать эти бактерии для работы на нас. Подавая органические вещества, такие как навоз животных или сточные воды, в резервуары, называемые варочными, и добавляя туда бактерий, мы можем собирать выделившейся газ, чтобы использовать его в качестве источника энергии. Этот процесс - очень эффективное средство извлечения полезной электроэнергии из биомассы. Как правило, до двух третей энергии топлива из навоза животных можно восстановить.

Другой способ связан со сбором метана из мусорных свалок. Большая часть бытовых отходов биомассы, таких как пищевые отходы или обрезки травы, собираются на местных свалках. В течение нескольких десятилетий анаэробные бактерии в нижних слоях таких свалок разлагают органическое вещество, выделяя метан. Газ может быть извлечен и использован путем установки верхнего упора из непроницаемого слоя глины и установки перфорированных труб, которые будут собирать газ и выводить его на поверхность.

5. Ферментация

На протяжении многих веков люди использовали дрожжи и другие микроорганизмы для ферментации сахара различных растений в этиловый спирт. Производство топлива из биомассы путем ферментации - это лишь продолжение этого процесса. При этом есть возможность использования более широкого спектра растительного материала от сахарного тростника до древесного волокна. Например, отходы от помола пшеницы на мельницах в Новом Южном Уэльсе применяются для производства этанола путем ферментации. Этанол затем смешивается с дизельным топливом для производства топлива, используемого для заправки грузовых автомобилей и автобусов в Австралии.

Технический прогресс неизбежно улучшит этот метод. Например, ученые в Австралии и США заменили дрожжи генетически сконструированными бактериями в процессе ферментации. Эффективность процесса значительно повысилась. Теперь можно перерабатывать отходы бумаги и другие формы древесного волокна в этанол.

Биомасса превращается в топливо, такое как этанол, метанол, биодизель и добавки для риформинга бензинов. Биотопливо используются в чистом виде или в смеси с бензином.

Этанол - наиболее широко используемое биотопливо. Производится путем ферментации биомассы в процессе, подобном пивоварению.

Сегодня большая часть этанола производится из кукурузы. Он смешивается с бензином для увеличения эффективности транспортного средства и уменьшения загрязнения воздуха.

Метанол из биомассы производится путем газификации. Биомасса превращается в синтез-газ, который перерабатывается в метанол. Большая часть метанола производится из природного газа и используется в качестве растворителя, антифриза или для синтеза других химических веществ. Около 38 процентов используется для транспортировки в виде смеси или в риформинге бензинов.

Биодизельное топливо состоит из масел и жиров, которые содержатся в микроводорослях и других растениях. Им заменяют дизельное топливо или разбавляют его.

• < Назад
• Вперёд >

Биологи провели количественный анализ глобального распределения биомассы на Земле, которая суммарно составила 550 миллиардов тонн углерода. Оказалось, что более 80 процентов от этого числа приходится на растения, суммарная биомасса наземных организмов примерно на два порядка больше, чем морских, а доля человека составляет около 0,01 процента, пишут ученые в Proceedings of the National Academy of Sciences .

Количественные данные об общей биомассе всех живых организмов на Земле и ее распределении между отдельными видами - важная информация для современной биологии и экологии: по ним можно исследовать общую динамику и развитие всей биосферы, ее реакцию на происходящие на планете климатические процессы. Как пространственное распределение биомассы (географическое, по глубине и средам обитания видов), так и ее распределение между различными видами живых организмов может служить важным показателем при оценке путей переноса углерода и других элементов, а также экологических взаимодействий или пищевых цепей. Тем не менее, на сегодняшний день количественные оценки распределения биомассы были сделаны либо для отдельных таксонов, либо внутри некоторых экосистем, а достоверных оценок всей биосферы на данный момент сделано не было.

Чтобы получить такие данные, группа ученых из Израиля и США под руководством Рона Мило (Ron Milo) из Института имени Вейцмана провела своеобразную перепись всех видов животных с оценкой их биомассы и географического распределения. Все данные ученые собирали по нескольким сотням актуальных научных статей, после чего обрабатывали эту информацию с помощью разработанной схемы интегрирования с учетом географического распределения видов. В качестве количественного показателя биомассы, приходящейся на различные виды, ученые использовали информацию о массе углерода, которая приходится на различные таксоны (то есть при рассмотрении не учитывалась, например, масса воды). Сейчас все полученные результаты, а также использованные для анализа программы, находятся в открытом доступе, и их можно найти на github .

Принципиальная схема получения данных о глобальном распределении биомассы на основе имеющихся неполных данных с учетом географического распределение параметров окружающей среды

Y. M. Bar-On et al./ Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018

Анализ полученных данных показал, что суммарная биомасса всех живых организмов на Земле составляет примерно 550 миллиардов тонн углерода. При этом ее подавляющую часть содержат представители царства растений: 450 гигатонн углерода - это более 80 процентов от общего числа. На втором месте идут бактерии: примерно 70 миллиардов тонн углерода, - а животные (2 миллиарда тонн) уступают также грибам (12 миллиардов тонн), археям (7 миллиардов тонн) и простейшим (4 миллиарда тонн). Среди животных самая большая биомасса у членистоногих (1 миллиард тонн), а, например, общая биомасса вида Homo sapiens составляет 0,06 миллиардов тонн углерода - это примерно 0,01 процент от всей биомассы на Земле.

Распределение биомассы между представителями разных царств (слева) и внутри царства животных (справа)

Y. M. Bar-On et al./ Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018

Распределение биомассы между различными средами обитания: суммарное для всех живых организмов (слева) и отдельно для представителей различных царств (справа)

Y. M. Bar-On et al./ Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018

Что интересно, максимальная по биомассе доля представителей основных царств обитает в различных средах обитания. Так, большая часть растений - это наземные виды. Максимальная биомасса животных обитает в морях и океанах, а, например, большая часть бактерий и архей находится глубоко под землей. При этом общая биомасса наземных организмов примерно на два порядка больше, чем морских, на которых, по оценкам авторов исследования, приходится всего 6 миллиардов тонн углерода.

Ученые отмечают, что из-за недостатка точной информации полученные данные вычислены с очень большой неопределенностью. Так, достаточно уверенно можно оценить лишь биомассу растений на Земле, а для бактерий и архей полученные данные могут отличаться от действительных и в 10 раз. Тем не менее, неопределенность данных об общей биомассе всех живых организмов на Земле не превышает 70 процентов.

По словам авторов работы, полученные ими результаты основаны на данных из актуальных научных исследований, поэтому могут быть использованы для современных экологических и биологических оценок, даже несмотря на довольно большую погрешность. Ученые также отмечают, что при анализе данных им удалось определить те географические области, для которых на сегодняшний день данных очень мало и необходимы дополнительные исследования. Исследователи надеются, что в будущем уточнение данных позволит не только проводить подобный анализ с достаточным географическим разрешением, но и следить за динамикой изменения подобных распределений с течением времени.

Совсем недавно ученые распределение биомассы в более мелких системах, рассмотрев крупные леса по всей Земле. Оказалось, что более половины всей биомассы леса приходится на всего один процент самых крупных деревьев, большая часть из которых превышает в диаметре 60 сантиметров. При этом для некоторых видов животных в отдельных географических областях уже сейчас удается провести и динамический анализ. Например, в прошлом году европейские экологи изучили биомассу летающих насекомых в национальных парках Германии и , что за 27 лет она снизилась сразу на 76 процентов.

Александр Дубов