Proizvodnja energije v kmetijskem sektorju: bioenergija

Kmetijstvo ima poseben odnos do energije, saj lahko tako porablja kot proizvaja energijo [1]. Kmetje lahko pridobivajo energijo iz biomase, s čimer povečajo samooskrbo in zmanjšajo odvisnost od zunanjih vložkov. Viri biomase so široko dostopni in jih je mogoče uporabiti za zamenjavo fosilnih goriv z zanesljivim in obnovljivim lokalnim virom energije. Energijo biomase je mogoče uporabiti za pridobivanje električne energije za ogrevanje, razsvetljavo in gorivo za kmetije. Energija iz biomase lahko zmanjša odvisnost od preobremenjenega električnega omrežja in nadomesti draga goriva, ki se uporabljajo v lokalni industriji. Ta energija ne le prihrani denar, ampak tudi pomaga v boju proti globalnemu segrevanju [2, 3].

Biomasa

Biomasa je opredeljena kot "biološko razgradljiva frakcija proizvodov, odpadkov in ostankov biološkega izvora iz kmetijstva (vključno z rastlinskimi in živalskimi snovmi), gozdarstva in povezanih industrij, vključno z ribištvom in ribogojstvom, kot tudi biološko razgradljiva frakcija industrijskih in komunalnih odpadkov" v Direktivi. 2009/28/ES [4].

Sončna kemična energija je shranjena v biomasi. Rastline ustvarjajo biomaso s fotosintezo. V nasprotju s sistemi na fosilna goriva sta rast in propadanje proizvodnje in izkoriščanje bioenergije iz biomase priznana kot del naravnega cikla, ki se običajno imenuje "ogljično nevtralen" [5].

S 55 % vse obnovljive energije in več kot 6 % svetovne oskrbe z energijo, ki izvira iz sodobne bioenergije, je najpomembnejši vir obnovljive energije na svetu. Med letoma 2010 in 2021 se je uporaba sodobne bioenergije v povprečju povečala za 7 % letno in je v porastu [6].

Viri bioenergije

Viri biomase so viri, na katere naletimo v različnih okoljih in jih lahko najdemo skoraj povsod. Kot je prikazano na sliki 1, viri energije iz biomase vključujejo [7]:

• Les in odpadki pri predelavi lesa, kot so drva, lesni peleti, sekanci, žagovina ter odpadki iz pohištvenih in lesnih obratov ter alkohol iz obratov celuloze in papirja.

• Odpadki in pridelki, vključno s koruzo, sojo, sladkornim trsom, svinčnikom, lesnatimi rastlinami in algami, kot tudi ostanki pridelkov in predelave hrane, predvsem za proizvodnjo biogoriva.

• Prisotnost bioloških materialov v trdnih komunalnih odpadkih, kot so odpadna hrana, ostanki dvorišč ter volna, bombaž in papirni izdelki.

• Proizvodnja bioplina in obnovljivega zemeljskega plina iz živalskega gnoja in človeških odplak

Slika 1: Vrste virov energije iz biomase [8]

Izraba biomase

Dve vrsti izrabe biomase delimo na tradicionalno (klasično) in sodobno. Tradicionalna uporaba biomase je proizvodnja lokalno nabranega lesa, oglja, kmetijskih in živalskih odpadkov z uporabo preprostih tehnik pretvorbe. Proizvodnja tradicionalne metode, ki je običajno manj učinkovita, se uporablja predvsem za kuhanje in ogrevanje. Glede na naraščajoče trende prebivalstva v mnogih državah je zmanjšanje uporabe tradicionalne biomase še vedno težka naloga. Za bolj trajnostno in učinkovito rabo virov biomase so spodbude za sodobno rabo biomase ključnega pomena. Pri sodobni rabi biomase ima prednost proizvodnja rastlin za surovine. Neposredno zgorevanje biomase, proizvedene danes, in posredna uporaba predhodno obdelane, trdne biomase z visoko energijsko gostoto za proizvodnjo električne energije in/ali toplote sta dva primera sodobne uporabe biomase. Spodbude in podpora bioenergijskim tehnologijam se morajo povečati v vsaki državi, da se bo sodobna uporaba bioenergije povečala po vsem svetu [5, 6].

Medtem ko so primarna uporaba biomase električna energija, toplota in transport, druge uporabe biomase vključujejo ponovno uporabo ali trženje stranskih proizvodov, ki nastanejo med procesi biomase. Naslednje industrije uporabljajo biomaso [5]:

Energetski sektor: Biomasa se uporablja za proizvodnjo električne energije v obliki trdnih snovi, tekočin in plinov.

Industrijski sektor: V tej industriji se energija iz biomase uporablja za različne naloge, vključno s proizvodnjo pare, soproizvodnjo, procesnim ogrevanjem, hlajenjem, razsvetljavo in ogrevanjem.

Prometni sektor: Biogoriva zagotavljajo alternativna goriva, zlasti za cestni in zračni promet.

Gradbeni sektor: Uporablja se predvsem za ogrevanje in kuhanje v tej industriji.

Pretvarjanje biomase v energijo

Za pretvorbo biomase v bioenergijo se uporabljajo različne metode pretvorbe. Uporabljene tehnologije so prilagojene fizični strukturi, kemični sestavi in energijskim zahtevam surovine. Bioplin, biodizel, bioetanol in sintetični plin nastajajo kot rezultat različnih metod pretvorbe surovin iz biomase. Ti stranski proizvodi se uporabljajo za proizvodnjo toplote, elektrike in transporta [5].

Kot je prikazano na sliki 2, se za pretvorbo biomase v energijo uporabljajo različni postopki, vključno z [7]:

• Toplotna pretvorba - direktno zgorevanje

• Termokemična pretvorba

• Kemična pretvorba

• Biološka pretvorba

Slika 2: Tehnologije pretvorbe biomase [9]

Najpogostejša metoda za pretvorbo biomase v koristno energijo je neposredno zgorevanje. Hitra kemična reakcija gorljivih komponent v biomasi s kisikom je znana kot zgorevanje. To je kemična reakcija, ki proizvaja toploto, pa tudi ogljikov dioksid, vodno paro in nekatere kovinske okside kot stranske produkte [10]. Peči in kotli se običajno uporabljajo za proizvodnjo pare za uporabo v sistemih daljinskega ogrevanja/hlajenja ali za pogon turbin za proizvodnjo električne energije. Vso biomaso je mogoče sežgati neposredno za ogrevanje zgradb in vode, ogrevanje industrijskih sistemov in proizvodnjo električne energije v parnih turbinah. Čeprav so bili za povečanje učinkovitosti razviti novi kurilni sistemi, je pridobljena toplota običajno blizu toplote, ki bi jo proizvedli iz premoga srednje kakovosti, odvisno od vrste biomase [7, 8, 11].

Termokemična pretvorba je postopek uporabe toplote za ustvarjanje različnih vrst trdnih, tekočih ali plinastih goriv. Piroliza in uplinjanje sta dve vrsti termokemične pretvorbe biomase. Piroliza je najstarejši in najpreprostejši način pridobivanja plina iz biomase. Opredeljen je kot niz kemičnih in fizikalnih dogodkov, ki se zgodijo pri segrevanju lesa na 900 oC v odsotnosti kisika. Posledica pirolize so plini, katran, organske spojine, voda in oglje. Torefikacija je tako kot piroliza pretvorba biomase z uporabo toplote v odsotnosti kisika, vendar pri nižjih temperaturah, kot jih običajno uporablja piroliza. Temperature pri torefikaciji se običajno gibljejo med 200 in 320 oC [9]. Uplinjanje je postopek pridobivanja gorljivega plina z visokotemperaturno razgradnjo trdnih snovi, kot je biomasa, ki vsebuje ogljik. Med tem procesom se biomasa zgoreva z zrakom, ki se nadzorovano dovaja v gorivne celice. Izdelki vključujejo gorljive pline, kot sta vodik in metan, pa tudi ogljikov monoksid, ogljikov dioksid in dušik. Obe metodi sta procesa termične razgradnje, pri katerih se surovine biomase segrejejo na visoke temperature v zaprtih posodah pod tlakom, znanih kot uplinjevalci. Razlikujejo se predvsem po procesnih temperaturah in količini kisika, ki je na voljo med procesom pretvorbe [12, 13].

Kemična pretvorba vključuje uporabo kemičnih sredstev za pretvorbo biomase v tekoča goriva. Kemijska pretvorba biomase je proces pretvorbe biomase v druge oblike uporabne energije s kemičnimi interakcijami. Najpogostejša vrsta kemične pretvorbe je transesterifikacija. Transesterifikacija je kemična reakcija, ki veže maščobne kisline iz olj, masti in masti na alkohol. Ta postopek zmanjša viskoznost maščobnih kislin in jih naredi vnetljive. Biodizel, glicerin in mila so pogosti stranski produkti transesterifikacije. Biodizel je mogoče izdelati iz skoraj katerega koli bioolja (kot je sojino olje), živalske maščobe ali loja ali drevesnega olja [9].

Biokemijska pretvorba opisuje postopek uporabe encimov bakterij ali drugih mikroorganizmov za razgradnjo biomase. Ključni procesi biokemične pretvorbe vključujejo anaerobno presnovo in fermentacijo [11]. Anaerobna presnova je proces uporabe mikroorganizmov v okoljih brez kisika za razgradnjo organskega materiala. Običajna tehnika za pridobivanje bioplina, bogatega z metanom in ogljikom, iz ostankov pridelkov, ostankov hrane in gnoja (človeškega in živalskega). Anaerobna presnova se pogosto uporablja pri nadzoru emisij na odlagališčih in čiščenju odpadne vode. Obstaja več stopenj anaerobne presnove. Za prvo pretvorbo ogljikovih hidratov v oblike, ki jih lahko prebavijo druge bakterije, bakterije uporabljajo postopek, imenovan hidroliza. Druga skupina bakterij uporablja proizvedene sladkorje in aminokisline za proizvodnjo ogljikovega dioksida, vodika, amoniaka in organskih kislin. Nato metan in ogljikov dioksid proizvajajo dodatne bakterije [9]. Z uporabo kvasovk kot procesa fermentacije se ogljikovi hidrati pretvorijo v alkohol, predvsem v etanol, znan tudi kot bioetanol. Celoten postopek je razdeljen na več korakov. V prvi fazi se pridelki zdrobijo ali zmeljejo in pomešajo z vodo, da nastane gnojevka. Nato se z uporabo toplote in encimov zmleti materiali spremenijo v bolj fino gnojevko. Dodatni encimi so dodani procesu pretvorbe sladkorja iz škroba v glukozo. Nato se sladki brozgi dodajo kvasovke, preden se prečrpa v fermentacijsko komoro. Po 48 do 50 urah se fermentirana tekočina destilira, da se preostale trdne snovi ločijo od alkohola [14].

Prednosti in slabosti energije iz biomase

Uporaba biomase ima tako kot vsaka druga oblika pridobivanja energije tako prednosti kot slabosti. Bioenergija ima ogromen potencial med alternativnimi viri energije in lahko zagotavlja neprekinjeno energijo. Druga prednost je enostavno shranjevanje bioenergije. Sledi nekaj prednosti energije iz biomase [5, 15, 16]:

• Kot naravna sestavina cikla uporaba biomase zmanjša količino ogljika, sproščenega v ozračje, v primerjavi z drugimi fosilnimi gorivi.

• Biomasa lahko pretvori odpadke v obnovljiv vir energije, ker družba nenehno proizvaja odpadke.

• Iz biomase je mogoče proizvesti številne količine energije za različne namene.

• Skoraj povsod je veliko virov biomase.

• Po virskem potencialu je biomasa med najpomembnejšimi viri obnovljive energije.

• V nasprotju z drugimi viri energije imajo elektrarne na biomaso visoko razpoložljivost in lahko delujejo neprekinjeno, saj lahko delujejo pri osnovni obremenitvi.

• Z uporabo trajnostnih metod biomasa izboljša kakovost tal, zraka in vode. Na primer, z obnovo degradiranih zemljišč lahko uporaba surovin biomase izboljša tla. Poleg številnih okoljskih prednosti, ki jih lahko nudi biomasa, tudi upočasnjuje hitrost podnebnih sprememb.

• Lokalna proizvodnja in predelava goriva iz biomase zmanjšujeta odvisnost od uvoza pri porabi energije in spodbujata lokalno gospodarstvo z ustvarjanjem delovnih mest. zmanjšanje kopičenja odpadkov

• Uporaba trdnih odpadkov pomaga zmanjšati nastajanje odpadkov. Posledično se zmanjšajo zahteve po zemljišču na odlagališčih in stroški odlaganja.

Najresnejša težava, s katero se sooča sektor biomase, je pomanjkanje dolgoročnih in doslednih politik ter negotovost, ki jo povzroča nepredvidljivost prihodnjih predpisov in spodbud. Slabosti biomase so navedene spodaj [5, 15]:

• Nekatera biogoriva je treba okrepiti s fosilnimi gorivi, da se poveča učinkovitost, čeprav bioenergija ni dovolj učinkovita.

• Čeprav je biomasa ogljično nevtralna, se ob uporabi nekaterih njenih odpadkov proizvaja metan, ki je škodljiv za okolje.

• Krčenje gozdov za proizvodnjo energije uničuje gozdne površine in ogroža biotsko raznovrstnost.

• Izgube proizvodnje lahko nastanejo zaradi poslovodstva in osebja, ki upravlja bioenergijske naprave, ki nimajo potrebnega strokovnega znanja iz industrije.

• Vsake vrste odpadkov ni mogoče neposredno uporabiti kot biomaso. Za učinkovitejšo uporabo odpadkov je treba spodbujati ločevanje odpadkov.

Viri

1. Lacirignola C. and Graziano da Silva J., Energy and Agri-Food Systems: Production and Consumption, in Mediterra : Zero waste in the Mediterranean. Natural resources, food and knowledge. FAO (Rome, Italie), CIHEAM (Paris, France). Presses de Sciences Po. 409 p. . 2016.

2. Stephen Herbert, M.H., Carrie Chickering-Sears, Sarah Weis, Jacqui Carlevale, Katie Campbell-Nelson, Renewable Energy Production on Farms UMass Extension Crops, Dairy, Livestock, Equine, 2016. CDLE Pub 09-54

3. IFC, Converting Biomass to Energy, Guide for Developers and Investors, I.F. Corporation, Editor. 2017: USA.

4. Di Fraia, S., et al., Energy potential of residual biomass from agro-industry in a Mediterranean region of southern Italy (Campania). Journal of Cleaner Production, 2020. 277: p. 124085.

5. PWC. Biyokütle ve Biyoenerji Sektörlerine Genel Bakış. 2021; Available from: https://www.pwc.com.tr/tr/sektorler/enerji/biyokutle-ve-biyoenerji-sektorlerine-genel-bakis-web.pdf.

6. IEA, Bioenergy, IEA, Paris https://www.iea.org/reports/bioenergy, License: CC BY 4.0. 2022.

7. EIA. Biomass - Basics, The U.S. Energy Information Administration (EIA). 2022 11.02.2023]; Available from: https://www.eia.gov/energyexplained/biomass/#:~:text=Biomass%20sources%20for%20energy%20include,from%20pulp%20and%20paper%20mills.

8. Çağlayan, E., Ö. Ataç, and V. Çoban, Biyoenerji Her Yerde. Bilim ve Teknoloji, 2009. Mayıs

9. Williams, C. Biomass Conversation. 2010 13.03.2023]; Available from: https://web.archive.org/web/20190120125347/http://www.wgbn.wisc.edu/conversion/.

10. Glushkov, D.O., et al., Composition of gas produced from the direct combustion and pyrolysis of biomass. Process Safety and Environmental Protection, 2021. 156: p. 43-56.

11. Tursi, A. and F. Olivito, 1 - Biomass conversion: general information, chemistry, and processes, in Advances in Bioenergy and Microfluidic Applications, M.R. Rahimpour, et al., Editors. 2021, Elsevier. p. 3-39.

12. Wiese, A., Biomass Combustionbion for Electricity Generation, in Encyclopedia of Sustainability Science and Technology, R.A. Meyers, Editor. 2012, Springer New York: New York, NY. p. 1231-1268.

13. Abdurrahman, G., Biomass Conversion Technologies for Bioenergy Generation: An Introduction, in Biotechnological Applications of Biomass, B. Thalita Peixoto, B. Thiago Olitta, and B. Luiz Carlos, Editors. 2020, IntechOpen: Rijeka. p. Ch. 1.

14. Brethauer, S. and M.H. Studer, Biochemical Conversion Processes of Lignocellulosic Biomass to Fuels and Chemicals - A Review. Chimia (Aarau), 2015. 69(10): p. 572-81.

15. Rahman, S.R., et al., Overview of biomass energy. International Journal of Engineering Research Technology, 2013. 2(11).

16. Rosillo-Calle, F., Overview of biomass energy, in The biomass assessment handbook. 2012, Routledge. p. 23-48.