Производња енергије у пољопривредном сектору: биоенергија — Модул 6

Пољопривреда има посебан однос са енергијом јер може и да троши и производи енергију [1]. Пољопривредници могу да генеришу своју енергију из биомасе, повећавајући самодовољност и смањујући ослањање на спољне инпуте. Ресурси биомасе су широко доступни и могу се користити за замену фосилних горива поузданим и обновљивим локалним извором енергије. Енергија биомасе се може користити за производњу електричне енергије за грејање, осветљење и гориво за фарме. Енергија биомасе може смањити ослањање на преоптерећену електричну мрежу и заменити скупа горива која се користе у локалној индустрији. Ова енергија не само да штеди новац већ и помаже у борби против глобалног загревања [2, 3].

Биомаса

Биомаса је Директивом 2009/28/ЦЕ [4] дефинисана као "биоразградиви део производа, отпада и остатака биолошког порекла из пољопривреде (укључујући биљне и животињске супстанце), шумарства и сродних индустрија укључујући рибарство и аквакултуру, као и биоразградиви део индустријског и комуналног отпада".

Сунчева хемијска енергија се складишти у биомаси. Биљке стварају биомасу фотосинтезом. За разлику од система на фосилна горива, производња и коришћења биоенергије из биомасе препознати су као део природног циклуса који се обично назива „угљенички неутралан“ [5].

Са 55% све обновљиве енергије и преко 6% светског снабдевања енергијом из савремене биоенергије, то је најзначајнији извор обновљиве енергије у свету. Између 2010. и 2021. употреба савремене биоенергије се повећавала у просеку за 7% годишње и даље је у порасту [6].

Извори биоенергије

Ресурси биомасе су ресурси на које наилазимо у различитим окружењима и могу се наћи скоро свуда. Као што је приказано на слици 1, извори енергије биомасе укључују [7]:

Дрво и отпадне производе од прераде дрвета, као што су огревно дрво, дрвени пелети, ивер, пиљевина и отпадни производи из фабрика намештаја и дрвета, као и алкохол из фабрика целулозе и папира.
Усеве и отпадне производе из пољопривредне производње, укључујући кукуруз, соју, шећерну трску, траву, дрвенасте биљке и алге, као и остатке усева и прераде хране, углавном за стварање биогорива.
Присуство биолошких материјала у чврстом комуналном отпаду, као што су отпадна храна, украси за двориште и производи од вуне, памука и папира.
Производња биогаса и обновљивог природног гаса из животињског стајњака и људске канализације

Слика 1: Типови извора енергије биомасе [8]

Искоришћавање биомасе

Заступљена су два типа коришћења биомасе: традиционални (класични) и модерни. Традиционална употреба биомасе је производња локално сакупљеног дрвета, дрвеног угља, пољопривредног отпада и животињског отпада коришћењем једноставних техника конверзије. Резултат традиционалне методе, који је обично мање ефикасан, првенствено се користи за кување и грејање. С обзиром на трендове раста становништва у многим земљама, смањење употребе традиционалне биомасе и даље представља тежак задатак. За одрживије и ефикасније коришћење ресурса биомасе, критични су подстицаји за модерно коришћење биомасе. Производња биљака за сировину је приоритет у савременом коришћењу биомасе. Директно сагоревање биомасе која се данас производи, као и индиректно коришћење претходно обрађене, чврсте биомасе са великом густином енергије за производњу електричне и/или топлотне енергије, два су примера модерног коришћења биомасе. Подстицаји и подршка биоенергетским технологијама треба да се повећају у свакој земљи да би модерно коришћење биоенергије порасло на глобалном нивоу [5, 6].

Док су примарне примене биомасе производња електричне енергије, топлоте и транспорт, примене биомасе у друге сврхе укључују поновну употребу или маркетинг нуспроизвода који настају током процеса биомасе. Следеће индустрије користе биомасу [5]:

Енергетски сектор: Биомаса се користи за производњу електричне енергије у облику чврстих материја, течности и гасова.

Индустријски сектор: У овој индустрији, енергија из биомасе се користи за различите намене, укључујући производњу паре, когенерацију, процесно грејање, хлађење, осветљење и грејање.

Саобраћајни сектор: Биогорива обезбеђују алтернативна горива, посебно за друмски и ваздушни транспорт.

Грађевински сектор: Користи се првенствено за грејање и кување у овој индустрији.

Претварање биомасе у енергију

За претварање биомасе у биоенергију користе се различите методе конверзије. Коришћене технологије су прилагођене физичкој структури сировине, хемијском саставу и енергетским захтевима. Биогас, биодизел, биоетанол и синтетички гас се производе као резултат различитих метода конверзије примењених на сировине биомасе. Ови нуспроизводи се користе за производњу топлоте, електричне енергије и транспорта [5].

Као што је приказано на слици 2, различити процеси се користе за претварање биомасе у енергију, укључујући [7]:

• Топлотну конверзију – директно сагоревање

• Термохемијску конверзију

• Хемијску конверзију

Слика 2: Технологије конверзије биомасе [9]

Најчешћи метод за претварање биомасе у корисну енергију је директно сагоревање. Брза хемијска реакција запаљивих компоненти у биомаси са кисеоником позната је као сагоревање. То је хемијска реакција која производи топлоту, као и угљен-диоксид, водену пару и неке металне оксиде као нуспроизводе [10]. Пећи и котлови се обично користе за производњу паре за употребу у системима даљинског грејања/хлађења или за погон турбина за производњу електричне енергије. Сва биомаса се може директно сагоревати за грејање зграда и воде, грејати индустријске системе, као и производити електричну енергију у парним турбинама. Иако су развијени нови системи сагоревања ради повећања ефикасности, добијена топлота је приближно слична топлоти која би се произвела из угља средњег квалитета у зависности од врсте биомасе [7, 8, 11].

Термохемијска конверзија је процес коришћења топлоте за стварање различитих врста чврстих, течних или гасовитих горива. Пиролиза и гасификација су две врсте термохемијске конверзије биомасе. Пиролиза је најстарији и најједноставнији метод за добијање гаса из биомасе. Дефинише се као низ хемијских и физичких догађаја који настају при загревању дрвета на 900^о C. Пиролиза доводи до настајања гасова, катрана, органских једињења, воде и дрвеног угља. Торрефакција, попут пиролизе, је конверзија биомасе коришћењем топлоте у одсуству кисеоника, али на нижим температурама него што пиролиза обично користи. Температуре у торефикацији се обично крећу између 200 и 320^оC [9]. Гасификација је процес добијања запаљивог гаса високотемпературном разградњом чврстих материја као што је биомаса која садржи угљеник. Током овог процеса, биомаса се сагорева ваздухом који се на контролисан начин доводи у гориву ћелију. Производи укључују запаљиве гасове као што су водоник и метан, као и угљен моноксид, угљен-диоксид и азот. Обе методе су процеси термичке декомпозиције у којима се сировина биомасе загрева на високе температуре у затвореним посудама под притиском познатим као гасификатори. Оне се првенствено разликују по температурама процеса и количини кисеоника доступном током процеса конверзије [12, 13].

Хемијска конверзија укључује употребу хемијских средстава за претварање биомасе у течна горива. Хемијска конверзија биомасе је процес претварања биомасе у друге облике употребљиве енергије путем хемијских интеракција. Најчешћи тип хемијске конверзије је трансестерификација. Трансестерификација је хемијска реакција која повезује масне киселине из уља, масти и масти за алкохол. Овај процес смањује вискозитет масних киселина и чини их запаљивим. Биодизел, глицерин и сапуни су уобичајени нуспроизводи трансестерификације. Биодизел се може направити од скоро сваког био-уља (као што је сојино уље), животињске масти или лоја, или уља од дрвета [9].

Биохемијска конверзија представља процес коришћења ензима бактерија или других микроорганизама за разградњу биомасе. Кључни процеси биохемијске конверзије укључују анаеробну дигестију и ферментацију [11]. Анаеробна дигестија је процес коришћења микроорганизама у срединама без кисеоника за разлагање органског материјала. Уобичајена техника за производњу биогаса богатог метаном и угљеником из остатака усева, остатака хране и стајњака (људског и животињског). Анаеробна дигестија се често користи у контроли емисија на депонијама и третману отпадних вода. Постоји неколико фаза анаеробног варења. Да би прво претвориле угљене хидрате у облике које друге бактерије могу да пробаве, бактерије користе процес који се назива хидролиза. Друга група бактерија користи произведене шећере и аминокиселине за производњу угљен-диоксида, водоника, амонијака и органских киселина. Затим, метан и угљен-диоксид производе додатне бактерије [9]. Користећи квасце као процес ферментације, угљени хидрати се претварају у алкохол, пре свега етанол, такође познат као биоетанол. Цео процес је подељен у неколико корака. У првој фази, материјал од усева се дроби или меље и меша са водом да би се створила каша. Затим, користећи топлоту и ензиме, млевени материјали се претварају у финију кашу. Додатни ензими се додају у процес конверзије шећера из скроба у глукозу. Након тога, у шећерну кашу се додају квасци пре него што се унесе у комору за ферментацију. После 48 до 50 сати, ферментисана течност се дестилује да би се одвојиле преостале чврсте материје од алкохола [14].

Предности и недостаци енергије биомасе

Употреба биомасе, као и сваки други облик производње енергије, има како предности тако и недостатке. Биоенергија има огроман потенцијал међу алтернативним изворима енергије и може да обезбеди континуирану енергију. Још једна предност је што се биоенергија лако складишти. Неке од предности енергије биомасе су [5, 15, 16]:

• Као природна компонента циклуса, употреба биомасе у поређењу са другим фосилним горивима, смањује количину угљеника који се ослобађа у атмосферу.

• Биомаса може да трансформише отпад у обновљиви извор енергије јер друштво непрекидно производи отпад.

• Бројне излазне енергије из биомасе могу се произвести за различите намене.

• Скоро свуда има обилних залиха биомасе.

• У погледу ресурсног потенцијала, биомаса је међу најзначајнијим изворима обновљиве енергије.

• За разлику од других извора енергије, електране на биомасу имају високу расположивост и могу да раде непрекидно јер могу да раде при базном оптерећењу.

• Када се користе одрживе методе, биомаса побољшава квалитет земљишта, ваздуха и воде. На пример, обнављањем деградираних земљишта, коришћење сировина биомасе може се побољшати земљиште. Поред бројних еколошких предности које биомаса може понудити, она такође успорава стопу климатских промена.

• Локална производња и прерада горива из биомасе смањује ослањање на увоз у потрошњи енергије и подстиче локалну економију стварањем радних места.

• Коришћење чврстог отпада помаже у смањењу стварања отпада. Као резултат тога, смањени су и захтеви за депонијом и трошкови одлагања.

Најозбиљније питање са којим се суочава сектор биомасе је недостатак дугорочних и конзистентних политика, као и неизвесност коју ствара непредвидивост будућих прописа и подстицаја. Недостаци биомасе су наведени у наставку [5, 15]:

• Нека биогорива треба да буду појачана фосилним горивима да би се повећала ефикасност иако биоенергија није довољно ефикасна.

• Иако је биомаса угљенично неутрална, гас метан настаје када се користи део његовог отпада, што је лоше за животну средину.

• Крчење шума за производњу енергије уништава шумске површине и угрожава биодиверзитет.

• Губици у производњи могу бити последица тога што менаџмент и особље које управља биоенергетским постројењима нема потребну стручност у индустрији.

• Не може се свака врста отпада директно користити као биомаса. Да би се отпад искористио ефикасније, треба подстицати сегрегацију отпада.

Референце

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.