Was ist Biomasse? Vor- und Nachteile kennen

Verstehen Sie, wie es möglich ist, organische Abfälle in elektrische Energie umzuwandeln, die sogenannte Biomasse

Biomasse

Biomasse ist alles organische Material pflanzlichen oder tierischen Ursprungs, das zur Energieerzeugung verwendet wird, wie z. B. Holzkohle, Brennholz, Zuckerrohrbagasse. Da es sich um eine verstreute und wenig effiziente Energiequelle handelt, die traditionell in weniger entwickelten Ländern verwendet wird, fehlen Daten zur Repräsentativität dieser Energiequelle für die Weltenergiematrix. Laut einem ANEEL-Bericht stammen jedoch rund 14% des weltweiten Energieverbrauchs aus dieser Quelle. Laut einer anderen Studie des Jornal Brasileiro de Pneumologia verbrauchen 90% der Haushalte in ländlichen Regionen in armen Ländern Energie aus der Verbrennung von Biomasse ( Holz, Holzkohle, Tierdung oder landwirtschaftliche Abfälle), insbesondere in Afrika südlich der Sahara und in Asien.

Die Verwendung von Biomasse in thermoelektrischen Anlagen wird immer häufiger und wird verwendet, um Gebiete zu erreichen, die nicht vom Stromversorgungsnetz abgedeckt werden, wie beispielsweise isolierte ländliche Gemeinden. Der Einsatz von KWK-Anlagen, die die Erzeugung elektrischer Energie durch Biomasse mit der Erzeugung von Wärme verbinden und so die Energieeffizienz von Produktionssystemen erhöhen, wird ebenfalls immer häufiger.

Was ist KWK?

Biomasse wie Kohle oder Brennholz bewegt große Teile thermoelektrischer Generatoren. Unabhängig von der Art des Kraftstoffs und des Motors verlieren diese Generatoren den größten Teil der im Kraftstoff enthaltenen Energie in Form von Wärme. Im Durchschnitt macht die in Form von Wärme an die Umwelt verlorene Biomasseenergie 60% bis 70% der gesamten Brennstoffenergie aus. Somit liegt der Wirkungsgrad des Generators bei etwa 30% bis 40%.

Da viele Gebäude und Industrien eine Heizung benötigen (für die innere Umgebung oder zum Erhitzen von Wasser), wurde ein KWK-System entwickelt, durch das die bei der Stromerzeugung entstehende Wärme in Form von Dampf in den Produktionsprozess einbezogen wird. Der Hauptvorteil dieses Systems ist die Kraftstoffeinsparung für den Heizprozess. Dadurch steigt die Energieeffizienz des Systems und erreicht bis zu 85% der Biomasseenergie des Kraftstoffs.

Biomasse in Brasilien

Derzeit ist die Zuckerrohr-Bagasse die Ressource mit dem größten Potenzial, als Biomasse bei der Stromerzeugung des Landes verwendet zu werden. Der Zucker- und Alkoholsektor erzeugt eine große Menge Abfall, der hauptsächlich in KWK-Systemen als Biomasse verwendet werden kann. Andere Gemüsesorten mit großem Potenzial für die Stromerzeugung sind Palmöl, dessen durchschnittliche jährliche Produktivität pro Hektar viermal höher ist als die von Zuckerrohr, Buriti, Babassu und andiroba. Sie erscheinen als Alternativen für die Stromversorgung in isolierten Gemeinden, insbesondere im Amazonasgebiet.

Wenn Ethanol aus Zuckerrohr hergestellt wird, werden etwa 28% des Rohrs in Bagasse umgewandelt. Diese Bagasse ist eine Biomasse, die üblicherweise in Anlagen zur Erzeugung von Niederdruckdampf verwendet wird und in Gegendruckturbinen in Extraktionsanlagen (63%) und zur Stromerzeugung (37%) verwendet wird. Der größte Teil des Niederdruckdampfes, der die Pflanzen verlässt, wird für den Prozess und das Erhitzen des Safts (24%) und in der Destillationsapparatur verwendet. Im Durchschnitt benötigt jedes Gerät etwa 12 kWh Strom, ein Wert, der von den Biomasserückständen selbst geliefert werden kann. Andere landwirtschaftliche Rückstände mit hohem Potenzial zur Verwendung als Biomasse bei der Stromerzeugung sind die Reisschale, die Cashewnussschale und die Kokosnussschale.

Umwandlungswege für Biomasse

Die Biomassequellen können klassifiziert werden als: Holzgemüse (Holz), Nichtholzgemüse (Saccharide, Zellulose, Stärke und Wasser), organische Rückstände (Landwirtschaft, Industrie, Stadt) und Biofluide (Pflanzenöle). Die Umwandlungswege für Biomasse sind vielfältig, und dank dieser Umwandlungstechnologien können verschiedene Arten von Biokraftstoffen wie Ethanol, Methanol, Biodiesel und Biogas gewonnen werden. Die wichtigsten Prozesse zur Umwandlung von Biomasse sind:

Direkte Verbrennung

Materialien wie Holz und alle Arten von organischen Abfällen (landwirtschaftlich, industriell und städtisch) können zur Energieerzeugung verbrannt werden. Der Verbrennungsprozess besteht darin, die in diesen Biomassequellen vorhandene chemische Energie in Wärme umzuwandeln. Aus energetischen Gründen erfolgt die direkte Verbrennung von Biomasse in Öfen und Öfen. Trotz der Praktikabilität ist der direkte Verbrennungsprozess tendenziell ziemlich ineffizient. Darüber hinaus weisen die Brennstoffe, die in dem Prozess verwendet werden können, im Allgemeinen eine hohe Luftfeuchtigkeit (20% oder mehr bei Brennholz) und eine niedrige Energiedichte auf, was die Lagerung und den Transport erschwert.

Vergasung

Es ist eine Technologie, die auf städtische und industrielle organische Abfälle und Holz angewendet wird. Die Vergasung besteht darin, feste Biomassequellen durch thermochemische Reaktionen in Gase umzuwandeln, wobei heißer Dampf und Luft oder Sauerstoff in weniger als minimalen Mengen für die Verbrennung verwendet werden. Die resultierende Gaszusammensetzung ist ein Gemisch aus Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Methan, Kohlendioxid und Stickstoff, so dass diese Anteile je nach Prozessbedingungen variieren, insbesondere in Bezug auf die Luft oder den Sauerstoff, die bei der Oxidation verwendet werden . Der bei der Verbrennung dieser Biomasse erzeugte Kraftstoff ist vielseitiger (er kann in Verbrennungsmotoren und auch in einer Gasturbine verwendet werden) und sauberer (Verbindungen wie Schwefel können während des Prozesses entfernt werden) als die Festbrennstoffversionen. Außerdem,Es ist möglich, synthetisches Gas aus der Vergasung herzustellen, das bei der Synthese eines beliebigen Kohlenwasserstoffs angewendet werden kann.

Pyrolyse

Die Pyrolyse, auch als Karbonisierung bekannt, ist der älteste Prozess zur Umwandlung einer Biomassequelle (typischerweise Holz) in einen anderen Brennstoff (Holzkohle) mit einer doppelt so hohen Energiedichte wie das Ausgangsmaterial. Auch organische Rückstände landwirtschaftlichen Ursprungs werden häufig einer Pyrolyse unterzogen - in diesem Fall müssen die Rückstände vorher verdichtet werden. Das Verfahren besteht darin, das Material in einer Umgebung zu erhitzen, in der "fast keine Luft" vorhanden ist. Bei der Pyrolyse werden auch Brenngas, Teer und Pyroholz erzeugt, Materialien, die im Industriesektor weit verbreitet sind. Das Ergebnis des Prozesses unterscheidet sich stark vom Zustand des Originalmaterials (Menge und Luftfeuchtigkeit). Für die Herstellung einer Tonne Holzkohle werden möglicherweise vier bis zehn Tonnen Brennholz benötigt.

Umesterung

Es ist ein chemischer Prozess, der die Biomasse von Pflanzenölen aus der Reaktion zwischen zwei Alkoholen (Methanol und Ethanol) und einer Base (Natrium- oder Kaliumhydroxid) in ein Zwischenprodukt verwandelt. Die Umesterungsprodukte dieser Art von Biomasse sind Glycerin und Biodiesel, ein Kraftstoff, der ähnliche Bedingungen wie Diesel aufweist und in Verbrennungsmotoren für Fahrzeuge oder stationäre Zwecke eingesetzt werden kann.

Anaerobe Gärung

Wie bei der Pyrolyse muss die anaerobe Verdauung in einer Umgebung mit "nahezu fehlender" Sauerstoffzufuhr stattfinden. Die ursprüngliche Biomasse wird durch die Einwirkung von Bakterien zersetzt, so wie es bei fast allen organischen Verbindungen natürlich vorkommt. Organische Abfälle wie Tierdung und Industrieabfälle können in Biodigestern durch anaerobe Vergärung (die in Abwesenheit von Sauerstoff auftritt) behandelt werden. Die Wirkung der Bakterien bewirkt, dass die notwendige Erwärmung für die Zersetzung auftritt. In Regionen oder Zeiten der Kälte kann jedoch die Anwendung zusätzlicher Wärme erforderlich sein. Das Endprodukt der anaeroben Vergärung ist Biogas, das im Wesentlichen aus Methan (50% bis 75%) und Kohlendioxid besteht. Das erzeugte Abwasser kann als Dünger verwendet werden.

Fermentation

Es ist ein biologischer Prozess, der durch die Einwirkung von Mikroorganismen (normalerweise Hefen) ausgeführt wird, die den in Biomassequellen wie Zuckerrohr, Mais, Rüben und anderen Gemüsearten vorhandenen Zucker in Alkohol umwandeln. Das Endergebnis der Biomassefermentation ist die Produktion von Ethanol und Methanol.

Anwendbarkeit von Biomasse

Biomasse gilt als erneuerbare Energiequelle und wurde verwendet, um fossile Brennstoffe wie Öl und Kohle zu ersetzen, Strom in thermoelektrischen Anlagen zu erzeugen und im Vergleich zu nicht erneuerbaren Brennstoffen weniger Schadgase zu emittieren. Obwohl es sich nicht um einen fossilen Brennstoff handelt, ist die Verbrennung von Biomasse laut einer Studie eine der weltweit größten Quellen für giftige Gase, Partikel und Treibhausgase.

Bei der Verbrennung großer Flächen, sei es in Wäldern, Savannen oder anderen Arten von Vegetation, führt die Schwefelemission zu Änderungen des pH-Werts des Regenwassers, was zum Auftreten von saurem Regen beiträgt. Die Emissionen von Methan und Kohlendioxid tragen zur Intensivierung des Treibhauseffekts bei, und die von Quecksilber führt zur Kontamination von Gewässern und ermöglicht die Bildung von Methylquecksilber, einer gesundheitsschädlichen Substanz.

Eine wiederkehrende und längere Exposition gegenüber Material, das bei der Verbrennung von Biomasse in Innenräumen (Holzöfen, Kamine usw.) entsteht, wurde mit einer Zunahme akuter Infektionen der Atemwege bei Kindern in Verbindung gebracht, die als Haupttodesursache angesehen wird in Entwicklungsländern. Darüber hinaus ist es auch mit einer Zunahme von chronisch obstruktiven Lungenerkrankungen, Pneumokoniose (durch Einatmen von Staub verursachte Krankheit), Lungentuberkulose, Katarakten und Blindheit verbunden. Bei der Verbrennung von Rohrstroh ist die Bevölkerung in der Umgebung der Zuckerrohrernte das ganze Jahr über etwa sechs Monate lang dem Staub der verbrannten Biomasse ausgesetzt.

Aus diesem Grund legt der Nationale Umweltrat (Conama) Emissionsgrenzwerte für Luftschadstoffe aus Wärmeerzeugungsprozessen bei der externen Verbrennung von Zuckerrohrbiomasse fest, die es ermöglichen, Emissionen zu regulieren und Minderung der mit der Verbrennung von Biomasse verbundenen sozio-ökologischen Auswirkungen.

Biomasse bietet auch die Möglichkeit, aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt zu werden, was dem Markt im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen, insbesondere Öl, Flexibilität und Sicherheit bietet. Ein weiterer Punkt ist, dass sie bei der Verwendung von ökologischen landwirtschaftlichen, industriellen und städtischen Abfällen zur Stromerzeugung ein „nachhaltigeres“ Ziel erhalten als die einfache Entsorgung. Einer Studie zufolge sind die meisten landwirtschaftlichen Rückstände in Brasilien Mais, Sojabohnen, Reis und Weizen. Die ersten beiden sind die Rohstoffe, die häufig für die Herstellung von Biodiesel verwendet werden.

Brasilien hat günstige Bedingungen für die Erzeugung von Energie aus Biomasse, beispielsweise die Existenz großer landwirtschaftlicher Flächen, die zur Erzeugung von Biomasse genutzt werden können, und erhält das ganze Jahr über intensive Sonneneinstrahlung. Es bestehen jedoch Bedenken hinsichtlich der Herstellung von Biokraftstoffen der ersten Generation, bei denen der pflanzliche Rohstoff direkt verwendet wird. In diesem Fall könnten Biokraftstoffe den Wettbewerb um Ackerland mit dem Agrarsektor bekämpfen und die Ernährungssicherheit der Bevölkerung gefährden. Ein weiteres Problem im Zusammenhang mit großen Landstrichen ist das Thema Umweltschutz. Biokraftstoffe könnten nicht nur mit der Landwirtschaft konkurrieren, sondern auch Druck auf Gebiete ausüben, die für den Umweltschutz bestimmt sind.