Сырье для производства биотоплива

Сырье биомассы для производства энергии может быть получено из растений, выращенных непосредственно для получения энергии, или из частей растений, остатков, отходов переработки и материалов, полученных в результате деятельности животных и человека. Министерство энергетики США провело оценку этого сырья в 2005 г. («Биомасса как сырье для производства биоэнергии и биопродуктов: техническая осуществимость годового предложения в миллиард тонн») и пришло к выводу, что более 1 миллиарда тонн сельскохозяйственного и лесного хозяйства биомасса может быть устойчиво собрана и доставлена ​​на биоперерабатывающие заводы. Сырье можно классифицировать по категориям растений или отходов, по производимым ими энергетическим продуктам или другими способами. В целях обсуждения будет использоваться следующая классификация сырья: сахара/крахмалы, волокна/травы, масло, растительные остатки, навоз и органические отходы, а также древесина и древесная биомасса.

Сахарный тростник источник этанола. Фото: Зейн Р. Хелсел, специалист по распространению сельскохозяйственной энергии, Университет Рутгерса.

Сахарные и крахмальные культуры

Многие из сахарных и крахмальных культур, которые являются кандидатами для производства биотоплива, в настоящее время используются для производства зерна для кормов и продуктов питания или для производства сахара для подсластителей. Крахмалы корнеплодов и клубней обычно используются в качестве основных продуктов питания во всем мире. Эти культуры и их специфические продукты могут быть легко преобразованы с помощью традиционных методов ферментации в этанол и аналогичные спирты для использования в транспорте и других видах топлива.

Конкретными проблемами с большинством этих культур будут конкуренция за продукты питания и необходимость генетических, производственных и технологических модификаций для повышения производства энергии устойчивым образом.

Волокнистые и травяные целлюлозные культуры

Просо. Фото: Деннис Пеннингтон, преподаватель биоэнергетики, Мичиганский государственный университет.

Многие травы и родственные им культуры, которые веками выращивались как сено и пастбища для кормления скота или для сохранения почвы, могут использоваться в качестве энергетических культур. Такие культуры обычно содержат больше клетчатки (целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин) и меньше углеводов, белков и масел. Эти культуры могут быть преобразованы в энергию различными способами, включая прямое сжигание для получения тепла и/или энергии, преобразование целлюлозы в этанол, термохимические процессы для топливных добавок или анаэробное сбраживание метана.

Масличные культуры

В то время как многие культуры производят по крайней мере небольшое количество растительных масел, некоторые культуры производят от 15% до 50%+ масла. Масло можно получить, раздавив семена и выдавив масло. Масло переэтерифицируют для получения биодизеля. Масличные культуры также могут быть преобразованы в ценные биохимические вещества и биоматериалы в качестве альтернативы веществам на основе нефти, что, в свою очередь, сокращает использование ископаемого топлива.

Подсолнухи. Фото: Деннис Пеннингтон, преподаватель биоэнергетики, Мичиганский государственный университет.

Электрический пресс для масличных культур производительностью 4 тонны в сутки. Фото: Джоэл Шумахер, младший специалист по экономике сельского хозяйства Университета штата Монтана.

Процессор биодизеля: 60 галлонов за партию. Фото: Джоэл Шумахер, младший специалист по экономике сельского хозяйства Университета штата Монтана.

• Соя
• Канола/рапс
• Горчица
• Камелина
• Сырье для теплого климата для биодизеля
• Фундук/Фундук

Пожнивные остатки, навоз и органические отходы

Когда зерновые, сахарные, крахмальные или масличные культуры собирают для кормов и пищевых частей, остается значительное количество остатков биомассы.Кукурузная солома, кукурузные початки, пшеница и солома мелкозернистого зерна — это обильные растительные остатки, которые можно превратить в возобновляемое топливо. Ключевой проблемой при удалении пожнивных остатков является устойчивое управление системой растениеводства. Как правило, растительные остатки возвращаются в почву для повышения содержания органического вещества в почве и в целях сохранения почвы и воды. Проводится большое количество исследований, чтобы определить влияние удаления соломы на устойчивость растениеводства, влияние на экосистемные услуги и разнообразие насекомых, позвоночных и микробов.

Навозное сырье. Фото: SharpeShoot.
Анаэробный варочный котел в Шарлотте, штат Вирджиния. Фото: Кара Фицджеральд, Университет штата Мэн.

Навоз является продуктом переваривания растений домашним скотом. В дополнение к их обычному наземному применению для повышения питательной ценности, методы анаэробного сбраживания использовались в течение многих лет для преобразования этих и других органических отходов в метан и родственные газы. Метан, в свою очередь, можно использовать непосредственно для получения тепла сгорания, для заправки газовых турбин или для дополнительной очистки в дополнение к природному газу.

• Биогаз и анаэробное сбраживание

Пищевая промышленность и бытовые отходы, включая ресторанный жир, листья, скошенную траву и другие дворовые отходы, обнаруживаются в значительных количествах в городских районах и могут собираться и преобразовываться в энергию с помощью различных процессов.

• Отработанное и отработанное масло и смазка для биодизеля

Гибридный тополь. Фото: Деннис Пеннингтон, преподаватель биоэнергетики, Мичиганский государственный университет.

Изделия из дерева

Деревья и связанные с ними продукты веками использовались в качестве источника прямого горения для отопления и приготовления пищи. Эти древесные продукты в сухом виде имеют теплотворную способность примерно на две трети по сравнению с углем и примерно на 10% выше по сравнению с биомассой травянистых растений. Древесина и изделия из нее также использовались в качестве источника топлива для газификации и преобразования целлюлозы в этанол.Хотя обычно можно использовать любой источник древесины, в настоящее время проводятся различные исследования по созданию так называемых «энергетических лесов» или «ферм, работающих на древесном топливе».

Авторы этой статьи

• Зейн Хелсел, Университет Рутгерса

Рецензенты

• Коул Густафсон, Государственный университет Северной Дакоты
• Деннис Пеннингтон, Расширение Мичиганского государственного университета, Хикори Корнерс, Мичиган