stringtranslate.com

Энергетический урожай

Департамент по охране окружающей среды, продовольствию и сельским делам, схема выращивания энергетических культур в Соединенном Королевстве. Энергетические культуры такого рода могут использоваться на обычных электростанциях или специализированных электростанциях, сокращая объем выбросов углекислого газа , получаемого из ископаемого топлива .

Энергетические культуры — это недорогие и не требующие особого ухода культуры, выращиваемые исключительно для производства возобновляемой биоэнергии (не для еды). Культуры перерабатываются в твердое , жидкое или газообразное топливо , такое как пеллеты , биоэтанол или биогаз . Топливо сжигается для выработки электроэнергии или тепла.

Растения обычно классифицируются как древесные или травянистые . Древесные растения включают иву [1] и тополь , травянистые растения включают Miscanthus x giganteus и Pennisetum purpureum (оба известны как слоновая трава ). Травянистые культуры, хотя и меньше деревьев по размеру, хранят примерно в два раза больше CO 2 (в форме углерода) под землей по сравнению с древесными культурами. [2]

С помощью биотехнологических процедур, таких как генетическая модификация , растения можно манипулировать для создания более высоких урожаев. Относительно высокие урожаи также могут быть получены с существующими сортами . [3] : 250  Однако некоторые дополнительные преимущества, такие как снижение сопутствующих затрат (т. е. затрат в процессе производства [4] ) и меньшее использование воды, могут быть достигнуты только при использовании генетически модифицированных культур .

Типы

Твердая биомасса

Слоновая трава ( Miscanthus giganteus ) — экспериментальная энергетическая культура.

Твердая биомасса, часто гранулированная , используется для сжигания на тепловых электростанциях , как отдельно, так и совместно с другими видами топлива. Альтернативно она может использоваться для производства тепла или комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ).

В сельском хозяйстве с коротким оборотом порослевого земледелия (SRC) быстрорастущие виды деревьев, такие как ива и тополь , выращиваются и собираются в короткие циклы от трех до пяти лет. Эти деревья лучше всего растут в условиях влажной почвы. Влияние на местные водные условия нельзя исключать. Следует избегать создания вблизи уязвимых водно-болотных угодий . [5] [6] [7]

Газовая биомасса (метан)

Целые культуры, такие как кукуруза , суданская трава , просо , белый донник и многие другие, могут быть превращены в силос , а затем преобразованы в биогаз . [3] Анаэробные реакторы или биогазовые установки могут быть напрямую дополнены энергетическими культурами после того, как они были засилосованы в силос. Самый быстрорастущий сектор немецкого биофермерства находился в области «Возобновляемых энергетических культур» на почти 500 000 га (1 200 000 акров) земли (2006). [8] Энергетические культуры также могут выращиваться для повышения выхода газа, когда сырье имеет низкое содержание энергии, такое как навоз и испорченное зерно. По оценкам, выход энергии биоэнергетических культур, преобразованных через силос в метан, в настоящее время составляет около 2  ГВт·ч / км 2 (1,8 × 10 10  БТЕ / кв. миля ) в год. Небольшие смешанные сельскохозяйственные предприятия с животными могут использовать часть своих посевных площадей для выращивания и преобразования энергетических культур и поддерживать энергетические потребности всей фермы примерно одной пятой посевных площадей. Однако в Европе и особенно в Германии этот быстрый рост произошел только при существенной государственной поддержке, как в немецкой бонусной системе для возобновляемых источников энергии . [9] Аналогичные разработки по интеграции земледелия и производства биоэнергии с помощью силосного метана были почти полностью проигнорированы в Северной Америке, где политические и структурные проблемы и огромное постоянное стремление к централизации производства энергии затмили позитивные разработки. [ необходима цитата ]

Жидкая биомасса

Биодизель

Кокосы, высушенные на солнце в Кожикоде , Керала , для производства копры, сушеного мяса или ядра кокоса . Кокосовое масло, извлеченное из него, сделало копру важным сельскохозяйственным товаром для многих стран-производителей кокосов. Из него также получают кокосовый жмых, который в основном используется в качестве корма для скота.
Чистый биодизель (Б-100), произведенный из соевых бобов

Европейское производство биодизеля из энергетических культур неуклонно росло в последнее десятилетие, в основном сосредоточенное на рапсе , используемом для получения масла и энергии. Производство масла/биодизеля из рапса охватывает более 12 000 км 2 только в Германии и удвоилось за последние 15 лет. [10] Типичный выход масла в виде чистого биодизеля составляет 100 000 л/км 2 (68 000 галлонов США/кв. милю; 57 000 имп. галлонов/кв. милю) или выше, что делает биодизельные культуры экономически привлекательными, при условии использования устойчивых севооборотов , сбалансированных по питательным веществам и предотвращающих распространение таких болезней, как кила . Выход биодизеля из сои значительно ниже, чем из рапса. [11]

Биоэтанол

Две ведущие непищевые культуры для производства целлюлозного биоэтанола — это просо прутьевидное и гигантский мискантус . В Америке наблюдается озабоченность целлюлозным биоэтанолом, поскольку во многих регионах отсутствует сельскохозяйственная структура, поддерживающая биометан, и отсутствуют кредиты или бонусная система. [ требуется цитата ] Следовательно, много частных денег и надежд инвесторов возлагаются на рыночные и патентоспособные инновации в области ферментативного гидролиза и аналогичных процессов. Травы также являются энергетическими культурами для биобутанола .

Биоэтанол также относится к технологии использования в основном кукурузы (семян кукурузы) для производства этанола напрямую путем ферментации. Однако при определенных полевых и технологических условиях этот процесс может потреблять столько же энергии, сколько и энергетическая ценность производимого им этанола, поэтому он не является устойчивым. Новые разработки в области преобразования зерновой барды (называемой бардой дистиллятов или DGS) в биогаз выглядят многообещающими как средство улучшения низкого энергетического соотношения этого типа процесса производства биоэтанола.

Использование энергетических культур в разных странах

Просо прутьевидное (Panicum virgatum ) ценно для производства биотоплива , сохранения почв и связывания углерода в почвах.

В Швеции часто используют иву и коноплю .

В Финляндии канареечник тростниковидный является популярной энергетической культурой. [12]

Просо прутьевидное ( Panicum virgatum ) — еще одна энергетическая культура. [13] Для производства 1 тонны проса требуется от 0,97 до 1,34 ГДж ископаемой энергии , по сравнению с 1,99–2,66 ГДж для производства 1 тонны кукурузы. [14] Учитывая, что просо прутьевидное содержит приблизительно 18,8 ГДж/ODT биомассы, соотношение выхода и входа энергии для культуры может достигать 20:1. [15]

Использование энергетических культур на тепловых электростанциях

Существует несколько методов снижения загрязнения и сокращения или устранения выбросов углерода электростанциями, работающими на ископаемом топливе . Часто используемый и экономически эффективный метод заключается в переводе завода на работу на другом топливе (например, энергетических культурах/биомассе). В некоторых случаях торрефикация биомассы может принести пользу электростанции, если энергетические культуры/биомасса являются материалом, который будет использовать преобразованная электростанция, работающая на ископаемом топливе. [16] Кроме того, при использовании энергетических культур в качестве топлива и при внедрении производства биоугля тепловая электростанция может даже стать углеродно-отрицательной, а не просто углеродно-нейтральной. Повышение энергоэффективности угольной электростанции также может сократить выбросы.

Аспекты устойчивости

В последние годы биотопливо стало более привлекательным для многих стран в качестве возможной замены ископаемому топливу . Поэтому понимание устойчивости этого возобновляемого ресурса очень важно. Существует множество преимуществ, связанных с использованием биотоплива, таких как сокращение выбросов парниковых газов , более низкая стоимость по сравнению с ископаемым топливом, возобновляемость и т. д. [17] Эти энергетические культуры могут использоваться для выработки электроэнергии. Было показано, что древесная целлюлоза и биотопливо в сочетании со стационарной генерацией электроэнергии очень эффективны. С 2008 по 2013 год мировое производство биотоплива увеличилось на 109%, и ожидается, что оно увеличится еще на 60%, чтобы удовлетворить наши потребности (по данным Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР)/Продовольственной и сельскохозяйственной организации (ФАО)). [18]

Прогнозируемый рост использования/потребности в энергетических культурах ставит вопрос о том, является ли этот ресурс устойчивым. Увеличение производства биотоплива связано с проблемами, связанными с изменениями в землепользовании, воздействием на экосистему (почва и водные ресурсы), и усиливает конкуренцию за земельные площади для выращивания энергетических культур, продуктов питания или кормовых культур. Растения, наиболее подходящие для будущего сырья для биоэнергетики, должны быть быстрорастущими, высокоурожайными и требовать очень мало энергии для роста и сбора урожая и т. д. [18] Использование энергетических культур для производства энергии может быть выгодным из-за их углеродной нейтральности. Они представляют собой более дешевую альтернативу ископаемому топливу, будучи чрезвычайно разнообразными по видам растений, которые могут использоваться для производства энергии. Но вопросы, касающиеся стоимости (дороже, чем другие возобновляемые источники энергии), эффективности и пространства, необходимого для поддержания производства, должны быть рассмотрены и улучшены, чтобы обеспечить повсеместное использование биотоплива. [17]

Углеродная нейтральность

Парниковые газы / CO 2 / углеродная отрицательность для путей производства Miscanthus x giganteus
Энергетическая культура Miscanthus x giganteus , Германия.

Во время роста растений CO 2 поглощается растениями. [19] В то время как обычные лесные насаждения имеют время оборота углерода, охватывающее многие десятилетия, насаждения с коротким оборотом лесного хозяйства (SRF) имеют время оборота 8–20 лет, а насаждения с коротким оборотом порослевого земледелия (SRC) — 2–4 года. [20] Многолетние травы, такие как мискантус или сосновая трава, имеют время оборота 4–12 месяцев. Помимо поглощения CO 2 надземной тканью, биомасса сельскохозяйственных культур также изолирует углерод под землей, в корнях и почве. Как правило, многолетние культуры изолируют больше углерода, чем однолетние культуры, поскольку накопление корней может продолжаться без помех в течение многих лет. Кроме того, многолетние культуры избегают ежегодных процедур обработки почвы (вспашка, перекопка), связанных с выращиванием однолетних культур. Обработка почвы помогает популяциям почвенных микробов разлагать доступный углерод, производя CO 2 .

Было обнаружено, что содержание органического углерода в почве выше под посевами проса, чем под возделываемыми пахотными землями, особенно на глубине ниже 30 см (12 дюймов). [21]

Количество поглощенного углерода и количество выброшенных парниковых газов (ПГ) определит, будет ли общая стоимость жизненного цикла ПГ биоэнергетического проекта положительной, нейтральной или отрицательной. В частности, жизненный цикл с отрицательным уровнем выбросов ПГ/углерода возможен, если общее накопление углерода под землей более чем компенсирует общие выбросы ПГ за жизненный цикл над землей.

Например, для Miscanthus × giganteus углеродная нейтральность и даже отрицательность находятся в пределах досягаемости. Это означает, что урожайность и связанное с ней связывание углерода настолько велики, что на них приходится больше, чем на общие выбросы от сельскохозяйственных операций, выбросов от преобразования топлива и транспортных выбросов. [22] Успешное связывание зависит от мест посадки, поскольку лучшими почвами для связывания являются те, которые в настоящее время испытывают дефицит углерода.

Для Великобритании ожидается успешная секвестрация для пахотных земель на большей части территории Англии и Уэльса, а в некоторых частях Шотландии, из-за уже богатых углеродом почв (существующих лесных массивов), ожидается неудачная секвестрация. Кроме того, для Шотландии относительно более низкие урожаи в этом более холодном климате затрудняют достижение отрицательного уровня CO2. Почвы, уже богатые углеродом, включают торфяники и зрелые леса. Пастбища также могут быть богаты углеродом, и было обнаружено, что наиболее успешная секвестрация углерода в Великобритании происходит под улучшенными пастбищами. [23]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Мола-Юдего, Блас; Аронссон, Пэр (сентябрь 2008 г.). «Модели урожайности для коммерческих плантаций биомассы ивы в Швеции». Биомасса и биоэнергия . 32 (9): 829–837. Bibcode : 2008BmBe...32..829M. doi : 10.1016/j.biombioe.2008.01.002.
  2. ^ Агостини, Франческо; Грегори, Эндрю С.; Рихтер, Гетц М. (15 января 2015 г.). «Секвестрация углерода многолетними энергетическими культурами: решение еще не принято?». BioEnergy Research . 8 (3): 1057–1080. Bibcode : 2015BioER ... 8.1057A. doi : 10.1007/s12155-014-9571-0. PMC 4732603. PMID  26855689. 
  3. ^ ab Ара Киракосян; Питер Б. Кауфман (15 августа 2009 г.). Последние достижения в области биотехнологии растений. Springer. стр. 169. ISBN 9781441901934. Получено 14 февраля 2013 г.
  4. ^ Смит, Ребекка А.; Касс, Синтия Л.; Мазахери, Мона; Секхон, Раджандип С.; Хеквольф, Марлис; Кепплер, Хайди; де Леон, Наталия; Мэнсфилд, Шон Д.; Кепплер, Шон М.; Седбрук, Джон К.; Карлен, Стивен Д.; Ральф, Джон (2 мая 2017 г.). «Подавление CINNAMOYL-CoA REDUCTASE увеличивает уровень монолигнолферулатов, включенных в лигнины кукурузы». Биотехнология для биотоплива . 10 (1): 109. doi : 10.1186/s13068-017-0793-1 . PMC 5414125. PMID  28469705 . 
  5. ^ Хартвич, Йенс (2017). Оценка региональной пригодности короткооборотных порослевых рубок в Германии (диссертация). doi :10.17169/refubium-9817.
  6. ^ Хартвич, Йенс; Бёльшер, Йенс; Шульте, Ахим (24 сентября 2014 г.). «Влияние короткооборотных порослевых насаждений на водные и земельные ресурсы». Water International . 39 (6): 813–825. Bibcode : 2014WatIn..39..813H. doi : 10.1080/02508060.2014.959870. S2CID  154461322.
  7. ^ Хартвич, Йенс; Шмидт, Маркус; Бёльшер, Йенс; Рейнхардт-Имжела, Кристиан; Мурах, Дитер; Шульте, Ахим (11 июля 2016 г.). «Гидрологическое моделирование изменений водного баланса в связи с воздействием производства древесной биомассы на Северо-Германской равнине». Environmental Earth Sciences . 75 (14): 1071. Bibcode :2016EES....75.1071H. doi :10.1007/s12665-016-5870-4. S2CID  132087972.
  8. ^ "Экологическое использование биомассы". Архивировано из оригинала 26 сентября 2021 г. Получено 22 января 2016 г.
  9. ^ Баубёк, Роланд; Карпенштейн-Махан, Марианна; Каппас, Мартин (10 августа 2014 г.). «Вычисление потенциала биомассы кукурузы и двух альтернативных энергетических культур, тритикале и сильфии пронзеннолистной (Silphium perfoliatum L.), с использованием модели сельскохозяйственных культур BioSTAR в регионе Ганновера (Германия)». Environmental Sciences Europe . 26 (1): 19. doi : 10.1186/s12302-014-0019-0 . ISSN  2190-4715. PMC 5044939 . PMID  27752417. 
  10. ^ Умер. «Энергия биомассы».
  11. ^ Киракосян, Ара; Кауфман, Питер Б. (2009). Последние достижения в области биотехнологии растений | SpringerLink (PDF) . doi :10.1007/978-1-4419-0194-1. ISBN 978-1-4419-0193-4.
  12. ^ Справочник для производителей энергии
  13. ^ Организация биотехнологической промышленности (2007). Промышленная биотехнология революционизирует производство этанола как транспортного топлива. Архивировано 12 февраля 2006 г. на Wayback Machine, стр. 3–4.
  14. ^ Дейл Б., Ким С. (2004). «Совокупная энергия и влияние глобального потепления от производства биомассы для биопродуктов». Журнал промышленной экологии . 7 (3–4): 147–62. doi : 10.1162/108819803323059442 .
  15. ^ Сэмсон, Р.; и др. (2008). «Разработка энергетических культур для термальных применений: оптимизация качества топлива, энергетической безопасности и снижения выбросов парниковых газов». В Пиментел, Дэвид (ред.). Биотопливо, солнечная и ветровая энергия как возобновляемые энергетические системы: преимущества и риски . Берлин: Springer. стр. 395–423. ISBN 978-1-4020-8653-3.
  16. ^ Торрефикация биомассы иногда необходима при использовании биомассы в преобразованных FFPS.
  17. ^ ab Renewable Resources Co (9 декабря 2016 г.). «Преимущества и недостатки энергии биомассы». Коалиция по возобновляемым ресурсам . RenewableResourcesCoalition.org.
  18. ^ ab de Siqueira Ferreira, Savio; Nishiyama, Milton; Paterson, Andrew; Souza, Glaucia (27 июня 2013 г.). «Биотопливо и энергетические культуры: высокоурожайные сахарины занимают центральное место в эпоху постгеномики». Genome Biology . 14 (6): 210. doi : 10.1186/gb-2013-14-6-210 . PMC 3707038 . PMID  23805917. S2CID  17208119. 
  19. ^ "Биомасса объяснена". Управление энергетической информации США Федеральная статистическая система Соединенных Штатов . 25 октября 2019 г. Получено 31 октября 2020 г.
  20. ^ "Короткий оборот лесного хозяйства". Forest Research . 29 мая 2018 г. Получено 19 октября 2020 г.
  21. ^ Почвенный углерод под насаждениями проса и возделываемыми пахотными землями (краткое изложение и технический обзор). Служба сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США, 1 апреля 2005 г.
  22. ^ Уитакер, Жанетт; Филд, Джон Л.; Бернакки, Карл Дж.; Серри, Карлос Э.П.; Сеулеманс, Рейнхарт; Дэвис, Кристиан А.; ДеЛусия, Эван Х.; Доннисон, Иэн С.; МакКалмонт, Джон П.; Паустиан, Кит; Роу, Ребекка Л.; Смит, Пит; Торнли, Патрисия; МакНамара, Ниалл П. (март 2018 г.). «Консенсус, неопределенности и проблемы для многолетних биоэнергетических культур и землепользования». GCB Bioenergy . 10 (3): 150–164. Bibcode :2018GCBBi..10..150W. doi :10.1111/gcbb.12488. PMC 5815384 . PMID  29497458. 
  23. ^ Милнер, Сюзанна; Холланд, Роберт А.; Ловетт, Эндрю; Санненберг, Джилла; Хастингс, Эстли; Смит, Пит; Ванг, Шифэн; Тейлор, Гейл (март 2016 г.). «Потенциальное воздействие на экосистемные услуги перехода землепользования к биоэнергетическим культурам второго поколения в Великобритании». GCB Bioenergy . 8 (2): 317–333. Bibcode :2016GCBBi...8..317M. doi :10.1111/gcbb.12263. PMC 4974899 . PMID  27547244. 

Внешние ссылки