Энергетический урожай - Energy crop

А Департамент окружающей среды, продовольствия и сельского хозяйства Схема плантации энергетических культур в Соединенном Королевстве. Энергия посевы такого рода могут использоваться на обычных электростанциях или специализированных установках по производству электроэнергии, уменьшая количество ископаемое топливо -полученный углекислый газ выбросы.

Энергия посевы недорогие и не требующие особого ухода культуры, выращиваемые исключительно для производства энергии горение (не для еды). Урожай перерабатывается в твердое, жидкое или газообразное состояние. топливо, например пеллеты, биоэтанол или биогаз. Топливо сжигается для выработки электроэнергии или тепла.

Растения обычно классифицируются как древесный или же травянистый. Древесные растения включают ива[1] и тополь, травянистые растения включают Мискантус x гигантский и Pennisetum purpureum (оба известны как слоновая трава ). Травянистые культуры, хотя физически меньше деревьев, хранят примерно в два раза больше CO.2 (в виде углерода) под землей по сравнению с древесными культурами.[2]

Через биотехнологический такие процедуры как генетическая модификация растениями можно манипулировать для получения более высоких урожаев. Относительно высокие урожаи также могут быть получены с помощью существующих сорта.[3]:250 Однако некоторые дополнительные преимущества, такие как снижение сопутствующих затрат (т. Е. Затрат во время производственного процесса[4] ) и меньшее потребление воды может быть достигнуто только за счет использования генетически модифицированные культуры.

CO2 нейтралитет

ПГ / CO2 / углеродный отрицательный для Мискантус x гигантский производственные пути.
Взаимосвязь между урожайностью над землей (диагональные линии), органическим углеродом почвы (ось X) и потенциалом почвы для успешного / неудачного связывания углерода (ось Y). По сути, чем выше урожай, тем больше земли можно использовать в качестве инструмента снижения выбросов парниковых газов (включая земли с относительно высоким содержанием углерода).

Количество секвестрированного углерода и количество выбрасываемых парниковых газов будут определять, будет ли общая стоимость жизненного цикла парниковых газов для биоэнергетического проекта положительной, нейтральной или отрицательной. В частности, жизненный цикл с отрицательными выбросами парниковых газов / углерода возможен, если общее накопление углерода под землей более чем компенсирует общие выбросы парниковых газов над землей за весь жизненный цикл. Whitaker et al. оцените, что для Мискантус × гигантский, углеродная нейтральность и даже негатив в пределах досягаемости. По сути, урожайность и связанное с ней связывание углерода настолько высоки, что с лихвой компенсируют выбросы от хозяйственной деятельности, выбросы при преобразовании топлива и выбросы от транспорта. На графике показаны два CO.2 отрицательный Мискантус x гигантский производственные пути, выраженные в граммах CO2-эквиваленты на мегаджоуль. Желтые ромбы представляют средние значения.[5]

Следует отметить, что успешное связывание зависит от участков посадки, так как наилучшими для связывания являются почвы с низким содержанием углерода. Разнообразие результатов, отображаемых на графике, подчеркивает этот факт.[5]

Milner et al. утверждают, что в Великобритании ожидается успешная секвестрация пахотных земель на большей части территории Англии и Уэльса, с неудачной секвестрацией в некоторых частях Шотландии из-за уже богатых углеродом почв (существующих лесных массивов). Кроме того, в Шотландии относительно низкие урожаи в этом более холодном климате делают CO2 негатива добиться труднее. Почвы, уже богатые углеродом, включают торфяник и зрелый лес. Пастбища также может быть богатым углеродом, и Milner et al. далее утверждают, что наиболее успешное связывание углерода в Великобритании происходит ниже улучшенных пастбищ.[6]

На нижнем графике отображается расчетный выход, необходимый для достижения CO.2 отрицательность для разных уровней существующей насыщенности почв углеродом.

Многолетний, а не однолетний характер посевов мискантуса подразумевает, что ежегодное значительное накопление углерода под землей может продолжаться без нарушения. Отсутствие ежегодной вспашки или копки означает отсутствие повышенного содержания углерода окисление и отсутствие стимуляции популяций микробов в почве и, следовательно, отсутствие ускоренного превращения органического углерода в СО.2 в почву каждую весну.

Типы

Твердая биомасса

Слоновая трава (Мискантус гигантский ) - экспериментальная энергетическая культура

Твердая биомасса, часто гранулированный, используется для горения в тепловые электростанции либо самостоятельно, либо совместно с другими видами топлива. В качестве альтернативы его можно использовать для обогрева или комбинированное производство тепла и электроэнергии (ТЭЦ) производство.

В поросль короткого вращения (SRC) сельское хозяйство, быстрорастущие породы деревьев, такие как ива и тополь выращиваются и собираются короткими циклами от трех до пяти лет. Эти деревья лучше всего растут в условиях влажной почвы. Не исключено влияние на местные водные условия. Создание близко к уязвимым водно-болотное угодье необходимо избегать.[7][8][9]

Газовая биомасса (метан)

Целые культуры, такие как кукуруза, Суданская трава, просо, белый донник, и многие другие могут быть преобразованы в силос а затем преобразован в биогаз.[3]Анаэробные варочные котлы или биогазовые установки могут быть напрямую дополнены энергетическими культурами после того, как они были засилены в силос. Самым быстрорастущим сектором немецкого биофардинга является область «Возобновляемые источники энергии» на почти 500 000 га (1 200 000 акров) земли (2006 г.).[10] Энергетические культуры также можно выращивать для увеличения урожайности газа, если сырье имеет низкое содержание энергии, например, навоз и испорченное зерно. По оценкам, в настоящее время выход энергии от биоэнергетических культур, преобразованных с помощью силоса в метан, составляет около 2ГВтч /км2 (1.8×1010 БТЕ /кв миль ) ежегодно. Небольшие предприятия смешанного земледелия с животными могут использовать часть своих площадей для выращивания и преобразования энергетических культур и удовлетворять потребности всей фермы в энергии, занимая примерно одну пятую площадей. Однако в Европе и особенно в Германии этот быстрый рост произошел только при значительной государственной поддержке, как, например, в немецкой системе бонусов для Возобновляемая энергия.[11] Аналогичные разработки по интеграции растениеводства и производства биоэнергии с использованием силоса и метана почти полностью игнорировались в Северной Америке, где политические и структурные проблемы и продолжающийся огромный толчок к централизации производства энергии затмили позитивные изменения.[нужна цитата ]

Жидкая биомасса

Биодизель

Кокосы сушеные в Кожикоде, Керала для приготовления копры, сушеного мяса или ядра кокос. Кокосовое масло извлеченная из него копра стала важным сельскохозяйственным товаром для многих стран-производителей кокосов. Также из него получается кокосовый пирог, который в основном используется как подача для домашнего скота.
Чистый биодизель (B-100), изготовленный из соевых бобов

Европейское производство биодизель от энергетических культур неуклонно растет в последнее десятилетие, в основном сосредоточившись на рапс используется для нефти и энергии. Производство масла / биодизеля из рапса только в Германии составляет более 12 000 км², а за последние 15 лет оно увеличилось вдвое.[12] Типичный выход масла в виде чистого биодизеля составляет 100 000 л / км.2 (68 000 галлонов США / кв. Миль; 57 000 имп. Гал. / Кв. Мил.) Или выше, что делает биодизельные культуры экономически привлекательными при условии устойчивости севообороты используются, сбалансированные по питательным веществам и предотвращающие распространение болезней, таких как кила. Урожайность биодизеля из сои значительно ниже, чем у рапса.[13]

Типичное масло, экстрагируемое по массе
ОбрезатьМасло %
копра62
касторка семя50
кунжут50
арахис ядро42
ятрофа40
рапс37
ладонь ядро36
горчичное семя35
подсолнечник32
ладонь фрукты20
соя14
хлопок семя13

Биоэтанол

Две ведущие непродовольственные культуры для производства целлюлозный биоэтанол находятся просо и гигантский мискантус.В Америке существует озабоченность по поводу целлюлозного биоэтанола, поскольку сельскохозяйственная структура, поддерживающая биометан, отсутствует во многих регионах, без системы кредитов или бонусов.[нужна цитата ] Следовательно, много частных денег и надежд инвесторов возлагается на рыночные и патентоспособные инновации в ферментном гидролизе и подобных процессах. Травы также являются энергетическими культурами для биобутанол.

Биоэтанол также относится к технологии использования в основном кукурузы (семян кукурузы) для производства этанола непосредственно путем ферментации. Однако в 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 барды (называемой бардой дистилляторов или DGS) в биогаз выглядят многообещающими как средство улучшения низкого энергетического коэффициента этого типа процесса биоэтанола.

Использование энергетических культур в разных странах

В Швеции ива и конопля часто используются.

В Финляндии, Камышовая канарейка это популярная энергетическая культура.[14]

Использование энергетических культур на тепловых электростанциях

Смотрите также: Биомасса § Термические_конверсии

Существует несколько методов уменьшения загрязнения и сокращения или устранения выбросов углерода в атмосферу. электростанции на ископаемом топливе. Часто используемый и рентабельный метод - переоборудование завода для работы на другом топливе (например, энергетических культурах / биомассе). В некоторых случаях, торрефикация биомассы может принести пользу электростанции, если энергетические культуры / биомасса будут материалом, который будет использовать преобразованная электростанция на ископаемом топливе.[15] Также при использовании энергетических культур в качестве топлива и при реализации biochar производства, ТЭС может даже стать углерод отрицательный а не просто углеродно-нейтральный. Повышение энергоэффективности угольной электростанции также может снизить выбросы.

Биотопливо и устойчивость

В последние годы биотопливо стало более привлекательным для многих стран в качестве возможной замены ископаемого топлива. Поэтому понимание устойчивости этого возобновляемого ресурса очень важно. Использование биотоплива дает множество преимуществ, таких как сокращение выбросов парниковых газов, более низкая стоимость, чем ископаемое топливо, возобновляемость и т. Д.[16] Эти энергетические культуры можно использовать для выработки электроэнергии. Доказано, что древесная целлюлоза и биотопливо в сочетании со стационарным производством электроэнергии очень эффективны. За последние 5 лет мировое производство биотоплива увеличилось на 109%, и ожидается, что это увеличится еще на 60% для удовлетворения наших потребностей (по данным Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) / Продовольствия и сельского хозяйства Организация (ФАО)).[17]

Прогнозируемое увеличение использования / потребности в энергетических культурах вызывает вопрос о том, является ли этот ресурс устойчивым. Увеличение производства биотоплива связано с проблемами, связанными с изменениями в землепользовании, воздействием на экосистему (почву и водные ресурсы), и усугубляет конкуренцию за использование земельного пространства для выращивания энергетических культур, продуктов питания или кормовых культур. Растения, которые лучше всего подходят для производства биоэнергетического сырья, должны быть быстрорастущими, давать высокие урожаи и требовать очень мало энергии для роста, сбора урожая и т. Д.[17] Использование энергетических культур для производства энергии может быть выгодным из-за их углеродной нейтральности. Он представляет собой более дешевую альтернативу ископаемому топливу, при этом он чрезвычайно разнообразен по видам растений, которые можно использовать для производства энергии. Но вопросы, касающиеся стоимости (более дорогие, чем другие возобновляемые источники энергии), эффективности и пространства, необходимого для поддержания производства, должны быть рассмотрены и улучшены, чтобы можно было широко использовать биотопливо.[16]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Мола-Юдего, Блас; Аронссон, Пар (сентябрь 2008 г.). «Модели урожайности для коммерческих плантаций биомассы ивы в Швеции». Биомасса и биоэнергетика. 32 (9): 829–837. Дои:10.1016 / j.biombioe.2008.01.002.
  2. ^ Агостини, Франческо; Грегори, Эндрю С .; Рихтер, Гетц М. (15 января 2015 г.). «Связывание углерода многолетними энергетическими культурами: еще нет решения?». Биоэнергетические исследования. 8 (3): 1057–1080. Дои:10.1007 / s12155-014-9571-0. ЧВК  4732603. PMID  26855689.
  3. ^ а б Ара Киракосян; Питер Б. Кауфман (2009-08-15). Последние достижения в биотехнологии растений. п. 169. ISBN  9781441901934. Получено 14 февраля 2013.
  4. ^ Смит, Ребекка А .; Cass, Cynthia L .; Мазахери, Мона; Sekhon, Rajandeep S .; Хекволф, Марлис; Кэпплер, Хайди; де Леон, Наталья; Mansfield, Shawn D .; Kaeppler, Shawn M .; Седбрук, Джон С.; Карлен, Стивен Д .; Ральф, Джон (2 мая 2017 г.). «Подавление CINNAMOYL-CoA REDUCTASE увеличивает уровень монолигнольных ферулатов, включенных в лигнины кукурузы». Биотехнология для биотоплива. 10 (1): 109. Дои:10.1186 / s13068-017-0793-1. ЧВК  5414125. PMID  28469705.
  5. ^ а б Уитакер, Жанетт; Филд, Джон Л .; Bernacchi, Carl J .; Cerri, Carlos E.P .; Ceulemans, Reinhart; Дэвис, Кристиан А .; DeLucia, Evan H .; Donnison, Iain S .; МакКалмонт, Джон П .; Паустиан, Кейт; Роу, Ребекка Л .; Смит, Пит; Торнли, Патриция; Макнамара, Найл П. (март 2018 г.). «Консенсус, неопределенности и проблемы для многолетних биоэнергетических культур и землепользования». GCB Bioenergy. 10 (3): 150–164. Дои:10.1111 / gcbb.12488. ЧВК  5815384. PMID  29497458.
  6. ^ Милнер, Сюзанна; Голландия, Роберт А.; Ловетт, Эндрю; Сунненберг, Гилла; Гастингс, Астлей; Смит, Пит; Ван, Шифэн; Тейлор, Гейл (март 2016). «Возможные воздействия на экосистемные услуги перехода землепользования на биоэнергетические культуры второго поколения в Великобритании». GCB Bioenergy. 8 (2): 317–333. Дои:10.1111 / gcbb.12263. ЧВК  4974899. PMID  27547244.
  7. ^ Хартвич, Йенс (2017). Оценка региональной пригодности короткооборотных порослей в Германии (Тезис). Дои:10.17169 / refubium-9817.
  8. ^ Хартвич, Йенс; Бёльшер, Йенс; Шульте, Ахим (24 сентября 2014 г.). «Влияние короткооборотных порослей на водные и земельные ресурсы». Water International. 39 (6): 813–825. Дои:10.1080/02508060.2014.959870. S2CID  154461322.
  9. ^ Хартвич, Йенс; Шмидт, Маркус; Бёльшер, Йенс; Райнхардт-Имджела, Кристиан; Мурах, Дитер; Шульте, Ахим (11 июля 2016 г.). «Гидрологическое моделирование изменений водного баланса из-за воздействия производства древесной биомассы на Северо-Германской равнине». Экологические науки о Земле. 75 (14). Дои:10.1007 / s12665-016-5870-4. S2CID  132087972.
  10. ^ «Экологическое использование биомассы».
  11. ^ Баубёк, Роланд; Карпенштейн-Мачан, Марианна; Каппас, Мартин (10 августа 2014 г.). «Расчет потенциала биомассы для кукурузы и двух альтернативных энергетических культур, тритикале и чашечного растения (Silphium perfoliatum L.) с помощью модели культуры BioSTAR в районе Ганновера (Германия)». Науки об окружающей среде Европы. 26 (1): 19. Дои:10.1186 / s12302-014-0019-0. ISSN  2190-4715. ЧВК  5044939. PMID  27752417.
  12. ^ Умер. «Биомассовая энергия».
  13. ^ Киракосян, Ара; Кауфман, Питер Б. (2009). Последние достижения в биотехнологии растений | SpringerLink (PDF). Дои:10.1007/978-1-4419-0194-1. ISBN  978-1-4419-0193-4.
  14. ^ Справочник для производителей энергии
  15. ^ Иногда требуется торрефикация биомассы при использовании биомассы в преобразованном FFPS
  16. ^ а б Renewable Resources Co. «Преимущества и недостатки энергии биомассы». Коалиция за возобновляемые ресурсы. RenewableResourcesCoalition.org.
  17. ^ а б де Сикейра Феррейра, Савио; Нишияма, Милтон; Патерсон, Эндрю; Соуза, Глаусия (27 июня 2013 г.). «Биотопливо и энергетические культуры: высокоурожайные сахарины занимают центральное место в эпоху постгеномики». Геномная биология. 14 (6): 210. Дои:10.1186 / gb-2013-14-6-210. ЧВК  3707038. PMID  23805917. S2CID  17208119.

внешняя ссылка