Биомасса - термин, используемый для описания всего органического вещества, полученного путем фотосинтеза, существующего на поверхности Земли. Он включают в себя всю водную и наземную растительность и деревья, и все отходы живых организмов, такие как твердые бытовые отходы, вещества биологического происхождения (сточные воды), отходы лесного хозяйства, животноводства (навоз), сельскохозяйственные отходы и отдельные виды промышленных отходов. Мировые энергетические рынки полагаются в большой степени на ископаемые виды топлива. Биомасса - единственный энергетический ресурс естественного происхождения, содержащий углерод в количестве, достаточном, чтобы применяться в качестве их замены.
В отличие от ископаемого топлива, биомасса - возобновляемый источник энергии. Требуется относительно короткий период времени, чтобы восстановить энергетический ресурс. Биомасса также - единственный возобновляемый источник энергии, выделяющий углекислый газ при переработке. Однако это компенсируется тем, что биомасса была выращена с помощью поглощения углекислого газа из атмосферы в процессе фотосинтеза. Если ресурс биомассы используется устойчиво, то со временем в цикле переработки биомассы не происходит увеличение выброса углерода.
Способы переработки биомассы
Биомасса может быть конвертирована в тепловую энергию, жидкое, твердое или газообразное топливо и другие химические продукты с помощью различных процессов переработки. Сегодня значительная часть электроэнергии из биомассы вырабатывается путем прямого сжигания. При развитии технологий повышение эффективности будет достигаться за счет сжигания смеси биомассы и угля в котлах и внедрения высокоэффективной газификации, систем комбинированного цикла, систем топливных элементов, а также модульных систем.
Известные биоэнергетические технологии: непосредственное сжигание, совместное сжигание, газификация, пиролиз, анаэробное брожение и ферментация.
1. Прямое сжигание
Это, пожалуй, самый простой способ получения энергии из биомассы. Промышленные объекты способны сжечь много видов топлива на основе биомассы, в том числе дрова, сельскохозяйственные отходы, древесную целлюлозу, твердые бытовые отходы. При сжигании в котлах производится пар, который вращает турбину. Последняя приводит во вращение ротор генератора, вырабатывающего электроэнергию. Из-за потенциального накопления золы, которая засоряет котел, снижая его эффективность и увеличивая затраты, только определенные типы материалов биомассы используются для прямого сжигания.
2. Газификация
Газификация - процесс, воздействия на твердое топливо высокой температуры при ограниченном доступе кислорода для получения газообразного топлива. Таким способом получается смесь газов, таких как окись углерода, углекислый газ, азот, водород и метан. После газ используется для привода газовой турбины. Газификация имеет ряд преимуществ над сжиганием твердого топлива. Важный плюс технологии - один из получаемых газов - метан. Он может быть обработан так же, как природный газ, и использоваться для тех же целей.
Преимущество заключается в том, что при газификации производится топливо без примесей. Следовательно, его сжигание вызывает меньше проблем загрязнения. При определенных условиях можно производить синтез-газ - смесь угарного газа и водорода, который может являться сырьем для производства углеводород (например, метана и метанола) для замены ископаемых видов топлива. Сам водород также потенциальное экологически чистое топливо, которое предположительно может заменить нефть и нефтепродукты в обозримом будущем.
3. Пиролиз
В своей простейшей форме пиролиз представляет собой нагревание биомассы с отводом летучих веществ, в результате чего образуется древесный уголь. Этот процесс преобразует исходный материал в более энергоемкий, так как древесный уголь весит в два раза меньше исходной биомассы, но содержит такое же количество энергии, что делает топливо более транспортабельным. Уголь также горит при значительно более высокой температуре, чем исходная биомасса. Это делает его более полезным для производственных процессов. Более сложные методы пиролиза разработаны недавно для сбора летучих веществ, которые в противном случае теряются в системе. Собранные летучие вещества производят газ, который богат водородом и окисью углерода. Эти соединения синтезируются в метан, метанол и другие углеводороды.
Быстрый пиролиз используется для производства бионефти - горючего топлива. Тепло используется для химического преобразования биомассы в синтетическую нефть, которую легче хранить и транспортировать, чем твердые материалы биомассы. Затем ее сжигают для производства электричества. Пиролиз может также преобразовывать биомассу в феноловое масло - химическое вещество, используемое для изготовления древесных клеев, литьевых пластмасс и изоляционной пены.
4. Анаэробное брожение
Анаэробное брожение биомассы осуществляется за счет анаэробных бактерий. Эти микроорганизмы обычно живут на дне болот или в других местах, где нет воздуха, потребляя мертвое органическое вещество с образованием метана и водорода. Мы можем использовать эти бактерии для работы на нас. Подавая органические вещества, такие как навоз животных или сточные воды, в резервуары, называемые варочными, и добавляя туда бактерий, мы можем собирать выделившейся газ, чтобы использовать его в качестве источника энергии. Этот процесс - очень эффективное средство извлечения полезной электроэнергии из биомассы. Как правило, до двух третей энергии топлива из навоза животных можно восстановить.
Другой способ связан со сбором метана из мусорных свалок. Большая часть бытовых отходов биомассы, таких как пищевые отходы или обрезки травы, собираются на местных свалках. В течение нескольких десятилетий анаэробные бактерии в нижних слоях таких свалок разлагают органическое вещество, выделяя метан. Газ может быть извлечен и использован путем установки верхнего упора из непроницаемого слоя глины и установки перфорированных труб, которые будут собирать газ и выводить его на поверхность.
5. Ферментация
На протяжении многих веков люди использовали дрожжи и другие микроорганизмы для ферментации сахара различных растений в этиловый спирт. Производство топлива из биомассы путем ферментации - это лишь продолжение этого процесса. При этом есть возможность использования более широкого спектра растительного материала от сахарного тростника до древесного волокна. Например, отходы от помола пшеницы на мельницах в Новом Южном Уэльсе применяются для производства этанола путем ферментации. Этанол затем смешивается с дизельным топливом для производства топлива, используемого для заправки грузовых автомобилей и автобусов в Австралии.
Технический прогресс неизбежно улучшит этот метод. Например, ученые в Австралии и США заменили дрожжи генетически сконструированными бактериями в процессе ферментации. Эффективность процесса значительно повысилась. Теперь можно перерабатывать отходы бумаги и другие формы древесного волокна в этанол.
Биомасса превращается в топливо, такое как этанол, метанол, биодизель и добавки для риформинга бензинов. Биотопливо используются в чистом виде или в смеси с бензином.
Этанол - наиболее широко используемое биотопливо. Производится путем ферментации биомассы в процессе, подобном пивоварению.
Сегодня большая часть этанола производится из кукурузы. Он смешивается с бензином для увеличения эффективности транспортного средства и уменьшения загрязнения воздуха.
Метанол из биомассы производится путем газификации. Биомасса превращается в синтез-газ, который перерабатывается в метанол. Большая часть метанола производится из природного газа и используется в качестве растворителя, антифриза или для синтеза других химических веществ. Около 38 процентов используется для транспортировки в виде смеси или в риформинге бензинов.
Биодизельное топливо состоит из масел и жиров, которые содержатся в микроводорослях и других растениях. Им заменяют дизельное топливо или разбавляют его.
- < Назад
- Вперёд >
Материал из Википедии - свободной энциклопедии
Биома́сса (биоматерия) - совокупная масса растительных и животных организмов, присутствующих в биогеоценозе , определённого размера или уровня.
Биомасса Земли составляет 2423 миллиардов тонн . Люди дают около 350 миллионов тонн биомассы в живом весе или около 100 миллионов тонн в пересчете на сухую биомассу - пренебрежимо малое количество в сравнении со всей биомассой планеты
Состав биомассы земли
Организмы континентальной части
- Зеленые растения - 2400 млрд тонн (99,2 %)
- Животные и микроорганизмы - 20 млрд тонн (0,8 %)
Организмы океанов
- Зеленые растения - 0,2 млрд тонн (6,3 %)
- Животные и микроорганизмы - 3 млрд тонн (93,7 %)
Таким образом, большая часть биомассы Земли сосредоточена в лесах Земли. На суше преобладает масса растений, в океанах масса животных и микроорганизмов. Однако скорость прироста биомассы (оборот) намного больше в океанах.
Оборот биомассы
Если рассмотреть прирост биомассы к уже имеющей массе, то получаются такие показатели:
- Древесная растительность лесов - 1,8 %
- Растительность лугов, степей, пашни - 67 %
- Комплекс растений озёр и рек - 14 %
- Морской фитопланктон - 15 %
Интенсивное деление микроскопических клеток фитопланктона, быстрый их рост и кратковременность существования способствуют быстрому обороту фитомассы океана, который в среднем происходит за 1-3 суток, тогда как полное обновление растительности суши осуществляется за 50 лет и более. Поэтому несмотря на небольшую величину фитомассы океана, образуемая ею годовая суммарная продукция сопоставима с продукцией растений суши. Небольшой вес растений океанов связан с тем, что они за несколько суток поедаются животными и микроорганизмами, но также за несколько суток восстанавливаются.
Ежегодно в биосфере в процессе фотосинтеза образуется около 150 млрд тонн сухого органического вещества. В континентальной части биосферы самыми продуктивными являются тропические и субтропические леса, в океанической - эстуарии (расширяющиеся в сторону моря устья рек) и рифы, а также зоны подъема глубинных вод - апвеллинга. Низкая продуктивность растений характерна для открытого океана, пустынь и тундры.
Применение биомассы в энергетике
Биомасса - шестой по запасам из доступных на настоящий момент источников энергии после горючих сланцев , урана , угля , нефти и природного газа . Приближённо полная биологическая масса земли оценивается в 2,4·10 12 тонн.
Биомасса - пятый по производительности возобновимый источник энергии после прямой солнечной , ветровой , гидро- и геотермальной энергии. Ежегодно на земле образуется около 170 млрд тонн первичной биологической массы и приблизительно тот же объём разрушается.
Биомасса - крупнейший по использованию в мировом хозяйстве возобновляемый ресурс (более 500 млн тонн у. т. в год)
Биомасса применяется для производства тепла , электроэнергии , биотоплива , биогаза (метана , водорода).
Основная часть топливной биомассы (до 80 %), это прежде всего древесина, употребляется для обогрева жилищ и приготовления пищи в развивающихся странах.
Примеры
В 2002 году в электроэнергетике США было установлено 9733 МВт генерирующих мощностей, работающих на биомассе. Из них 5886 МВт работали на отходах лесного и сельского хозяйства, 3308 МВт работали на твёрдых муниципальных отходах, 539 МВт на других источниках.
Газификация биомассы
Из 1 килограмма биомассы можно получить около 2,5 м 3 генераторного газа, основными горючими компонентами которого являются монооксид углерода (CO) и водород (H 2). В зависимости от способа проведения процесса газификации и исходного сырья можно получить низкокалорийный (сильно забалластированный) или среднекалорийный генераторный газ.
Из навоза животных методом метанового брожения получают биогаз . Биогаз на 55-75 % состоит из метана и на 25-45 % из СО 2 . Из тонны навоза крупного рогатого скота (в сухой массе) получается 250-350 кубических метров биогаза. Мировой лидер по количеству действующих установок по производству биогаза - Китай .
Напишите отзыв о статье "Биомасса"
Примечания
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Отрывок, характеризующий Биомасса
«Любовь? Что такое любовь? – думал он. – Любовь мешает смерти. Любовь есть жизнь. Все, все, что я понимаю, я понимаю только потому, что люблю. Все есть, все существует только потому, что я люблю. Все связано одною ею. Любовь есть бог, и умереть – значит мне, частице любви, вернуться к общему и вечному источнику». Мысли эти показались ему утешительны. Но это были только мысли. Чего то недоставало в них, что то было односторонне личное, умственное – не было очевидности. И было то же беспокойство и неясность. Он заснул.Он видел во сне, что он лежит в той же комнате, в которой он лежал в действительности, но что он не ранен, а здоров. Много разных лиц, ничтожных, равнодушных, являются перед князем Андреем. Он говорит с ними, спорит о чем то ненужном. Они сбираются ехать куда то. Князь Андрей смутно припоминает, что все это ничтожно и что у него есть другие, важнейшие заботы, но продолжает говорить, удивляя их, какие то пустые, остроумные слова. Понемногу, незаметно все эти лица начинают исчезать, и все заменяется одним вопросом о затворенной двери. Он встает и идет к двери, чтобы задвинуть задвижку и запереть ее. Оттого, что он успеет или не успеет запереть ее, зависит все. Он идет, спешит, ноги его не двигаются, и он знает, что не успеет запереть дверь, но все таки болезненно напрягает все свои силы. И мучительный страх охватывает его. И этот страх есть страх смерти: за дверью стоит оно. Но в то же время как он бессильно неловко подползает к двери, это что то ужасное, с другой стороны уже, надавливая, ломится в нее. Что то не человеческое – смерть – ломится в дверь, и надо удержать ее. Он ухватывается за дверь, напрягает последние усилия – запереть уже нельзя – хоть удержать ее; но силы его слабы, неловки, и, надавливаемая ужасным, дверь отворяется и опять затворяется.
Еще раз оно надавило оттуда. Последние, сверхъестественные усилия тщетны, и обе половинки отворились беззвучно. Оно вошло, и оно есть смерть. И князь Андрей умер.
Но в то же мгновение, как он умер, князь Андрей вспомнил, что он спит, и в то же мгновение, как он умер, он, сделав над собою усилие, проснулся.
«Да, это была смерть. Я умер – я проснулся. Да, смерть – пробуждение!» – вдруг просветлело в его душе, и завеса, скрывавшая до сих пор неведомое, была приподнята перед его душевным взором. Он почувствовал как бы освобождение прежде связанной в нем силы и ту странную легкость, которая с тех пор не оставляла его.
Когда он, очнувшись в холодном поту, зашевелился на диване, Наташа подошла к нему и спросила, что с ним. Он не ответил ей и, не понимая ее, посмотрел на нее странным взглядом.
Это то было то, что случилось с ним за два дня до приезда княжны Марьи. С этого же дня, как говорил доктор, изнурительная лихорадка приняла дурной характер, но Наташа не интересовалась тем, что говорил доктор: она видела эти страшные, более для нее несомненные, нравственные признаки.
С этого дня началось для князя Андрея вместе с пробуждением от сна – пробуждение от жизни. И относительно продолжительности жизни оно не казалось ему более медленно, чем пробуждение от сна относительно продолжительности сновидения.
Ничего не было страшного и резкого в этом, относительно медленном, пробуждении.
Последние дни и часы его прошли обыкновенно и просто. И княжна Марья и Наташа, не отходившие от него, чувствовали это. Они не плакали, не содрогались и последнее время, сами чувствуя это, ходили уже не за ним (его уже не было, он ушел от них), а за самым близким воспоминанием о нем – за его телом. Чувства обеих были так сильны, что на них не действовала внешняя, страшная сторона смерти, и они не находили нужным растравлять свое горе. Они не плакали ни при нем, ни без него, но и никогда не говорили про него между собой. Они чувствовали, что не могли выразить словами того, что они понимали.
Они обе видели, как он глубже и глубже, медленно и спокойно, опускался от них куда то туда, и обе знали, что это так должно быть и что это хорошо.
Его исповедовали, причастили; все приходили к нему прощаться. Когда ему привели сына, он приложил к нему свои губы и отвернулся, не потому, чтобы ему было тяжело или жалко (княжна Марья и Наташа понимали это), но только потому, что он полагал, что это все, что от него требовали; но когда ему сказали, чтобы он благословил его, он исполнил требуемое и оглянулся, как будто спрашивая, не нужно ли еще что нибудь сделать.
Когда происходили последние содрогания тела, оставляемого духом, княжна Марья и Наташа были тут.
– Кончилось?! – сказала княжна Марья, после того как тело его уже несколько минут неподвижно, холодея, лежало перед ними. Наташа подошла, взглянула в мертвые глаза и поспешила закрыть их. Она закрыла их и не поцеловала их, а приложилась к тому, что было ближайшим воспоминанием о нем.
«Куда он ушел? Где он теперь?..»
Когда одетое, обмытое тело лежало в гробу на столе, все подходили к нему прощаться, и все плакали.
Николушка плакал от страдальческого недоумения, разрывавшего его сердце. Графиня и Соня плакали от жалости к Наташе и о том, что его нет больше. Старый граф плакал о том, что скоро, он чувствовал, и ему предстояло сделать тот же страшный шаг.
Наташа и княжна Марья плакали тоже теперь, но они плакали не от своего личного горя; они плакали от благоговейного умиления, охватившего их души перед сознанием простого и торжественного таинства смерти, совершившегося перед ними.
Для человеческого ума недоступна совокупность причин явлений. Но потребность отыскивать причины вложена в душу человека. И человеческий ум, не вникнувши в бесчисленность и сложность условий явлений, из которых каждое отдельно может представляться причиною, хватается за первое, самое понятное сближение и говорит: вот причина. В исторических событиях (где предметом наблюдения суть действия людей) самым первобытным сближением представляется воля богов, потом воля тех людей, которые стоят на самом видном историческом месте, – исторических героев. Но стоит только вникнуть в сущность каждого исторического события, то есть в деятельность всей массы людей, участвовавших в событии, чтобы убедиться, что воля исторического героя не только не руководит действиями масс, но сама постоянно руководима. Казалось бы, все равно понимать значение исторического события так или иначе. Но между человеком, который говорит, что народы Запада пошли на Восток, потому что Наполеон захотел этого, и человеком, который говорит, что это совершилось, потому что должно было совершиться, существует то же различие, которое существовало между людьми, утверждавшими, что земля стоит твердо и планеты движутся вокруг нее, и теми, которые говорили, что они не знают, на чем держится земля, но знают, что есть законы, управляющие движением и ее, и других планет. Причин исторического события – нет и не может быть, кроме единственной причины всех причин. Но есть законы, управляющие событиями, отчасти неизвестные, отчасти нащупываемые нами. Открытие этих законов возможно только тогда, когда мы вполне отрешимся от отыскиванья причин в воле одного человека, точно так же, как открытие законов движения планет стало возможно только тогда, когда люди отрешились от представления утвержденности земли.
В век научно-технического прогресса особое значение приобретают знания о жизненных процессах в целом, происходящих на всей планете. Исследования космоса позволили рассматривать Землю извне и изучать окружающие ее сферы. Увеличение народонаселения на Земле требует изыскания новых пищевых ресурсов. Вредные отходы промышленности и транспорта ставят проблему охраны не только живых организмов, но и чистоты вод и воздуха.
Скачать:
Предварительный просмотр:
Биосфера и свойства биомассы планеты Земля
В век научно-технического прогресса особое значение приобретают знания о жизненных процессах в целом, происходящих на всей планете. Исследования космоса позволили рассматривать Землю извне и изучать окружающие ее сферы. Увеличение народонаселения на Земле требует изыскания новых пищевых ресурсов. Вредные отходы промышленности и транспорта ставят проблему охраны не только живых организмов, но и чистоты вод и воздуха. В связи с этим необходимо понять роль живой природы в круговороте веществ на Земле. Главное – определить значимость живой природы как носителя и трансформатора энергии. Необходимо знать структуру жизни на всей планете и основы ее устойчивости. При изучении в предшествующих классах растений, животных, человека и общей биологии вы познакомились с живой природой на всех уровнях ее организации: молекулярном, клеточном, организменном, популяционно-видовом и биогеоценотическом. При изучении данной темы вы познакомитесь с высшим уровнем организации жизни на нашей планете – биосферным.
Биосфера и ее границы. Изучение многообразия форм органического мира и закономерностей его развития не будет полным без понимания места и роли живых организмов в целом на всей планете Земля. Совокупность всех живых организмов составляет живое вещество, или биомассу, планеты.
Жизнедеятельность организмов изменила и изменяет земную кору и атмосферу. Растительная часть биомассы за миллиарды лет очистила атмосферу от углекислого газа, обогатила ее кислородом и привела к отложению углерода в известняках, каменных углях, нефти. В процессе эволюции на Земле образовалась особая оболочка, или сфера, населенная живыми организмами. Эта земная оболочка, или область жизни, названа
биосферой
(греч. «биос» – жизнь, «сфера» – шар). Впервые это название было дано Ж. Б. Ламарком. Учение о биосфере создано академиком В. И. Вернадским (1863 – 1945), основоположником новой науки – биогеохимии, связывающей химию Земли с химией жизни и установившей роль живого вещества в преобразовании земной поверхности.
На планете Земля различают несколько геосфер .
Рис. 42. Литосфера (греч. «литос» – камень) – внешняя твердая оболочка земного шара. Она состоит из двух слоев: верхнего – осадочных пород с гранитом и нижнего – базальта. Слои расположены неравномерно. Гранит местами выходит на поверхность.
Все океаны, моря (совокупность их называют Мировым океаном), составляющие 70,8% поверхности Земли, а также озера, реки образуют гидросферу . Глубина океана в среднем 3,8 км, в отдельных впадинах – до 11,034 км.
Над поверхностью литосферы и гидросферы вверх до 100 км простирается атмосфера . Нижний слой атмосферы в среднем высотой 15 км называют тропосферой (греч. «тропэ» – перемена). Тропосфера включает взвешенные в воздухе водяные пары, перемещающиеся при неравномерном нагреве поверхности Земли. Над тропосферой различают стратосферу (лат. «стратум» – слой) высотой до 100 км. У границы ее возникают северные сияния. В стратосфере на высоте 15–35 км свободный кислород под влиянием солнечной радиации превращается в озон (O 2 → O 3 ), который образует экран и отражает губительные для живых организмов космические излучения и частично ультрафиолетовые лучи Солнца.
Среди всех сфер Земли особое место занимает биосфера - геологическая оболочка, населенная живыми организмами . Она охватывает поверхность Земли, верхнюю часть литосферы всю гидросферу и нижнюю часть атмосферы тропосферу . В биосфере проявляется деятельность живого вещества: растений, животных, микроорганизмов и человечества. Границы биосферы определяются наличием условий, необходимых для жизни различных организмов . Верхний предел жизни биосферы ограничен интенсивной концентрацией ультрафиолетовых лучей; нижний высокой температурой земных недр (свыше 100° С). Крайних пределов ее достигают только низшие организмы – бактерии. Споры бактерий и грибов залетают на высоту 20 км, а анаэробных бактерий находят в земной коре на глубине свыше 3 км, в водах месторождений нефти.
Рис. 43.
Наибольшая концентрация живой массы в биосфере наблюдается у поверхности суши и океана, у границ соприкосновения литосферы и атмосферы, гидросферы и атмосферы, гидросферы и литосферы. В этих местах наиболее благоприятные условия жизни – температура, влажность, содержание кислорода и химических элементов, важных для питания организмов. К верхним слоям атмосферы, в глубь океана и недр литосферы концентрация жизни уменьшается. Накопление биомассы обусловливается жизнедеятельностью зеленых растений.
Масса живого вещества по сравнению с массой земной коры незначительна. И тем не менее многие изменения земной коры обусловлены жизнедеятельностью биомассы.
Свойства живого вещества. Организмы, составляющие биомассу, обладают громадной способностью воспроизводства – размножения и распространения по планете.
Энергия биомассы особенно проявляется в размножении. «Живое вещество – совокупность организмов, – подобно массе газа, растекается по земной поверхности и оказывает определенное давление в окружающей среде, обходит препятствия, мешающие его продвижение или ими овладевает, их покрывает. Это движение достигается путем размножения организмов ... Уже К. Линней ясно видел, что это свойство должно считаться основным для живого, той непроходимой гранью, которая отделяет его от мертвой косной материи» (Вернадский).
В некоторые годы размножение отдельных видов вспыхивает с такой силой, что влечет нашествие громадных масс насекомых (саранча), грызунов и других животных. Захват пространства разными организмами обусловлен интенсивностью их размножения.
Мелкие организмы, особенно в водной среде, размножаются и распространяются очень быстро. Численность некоторых бактерий удваивается каждые 22 мин. Быстро размножаются членистоногие, составляющие главную массу животных суши.
Размножение и быстрое распространение организмов, особенно одноклеточных, определило «всюдность» (Вернадский) жизни – до крайних пределов биосферы.
Плотность жизни зависит от размеров организмов и необходимой для их жизни площади. Для ряски и водоросли хлореллы она определяется площадью, равной их размерам. Слону требуется площадь 30 км 2 , пчеле для сбора меда – 200 м 2 , травянистым растениям – в среднем 30 см 2 . Напор жизни создает борьбу организмов за площадь, пищу, воздух, воду.
Особенность каждого живого организма и всей биомассы состоит в постоянном обмене веществ с окружающей средой.
Различные элементы входят в живой организм, накапливаются в нем и выходят из него, частично при жизни и частично после смерти. Это главным образом кислород, водород, углерод, натрий, кальций, фосфор, калий, кремний и другие – более 20 элементов. В процессе питания происходит накопление энергии и передача ее другим организмам по цепи питания и путем размножения. Особенное значение в биосфере имеет выделение кислорода и поглощение углекислого газа при фотосинтезе зеленых растений.
В биосфере растительная масса во много раз превышает животную. В целом биомасса составляет лишь около 0,01% массы всей биосферы, но роль ее на планете грандиозна.
В среднем биомасса на Земле, по современным данным, составляет примерно 2,423 · 1012 т, при этом масса зеленых растений суши – 97%, животных и микроорганизмов – 3%.
В настоящее время на Земле известны около 500 тыс. видов растений, более 1,5 миллионов видов животных. 93% их населяют сушу, а 7% являются обитателями водной среды (таблица).
| Масса сухого вещества | Континенты | Океаны | |||||
| Зелёные расте-ния | Живот-ные и микро-организ-мы | Зелёные расте-ния | Живот-ные и микроорга-низмы | Общее коли-чество |
|||
| Проценты | |||||||
Из данных таблицы видно, что хотя океаны и занимают около 70% земной поверхности, однако они образуют всего 0,13% биомассы Земли.
Образование почвы происходит биогенным путём, она состоит из неорганических и органических веществ. Вне биосферы образование почвы невозможно. Под воздействием микроорганизмов , растений и животных на горных пород ах начинает постепенно формироваться почвенный слой Земли. Накопленные в организмах биогенные элементы после их гибели и разложения опять переходят в почву.
Процессы, происходящие в почве, являются важным компонен-том круговорота веществ в биосфере . Хозяйственная деятельность человека может привести к постепенному изменению состава почвы и гибели живущих в ней микроорганизмов. Вот почему необходима разработка мер разумного использования почвы. Материал с сайта
Гидросфера играет важную роль в распределении тепла и влажности по планете , в круговороте веществ , поэтому она также оказывает мощное влияние на биосферу. Вода является важным компонентом биосферы и одним из наиболее необходимых факторов для жизни организмов. Основная часть воды находится в океанах и морях. В состав океанической и морской воды входят минеральные соли, содержащие около 60 химических элементов. Кислород и углерод, необходимые для жизни организмов, хорошо растворяются в воде. Водные животные в процессе дыхания выделяют углекислый газ, а растения в результате фотосинтеза обогащают воду кислородом.
Планктон
В верхних слоях океанических вод, достигающих в глубину 100 м, широко распространены одноклеточные водоросли и микроор-ганизмы, которые образуют микропланктон (от греч. plankton — блуждающий).
Около 30% фотосинтеза, осуществляющегося на нашей планете , происходит в воде. Водоросли, воспринимая солнечную энергию, превращают её в энергию химических реакций. В питании водных организмов основное значение имеет планктон .
Биомасса
Биомасса, как производная энергии Солнца в химической форме, является одним из наиболее популярных и универсальных ресурсов на Земле. Она позволяет получать не только пищу, но и энергию, строительные материалы, бумагу, ткани, медицинские препараты и химические вещества. Биомасса используется для энергетических целей с момента открытия человеком огня. Сегодня топливо из биомассы может использоваться для различных целей - от обогрева жилищ до производства электроэнергии и топлив для автомобилей.
Химический состав биомассы
Химический состав биомассы может различаться в зависимости от ее вида. Обычно растения состоят из 25% лигнина и 75% углеводов или сахаридов. Углеводородная фракция состоит из множества молекул сахаридов, соединенных между собой в длинные полимерные цепи. К наиболее важным категориям углеводородов можно отнести целлюлозу. Лигниновая фракция состоит из молекул несахаридного типа. Природа использует длинные полимерные молекулы целлюлозы для образования тканей, обеспечивающих прочность растений. Лигнин представляет собой "клей", который связывает молекулы целлюлозы между собой.
Каким образом образуется биомасса?
Двуокись углерода из атмосферы и вода из грунта участвуют в процессе фотосинтеза с получением углеводов (сахаридов), которые и образуют "строительные блоки" биомассы. Таким образом, солнечная энергия , используемая при фотосинтезе, сохраняется в химической форме в биомассовой структуре. Если мы сжигаем биомассу эффективным образом (извлекаем химическую энергию), то кислород из атмосферы и углерод, содержащийся в растениях, вступают в реакцию с образованием двуокиси углерода и воды. Процесс является циклическим, потому что двуокись углерода может вновь участвовать в производстве новой биомассы.
В дополнение к своему эстетическому значению земной флоры биомасса представляет собой полезный и значимый ресурс для человека. В течение тысячелетий люди добывали энергию Солнца, сохраненную в виде энергии химических связей, сжигая биомассу в качестве топлива или употребляя ее в пищу, используя энергию сахаров и крахмала. В течение нескольких последних веков человечество научилось добывать ископаемую биомассу, в частности , в виде угля. Ископаемые виды топлива представляют собой результат очень медленной химической трансформации полисахаридов в химические соединения, сходные с лигниновой фракцией. В результате химический состав угля обеспечивает более концентрированный источник энергии. Все виды ископаемого топлива, которые потребляет человечество - уголь, нефть, природный газ - представляют собой древнюю биомассу. В течение миллионов лет на Земле остатки растений превращаются в топливо. Несмотря на то, что ископаемое топливо состоит из тех же компонентов - водорода и углерода - как и "свежая" биомасса, оно не может рассматриваться в качестве возобновляемого источника, потому что его образование требует весьма длительного времени.
Другое важное различие между биомассой и ископаемыми видами топлива определяется их воздействием на окружающую среду. В процессе разложения растения химические вещества попадают в атмосферу. Напротив, ископаемое топливо "заперто" глубоко под землей и не воздействует на атмосферу до тех пор, пока не будет сожжено.
Потребление биомассы растет быстрыми темпами и в развитых странах. В некоторых развитых странах биомасса используется весьма интенсивно. Например, Швеция и Австрия обеспечивают 15% потребности в первичных энергоносителях за счет биомассы. Швеция планирует увеличить потребление биомассы в будущем, сопроводив этот рост закрытием атомных и тепловых электростанций, использующих ископаемые виды топлива.
В США, где 4% энергии получают из биомассы (почти столько же, как от атомных электростанций), сегодня работают установки, сжигающие биомассу для получения электроэнергии общей установленной мощностью 9000 МВт. Биомасса может с легкостью обеспечить более 20% энергетических потребностей страны. Другими словами, имеющиеся земельные ресурсы и инфраструктура сельского хозяйства позволяют заменить все работающие атомные станции без изменения цен на продовольственные товары. Более того, использование биомассы для производства этанола могло бы уменьшить импорт нефти на 50%.
Распределение биомассы в мире
Общая масса живой материи (включая влажность) - 2000 миллиардов тонн
Общая масса наземных растений - 1800 миллиардов тонн
Общая масса леса -1600 миллиардов тонн
Количество наземной биомассы на одного жителя - 400 тонн
Количество энергии, накопленной наземной биомассой - 25 000 ЭДж (1 ЭДж=10 +18 Дж)
Годовой прирост биомассы - 400 000 миллионов тонн
Скорость накопления энергии наземной биомассой - 3000 ЭДж/год (95 TВт)
Общее потребление всех видов энергии - 400 ЭДж/год (12 TВт)
Потребление энергии биомассы - 55 ЭДж/год (1,7 TВт)
Биомасса в развивающихся странах
Несмотря на широкое применение биомассы в развивающихся странах, обычно оно неэффективно. Общая эффективность традиционного использования биомассы составляет только 5-15%. Кроме того, биомасса менее удобна для использования, чем ископаемое топливо. В некоторых случаях ее использование может быть опасно для здоровья , например, при использовании биомассы для приготовления пищи в плохо проветриваемых помещениях. При этом могут образовываться твердые частицы, CO, NОx, формальдегиды и другие органические вещества, концентрация которых может превысить уровень, рекомендуемый ВОЗ (Всемирная Организация Здравоохранения). Более того, традиционное использование биомассы (обычно сжигание древесины) часто ассоциируется с увеличивающимся дефицитом выращиваемой древесины, истощением запасов питательных веществ, проблемами уменьшения площади лесов и расширения пустынь. В начале 80-х годов почти 1.3 миллиарда жителей Земли обеспечивали свои потребности в топливе за счет уменьшения запасов древесины.
Доля биомассы в общем потреблении энергии:
|
Непал |
94 % |
|
Малави |
94 % |
|
Кения |
95 % |
|
Индия |
50 % |
|
Китай |
33 % |
|
Бразилия |
25 % |
|
Египет |
20 % |
Существует огромный потенциал биомассы, который может быть задействован в случае улучшения использования существующих ресурсов и увеличения продуктивности растений. Биоэнергетика может быть модернизирована путем использования современных технологий для преобразования исходной биомассы в современные и удобные для использования виды энергоносителей (такие, как электроэнергия , жидкие и газообразные топлива и подготовленное твердое топливо). В результате значительно большее количество энергии, чем сегодня, могло бы быть извлечено из биомассы. Это могло бы принести существенную социальную и экономическую пользу как сельскому так и городскому населению. Существующее в настоящее время ограничение доступа к удобным ресурсам ограничивает качество жизни миллионов людей в мире, в частности, в сельских районах развивающихся стран. Выращивание биомассы представляет собой сельский процесс, требующий больших человеческих ресурсов. В случае его развития могут быть созданы многочисленные рабочие места в сельскохозяйственных районах и ограничена миграция сельского населения в города. В то же время, выращивание биомассы может обеспечить развивающуюся в сельских районах промышленность удобным энергоносителем.
Пища или топливо?
Большая часть критики использования биомассы, особенно в крупномасштабном производстве топлива, связана с опасениями , что оно отвлекает сельское хозяйство от производства пищи, особенно в развивающихся странах. Основной аргумент заключается в том, что программы выращивания энергетических растений конкурируют с выращиванием пищевых культур различными способами (сельское хозяйство, инвестиции в сельские районы, инфраструктура, вода, удобрения, обученные человеческие ресурсы и т.д.), а это может привести к нехватке продовольствия и повышению цен. Однако, это так называемое противоречие "пища против топлива" оказывается преувеличенным во многих случаях. Предмет обсуждения более сложен, чем это обычно представляется, поскольку сельскохозяйственная и экспортная политика снабжения продовольствием представляют собой факторы огромного значения. Аргументы должны анализироваться с учетом реальной ситуации в мире , отдельной стране или регионе с обеспечением и потребностью в продовольствии (увеличением излишков продуктов питания в большинстве промышленных и некоторых развивающихся странах), использованием продовольствия в качестве корма для скота, недостаточным использованием аграрного потенциала, увеличивающимся потенциалом сельскохозяйственного производства и преимуществами или недостатками производства биотоплива.
Недостаток продовольствия и увеличение цен, с которыми столкнулась Бразилия несколько лет тому назад, часто связывали с реализацией программы "ProAlcool". Однако тщательное изучение не подтверждает, что производство этанола отрицательно воздействует на рынок продовольствия, поскольку Бразилия остается одним из самых больших экспортеров сельскохозяйственной продукции, а рост производства продуктов питания обгоняет темпы роста населения. Производство зерновых в стране в 1976 году составляло 416 кг на человека, а в 1987 году - 418 кг. Из 55 млн га земельных угодий , предназначенных для выращивания пищевых культур, только 4.1 млн га (7.5%) были использованы для выращивания сахарного тростника, что составляет только 0.6% общей площади страны, пригодной для экономического использования или 0.3% территории Бразилии. При этом только 1.7 млн га были использованы для производства этанола. Таким образом, противоречие между пищевыми и энергетическими культурами не является критическим. Более того, замена выращиваемых культур на сахарный тростник привела к увеличению выращиваемой пищи, поскольку багасса (тростник после гидролизной обработки) и сухие дрожжи используются для питания животных. Недостаток продовольствия и увеличение цен в Бразилии были вызваны комбинацией политических и экономических причин - политикой увеличения экспорта, гиперинфляцией, обесцениванием денег , политикой контроля цен на продукты местного производства и т.д. В этих условиях любые возможные негативные воздействия производства этанола могут рассматриваться как часть общих проблем, но не единственной проблемой.
Важно отметить, что развивающиеся страны испытывают на себе как продовольственную, так и энергетическую проблемы. Поэтому адаптация сельскохозяйственной практики должна учитывать это обстоятельство и развивать эффективные методы использования имеющейся земли и других ресурсов для удовлетворения как пищевых, так и энергетических потребностей с использованием агролесной системы.
Наличие земли
Фундаментальным отличием биомассы от других видов топлив является потребность в земле для ее выращивания. При этом возникает вопрос, как и кем эта земля будет использоваться. Существует два базовых подхода для определения способа использования земли. В рамках "технократического" подхода рассматриваются потребности, затем идентифицируются биологические источники, территории для выращивания и возможный экологический эффект. Такой подход игнорирует многие местные и большинство удаленных эффектов, вызываемых плантациями биомассы , а также игнорирует мнение местных фермеров, которые знают местные условия. В результате многие проекты в прошлом оказались неудачными. В рамках "комплексного" подхода задается вопрос, каким образом нужно использовать землю для обеспечения устойчивого развития, и рассматривается, какое сочетание методов и выращиваемых культур приведет к оптимальному использованию конкретного участка земли для удовлетворения потребностей в пище, топливе, корме для скота, социальном развитии и т.д. Такой подход требует полного понимания сложных вопросов землепользования.
Необходимо отметить, что продуктивность биомассы может быть увеличена, потому что во многих местах сегодня она низкая и составляет менее 5 т/га в год для древесных видов в условиях неэффективного менеджмента. Повышение эффективности является ключевым моментом как для формирования конкурентоспособных цен , так и для лучшей утилизации пригодных земель. Улучшение может включать идентификацию быстрорастущих видов, успешное размножение и использование комбинаций культур, новые знания о выращивании растений и биотехнологиях, которые могут привести к увеличению производительности растений в 5 - 10 раз по сравнению с их природным ростом.
Сегодня является возможным, в случае хорошего менеджмента, проведения исследований и выращивания отобранных видов растений на пригодных землях получить от 10 до 15 т/га в год в районах с умеренным климатом и от 15 до 25 т/га в год в тропических странах. Рекордное значение 40 т/га в год (сухой вес) достигнуто при выращивании эвкалипта в Бразилии и Эфиопии. Высокий выход биомассы может быть достигнут при выращивании трав, если существуют пригодные агроэкологические условия. Например, в Бразилии средний выход сахарного тростника вырос от 47 до 65 т/га (вес урожая) в течение последних 15 лет, в то время как в таких регионах, как Гавайи , Южная Африка и Квинсленд (Австралия) обычным урожаем считается 100 т/гa. Представляется возможным достичь трехкратного увеличения производительности для различных видов выращиваемых культур, как это было сделано для зерновых в течение последних 45 лет. Однако это потребует интенсивных аналогичных усилий и развития инфраструктуры.
Энергетическая емкость
При рассмотрении энергетического потенциала к биомассе относят все формы материалов растительного происхождения, которые могут быть использованы для получения энергии: древесину, травяные и зерновые культуры, отходы лесного хозяйства и животноводства и т.д. Поскольку биомасса представляет собой твердое топливо, ее можно сравнивать с углем. Теплотворная способность сухой биомассы составляет около 14 МДж/кг. Аналогичное значение для каменного угля и лигнита составляет 30 МДж/кг и 10-20 МДж/кг (см. таблицу далее). В момент образования (сбора урожая) биомасса содержит большое количество воды, от 8 до 20% в пшеничной соломе, 30 - 60% в древесине, до 75 - 90% в навозе сельскохозяйственных животных и 95% в водном гиацинте. В противоположность этому , влажность каменного угля находится в диапазоне от 2 до 12%. Поэтому плотность энергии в биомассе на этапе возникновения ниже, чем у каменного угля. С другой стороны, биомасса имеет преимущества с точки зрения химического состава. Зольность биомассы значительно ниже, чем угля. Кроме того, в золе биомассы обычно не содержатся тяжелые металлы и другие загрязнители, поэтому она может вноситься в почву в качестве удобрения.
Обычно биомассу ошибочно причисляют к низкосортным видам топлива, поэтому во многих странах ее использование даже не отражается в статистических отчетах. Однако она обеспечивает большую гибкость снабжения энергоносителями ввиду большого количества видов топлива, которые могут быть из нее получены. Энергия биомассы может использоваться для производства тепловой и электрической энергии посредством сжигания в современных устройствах - от миниатюрных домашних котлов до многомегаваттных электростанций, использующих газовые турбины. Системы, использующие биомассу в энергетических целях , обеспечивают экономическое развитие без увеличения парникового эффекта, поскольку биомасса является нейтральной по отношению к выбросам СО 2 в атмосферу в случае, если ее производство и использование осуществляется разумным образом. Биомасса обладает другими щадящими экологическими свойствами (малой эмиссией серы и оксидов азота) и может способствовать реабилитации деградированных земель. Растет понимание того, что использование биомассы в больших коммерческих системах основано на устойчивых, аккумулированных ресурсах и отходах и может улучшить управление природными ресурсами в целом.
Энергетическая емкость - сравнительная таблица
|
Вид |
Содержание воды, % |
МДж/кг |
КВт·ч/кг |
|
Дуб |
20 |
14,1 |
3,9 |
|
Сосна |
20 |
13,8 |
3,8 |
|
Солома |
15 |
14,3 |
3,9 |
|
Зерновые |
15 |
14,2 |
3,9 |
|
Рапсовое масло |
- |
37,1 |
10,3 |
|
Антрацит |
4 |
30,0-35,0 |
8,3 |
|
Бурый уголь |
20 |
10,0-20,0 |
5,5 |
|
Печное топливо |
- |
42,7 |
11,9 |
|
Биометанол |
- |
19,5 |
5,4 |
