Фотосинтез - основа получения фитомассы

Фотосинтез - это превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами лучистой энергии в энергию химических связей органических веществ. Источник лучистой энергии – Солнце. Фактически фотосинтез – биотехнологический способ преобразования энергии. Он происходит с участием хлорофилла и других, поглощающих лучистую энергию пигментов. Одно из важнейших уравнений фотосинтеза:

_свет

6СО₂+6Н₂О → С₆Н₁₂О₆+6О₂

На Земле ежегодно за счет фотосинтеза образуется около 1,5·10¹¹ т органического вещества, усваивается около 3·10¹¹ т углекислого газа и выделяется около 2·10¹¹ т свободного кислорода.

Наиболее значимым возобновляемым энергетическим ресурсом, как разновидность фитомассы, является древисина. Сжигание древисины – традиционный для сельской местности способ получения тепловой энергии. Как вид топлива она имеет ряд положительных качеств. Прежде всего, древисина – «чистое» топливо. Содержание серы в древисине менее 0,02%, азота – около 0,12%, что обуславливает низкий уровень содержания в продуктах сгорания сернистых и азотистых соединений. Зольность древесины составляет значение 0,5±0,1% ее сухого вещества. В коре деревьев содержится 3±2%, в листьях около 6% золы. Древесная зола – хорошее минеральное удобрение. Теплота сгорания древесины зависит как от сорта (сосна, береза, ива и др.), так и от влажности:

Q_д= - 0,196σ+19,7; МДж/кг,

где Q_д - удельная теплота сгорания, МДж/кг;

σ - относительная влажность, %[23].

Сразу, после заготовки древесины, ее влажность составляет около 50%. При этом Q_д =8…12МДж/кг. В процессе хранения под навесом или в хорошо проветриваемом сарае в течении года влажность древесины снижается до 20…25%, что обеспечивает повышение удельной теплоты сгорания до 10…15МДж/кг.

Коэффициент полезного действия современных котлов для сжигания древесины находится в пределах от 80% (при сжигании опилок, щепы и других отходов) до 90% и выше при сжигании древесных чурок и брикетов. Для сравнения – у газовых котлов КПД равен 90…95%, а при наличии теплоутилизатора – до 98%.

В странах Европы вопросу использования древесины в качестве энергоресурса уделяется большое внимание. Так в 2002 году доля древесного топлива составляла: в Швеции-14%; в Австрии-5,6; в Португалии-5,5%;во Франции-4,5%. В 2004 году в Финляндии работали на древесной щепе 485 котельных и ТЭЦ. В общем энергетическом балансе этой страны древисина составила 20%. Финский опыт использования древесного топлива изучается в Беларуси. Наша страна обладает большими запасами леса – около 40% территории занято лесом. Наряду с этим здесь требуется решить целый ряд проблем, таких как заготовка, транспортирование, хранение и подготовка к использованию древесных материалов в виде топлива.

В ряде стран, как например в Польше, разработана технология и имеется опыт выращивания на топливо кустарника – ивы быстрорастущей. Плантация этого растения продуктивно функционирует не менее 30 лет и дает ежегодно с одного гектара от 25 до 45 т фитомассы. Механизированная уборка кустарника производится переоборудованным комбайном «Ягуар» или кукурузоуборочным комбайном в период с декабря по март месяц ежегодно. Масса кустарника измельчается до длины не более 10 см и используется на топливо в виде щепы или брикетируется. Энергосодержание одной тонны полученного топлива при влажности до 40% составляет около 10 ГДж, что эквивалентно не менее чем 250м³ природного газа.

Предприятия АПК не могут обходится без жидкого топлива для автотракторной техники. Альтернативной традиционному дизельному топливу могут стать биодизельное топливо и этанол. Наша республика имеет хорошие возможности для освоения и широкого использования технологий производства этих энергоносителей. Общий потенциал производства биодизельного топлива и этанола на топливо оценивается в 1 млн. т у. т в год, а при активном инвестировании и внедрении данного направления к 2010 году объем замещения традиционных видов топлива может составить около 20 тыс. т у. т. в год [18].

В качестве исходного материала для получения биодизельного топлива хорошо подходит рапсовое масло (при существующих технологиях возделывания этой культуры и получения из нее масла). При его дальнейшей переработке можно получать с 1 га пашни около 1000кг топлива, что при удельном энергосодержании 39…40МДж/кг будет соответствовать выходу энергии около 39 ГДж/га.

При использовании сахарной свеклы для получения этанола на топливо, его выход составляет около 79 кг на одну тонну свеклы. Энергосодержание этанола около 34МДж/кг. При урожайности сахарной свеклы около 500ц/га, с одного гектара можно получить до 4000кг этанола. Эквивалентный выход энергии с 1 га пашни составит около 135 ГДж/га.

В процессе переработки фитомассы можно получать горючие газы, масла, древесный уголь. Здесь можно использовать пиролиз, который реализуется путем нагревания фитомассы без доступа воздуха либо за счет сгорания некоторой ее части при ограниченном доступе кислорода. Продукты пиролиза, как энергоносители, более универсальны и экологичны, чем исходный материал.