바이오매스란? 장점과 단점을 안다

유기 폐기물을 소위 바이오매스라고 하는 전기 에너지로 변환하는 방법을 이해합니다.

바이오매스

바이오매스는 숯, 장작, 사탕수수 버개스와 같이 에너지 생산을 목적으로 사용되는 모든 식물성 또는 동물성 유기물입니다. 전통적으로 저개발국에서 사용되는 분산되고 저효율의 에너지원이므로 글로벌 에너지 매트릭스에 대한 이 에너지원의 대표성에 관한 데이터가 어느 정도 부족합니다. 그러나 ANEEL의 보고서에 따르면 전 세계에서 소비되는 에너지의 약 14%가 이 소스에서 나오며 브라질 호흡기학 저널의 다른 연구에 따르면 가난한 국가의 농촌 지역 가정의 90%가 바이오매스에서 에너지를 사용합니다. 특히 사하라 사막 이남의 아프리카 및 아시아에서 연소(목재, 목탄, 동물 분뇨 또는 농업 폐기물).

화력 발전소에서 바이오매스의 사용이 증가하고 있으며 고립된 농촌 지역 사회와 같이 전기 공급 네트워크가 적용되지 않는 지역에 도달하는 데 사용되고 있습니다. 바이오매스로부터의 전기 생산과 열 생산을 결합하여 생산 시스템의 에너지 효율성을 높이는 열병합 발전 시스템의 사용 또한 점점 보편화되고 있습니다.

열병합발전이란?

숯이나 장작과 같은 바이오매스는 열전 발전기의 많은 부분을 구동하는 요소입니다. 연료 및 엔진 유형에 관계없이 이러한 발전기는 연료에 포함된 대부분의 에너지를 열로 손실합니다. 평균적으로 열의 형태로 환경에 손실되는 바이오매스 에너지는 전체 연료 에너지의 60~70%를 차지합니다. 따라서 발전기 효율은 약 30%~40%입니다.

많은 건물과 산업에서 난방(실내 환경 또는 물 난방)이 필요함에 따라 전기를 생산할 때 생성된 열을 증기 형태로 생산 공정에 통합하는 열병합 발전 시스템이 개발되었습니다. 이 시스템의 주요 장점은 가열 공정의 연비입니다. 이러한 방식으로 시스템의 에너지 효율이 증가하여 연료의 바이오매스 에너지의 최대 85%에 도달합니다.

브라질의 바이오매스

현재 국내 전기 생산에서 바이오매스로 사용될 가능성이 가장 큰 자원은 사탕수수 버개스이다. 설탕-알코올 부문은 주로 열병합 발전 시스템에서 바이오매스로 사용할 수 있는 많은 양의 폐기물을 생성합니다. 전기 생산의 잠재력이 큰 다른 식물성 품종은 야자 기름(야자 기름)으로 헥타르당 평균 연간 생산성이 사탕수수, 부리티, 바바수, 안디로바보다 4배 높습니다. 그들은 특히 아마존 지역에서 고립된 지역 사회에서 전기 공급을 위한 대안으로 나타납니다.

사탕수수에서 에탄올을 생산할 때 사탕수수의 약 28%가 버개스로 변환됩니다. 이 버개스는 추출 장비(63%) 및 발전(37%)의 배압 터빈에 사용되는 저압 증기 생산 공장에서 일반적으로 사용되는 바이오매스입니다. 제분소에서 나오는 대부분의 저압 증기는 주스(24%)의 공정 및 가열과 증류 장치에 사용됩니다. 평균적으로 각 기기는 바이오매스 잔류물 자체에서 공급할 수 있는 값인 약 12kWh의 전기 에너지를 필요로 합니다. 전기 생산에서 바이오매스로 사용될 가능성이 높은 기타 농업 잔류물은 왕겨, 캐슈넛 껍질 및 코코넛 껍질입니다.

바이오매스 전환 경로

바이오매스 공급원은 목질 채소(목재), 비목재 채소(당류, 셀룰로오스, 녹말 및 수생), 유기 폐기물(농업, 산업, 도시) 및 생체 유체(식물성 기름)로 분류될 수 있습니다. 바이오매스 전환 경로는 다양하며 이러한 전환 기술 덕분에 에탄올, 메탄올, 바이오디젤 및 바이오가스와 같은 다양한 바이오 연료를 얻을 수 있습니다. 주요 바이오매스 전환 과정은 다음과 같습니다.

직접 연소

목재 및 모든 종류의 유기 폐기물(농업, 산업 및 도시)과 같은 재료는 에너지를 생성하기 위해 연소될 수 있습니다. 연소 과정은 이러한 바이오매스 소스에 존재하는 화학 에너지를 열로 변환하는 것으로 구성됩니다. 에너지 목적을 위해 바이오매스의 직접 연소는 오븐과 스토브에서 수행됩니다. 그 실용성에도 불구하고 직접 연소 과정은 상당히 비효율적인 경향이 있습니다. 또한, 공정에 사용 가능한 연료는 일반적으로 습도가 높고(장작의 경우 20% 이상) 에너지 밀도가 낮아 저장 및 운송이 어렵다.

가스화

도시 및 산업 유기 폐기물 및 목재에 적용되는 기술입니다. 가스화는 열화학적 반응을 통해 고체 바이오매스 소스를 가스 상태로 전환하는 것으로 구성되며, 연소에 필요한 최소량 미만의 양의 뜨거운 증기와 공기 또는 산소를 포함합니다. 생성된 가스의 조성은 일산화탄소, 수소, 메탄, 이산화탄소 및 질소의 혼합물이므로 이러한 비율은 특히 산화에 사용되는 공기 또는 산소와 관련하여 공정 조건에 따라 다릅니다. 이 바이오매스의 연소로 생성된 연료는 고체 연료 버전보다 더 다재다능하고(가스터빈뿐만 아니라 내연 기관에도 사용 가능) 깨끗합니다(황과 같은 화합물은 공정 중에 제거될 수 있음). 또한, 가스화로부터 합성 가스를 생산할 수 있으며, 이는 모든 탄화수소의 합성에 적용할 수 있습니다.

열분해

탄화라고도 하는 열분해는 바이오매스 공급원(일반적으로 장작)을 공급원 물질보다 2배 높은 에너지 밀도를 갖는 다른 연료(숯)로 전환하는 가장 오래된 과정입니다. 농업 기원의 유기 잔류물도 종종 열분해의 대상이 됩니다. 이 경우 잔류물을 미리 압축해야 합니다. 이 방법은 공기가 "거의 없는" 환경에서 재료를 가열하는 것으로 구성됩니다. 열분해는 또한 산업 부문에서 널리 사용되는 재료인 가연성 가스, 타르 및 화목을 생산합니다. 공정 결과는 원재료의 상태(양, 수분)에 따라 크게 달라집니다. 1톤의 숯을 생산하려면 4~10톤의 장작이 필요할 수 있습니다.

에스테르 교환 반응

두 가지 알코올(메탄올과 에탄올)과 염기(수산화나트륨 또는 수산화칼륨) 사이의 반응에서 식물성 기름 바이오매스를 중간 생성물로 변형시키는 화학 공정입니다. 이러한 유형의 바이오매스의 에스테르 교환 반응의 생성물은 글리세린과 바이오디젤이며, 이는 디젤과 유사한 조건을 나타내며 차량 또는 고정식 내연 기관에 적용될 수 있습니다.

혐기성 소화

열분해와 마찬가지로 혐기성 소화는 산소가 "거의 없는" 환경에서 이루어져야 합니다. 원래의 바이오매스는 거의 모든 유기 화합물에서 자연적으로 발생하는 것처럼 박테리아의 작용에 의해 분해됩니다. 동물 분뇨 및 산업 폐기물과 같은 유기 폐기물은 생물 소화기에서 혐기성 소화(산소가 없을 때 발생)를 통해 처리할 수 있습니다. 박테리아의 작용으로 분해에 필요한 가열이 발생하지만 추운 지역이나 시간에는 추가 가열이 필요할 수 있습니다. 혐기성 소화의 최종 생성물은 기본적으로 메탄(50~75%)과 이산화탄소로 구성된 바이오가스입니다. 생성된 폐수는 비료로 사용할 수 있습니다.

발효

이것은 사탕수수, 옥수수, 비트 뿌리 및 기타 식물 종과 같은 바이오매스 공급원에 존재하는 당을 알코올로 전환시키는 미생물(보통 효모)의 작용에 의해 수행되는 생물학적 과정입니다. 바이오매스 발효의 최종 결과는 에탄올과 메탄올의 생산입니다.

바이오매스의 적용 가능성

바이오매스는 재생 가능한 에너지원으로 간주되며 석유, 석탄과 같은 화석 연료를 대체하여 화력 발전소에서 전기를 생산하는 데 사용되었으며 재생 불가능한 에너지에 비해 오염 가스를 적게 배출합니다. 그러나 화석 연료가 아님에도 불구하고 연구에 따르면 연소하는 바이오매스는 독성 가스, 미립자 물질 및 온실 가스의 세계 최대 발생원 중 하나입니다.

산림, 사바나 또는 기타 유형의 초목이든 넓은 지역에서 연소하는 경우 유황 배출은 빗물의 pH를 변화시켜 산성비의 발생에 기여합니다. 메탄과 이산화탄소의 배출은 온실효과의 심화에 기여하고, 수은의 배출은 수중생물의 오염을 초래하고 인체 건강에 유해한 물질인 메틸수은의 형성을 가능하게 한다.

실내 환경(장작 난로, 벽난로 등)에서 바이오매스 연소 과정에서 발생하는 물질에 반복적이고 장기간 노출되면 아동의 급성 호흡기 감염 증가와 관련이 있으며, 이는 발달 중인 아동의 주요 사망 원인 중 하나로 간주됩니다. 국가. 또한 만성폐쇄성폐질환, 진폐증(먼지 흡입에 의한 질병), 폐결핵, 백내장, 실명의 증가와도 관련이 있다. 사탕수수 짚을 태우는 경우 사탕수수 농장 주변에 거주하는 인구는 일 년 중 약 6개월 동안 태운 바이오매스의 먼지에 노출됩니다.

이러한 이유로 국가 환경 위원회(Conama)는 사탕수수 바이오매스의 외부 연소로 인한 열 발생 과정에서 대기 오염 물질에 대한 배출 제한을 설정하여 배출을 규제하고 바이오매스 연소와 관련된 사회적 및 환경적 영향을 완화할 수 있습니다.

바이오매스는 또한 화석 연료, 특히 석유와 달리 시장에 유연성과 안정성을 제공하여 다양한 재료로 생산할 수 있는 가능성을 제공합니다. 또 다른 요점은 농업, 산업 및 도시 유기 폐기물을 사용하여 전기를 생산함으로써 단순한 폐기보다 더 "지속 가능한" 목적지를 받고 있다는 것입니다. 연구에 따르면 브라질의 대부분의 농업 잔류물은 옥수수, 콩, 쌀, 밀이며 처음 두 가지는 바이오디젤 생산에 자주 사용되는 원료입니다.

브라질은 바이오매스 생산에 사용될 수 있는 넓은 경작지가 존재하고 일년 내내 강렬한 태양 복사를 받는 등 바이오매스 에너지 생산에 유리한 조건을 가지고 있습니다. 그러나 식물성 원료를 직접 사용하는 1세대 바이오연료 생산에 대한 우려가 있다. 이 경우 바이오 연료는 농업 부문과 경작지 경쟁 상황을 방지하여 인구의 식량 안보를 위험에 빠뜨릴 수 있습니다. 넓은 땅과 관련된 또 다른 문제는 환경 보전 문제입니다. 농업과 경쟁하는 것 외에도 바이오 연료는 환경 보전을 위해 지정된 지역에 압력을 가할 수 있습니다.



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