ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
БИОМАССА ВВЕДЕНИЕ
В энциклопедии биомасса определяется как любое неископаемое вещество биологического происхождения. Это определение является вполне приемлемым, несмотря на то что в данной книге мы сконцентрируем свое внимание на веществах исключительно растительного происхождения, которые можно использовать для получения энергии.
Биологические вещества растительного происхождения накапливают энергию, извлекая её из солнечного излучения. Этот сложный процесс преобразования солнечной энергии, в результате которого получается глюкоза, называется фотосинтезом. С помощью биохимического преобразования биомассы может быть получен ряд очень важных для химической промышленности веществ, однако с инженерной точки зрения нас будут интересовать только те вещества, которые могут быть использованы для получения энергии. Такими веществами являются глюкоза и её полимеры (крахмал и целлюлоза), а также лигнин. Эффективность процесса фотосинтеза не превышает 8 %, тогда как для получения растительной биомассы необходимо затратить множество усилий: выращивание, удобрение, сбор конечного продукта. Таким образом, суммарная эффективность полного цикла получения энергии из биомассы оценивается менее чем в 1 %. Однако, несмотря на все минусы, коммерческий интерес к использованию биомассы достаточно велик как по экономическим, так и по экологическим причинам.
Любое растение можно рассматривать как некую структуру со специализированными органами, обеспечивающими его рост и развитие. Так, за процесс фотосинтеза в растениях отвечают преимущественно листья, а через корневую систему в растение из почвы поступают вода и различные минеральные вещества, которые распространяются внутри растения в виде сока (растения на 50-95 % состоят из воды). В большинстве случаев плоды растения выполняют репродуктивную функцию, т. е. являются средством размножения. Все структурные части растения аккумулируют в себе энергию.
Листья, отвечающие за процесс фотосинтеза, содержат различные вещества, в том числе протеины и минералы. Во время своего жизненного цикла большинство растений сбрасывают листья или увядают в зимнее время, при этом листья, попавшие в почву, удобряют её.
Листья растений можно преобразовывать в биогаз (смесь метана и диоксида углерода) посредством их анаэробного разложения, а биологический остаток (шлам), получающийся после разложения, можно использовать как отличное удобрение.
Ствол растений состоит из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина в приблизительной пропорции 50, 30 и 20 %. Кроме того, в стволе содержатся различные минералы, которые после сгорания образуют золу в количестве около 1 первоначальной массы. Целлюлоза, полигексоза, гемицеллюлоза и полипентоза являются углеводами. Лигнин имеет фенольную структуру, трудно поддающуюся разложению микроорганизмами.
Энергия в растениях накапливается в виде углеводов, углеводородов и ело.' ных эфиров.
Углеводы состоят из сахаров и их полимеров, таких как крахмал, целлюло і и гемицеллюлоза. Сахара обычно накапливаются в соке, клубнях и плодах ра. • тений. Крахмал может накапливаться в плодах (виноград), клубнях (картофея I и в корнях растения (маниока).
Большая часть углеводородов, находящихся в растениях, относится к поти - изопренам (терпенам), т. е. к полимерам углеводорода ацетиленовой группы, изопренов С5Н8. Большое количество этих веществ содержится в молочае и каучуковом дереве.
Растительные масла насыщены сложными эфирами, которые химически отличаются от углеводородных минеральных масел. Как правило, масло, получг - ное из мякоти плодов растений, сильно отличается от масла, полученного из е ► семян. Исключением из этого правила являются оливки, масло плодов котор аналогично маслу семян.
Наибольший интересный с инженерной точки зрения представляют ма бобов, не растворяющиеся в бензине. Поэтому их можно использовать х смазки элементов бензонасосного оборудования. Так, Р. Дизель исполь вал пальмовое масло в качестве топлива в своих двигателях внутреннего с рания.
Если водород является наиболее широко распространенным элементом в природе, то углерод — наиболее универсальным. Углерод благодаря своей структуре может образовывать сложные соединения с другими химическими элементами. Атомы углерода могут соединяться, образуя графит или алмаз, а также такие необычные, но уже широко используемые структуры, как фуллерены и нанотрубки, обладающие фантастическими свойствами.
Простейшим углеводородом является метан СН4. Существует целый ряд соединений, подобных метану и имеющих общую формулу СиН2и+2- Они образуют семейство алканов, известное также как парафины, или насыщенные углеводороды. Другое семейство соединений — алкены, или олефины, — имеют общую формулу СиН2и. Алкины — это соединения вида СнН2п2 и т. д. вплоть до СиН2и_6, представляющие собой важнейший класс ароматических углеводородов — бензолов. Органическая химия начинается обычно с изучения этих соединений.
