ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОМАССЫ
При фотосинтезе в зеленых растениях используется солнечная энергия. Механизм фотосинтеза можно представить в виде следующей реакции: хлорофилл+пСб2+ -+-пН20-{-свет-»-хлорофилл -+-пСН20+п02, где СН20 — часть молекулы углевода, содержащей один атом углерода. Простейший углевод глюкоза имеет формулу 6(СН20), т. е. содержит шесть атомов углерода. Диоксид углерода и вода поглощают только ультрафиолетовое излучение и длинное инфракрасное излучение, а хлорофилл растений поглощает весь видимый свет (с дли-
О
ной волны короче 6800 А), при этом он активируется и передает свою энергию воде, которая выделяет атом водорода для реакции с С02. За этим процессом следуют другие химические реакции, в основном контролируемые энзимами и дающие жиры, белки и углеводы. Эффективность фотосинтеза в естественных условиях чрезвычай
но низкая — около 1 %, однако ежегодный прирост биомассы по своему энергосодержанию в 10 раз превышает годовое потребление энергии в мире и в 200 раз — энергосодержание пищи, потребляемой человечеством.
Основными источниками биомассы являются леса и сельское хозяйство. За год леса дают 7,5-1010 т биомассы, а отходы сельскохозяйственного производства — 4,2-109т биомассы. В лабораторных условиях эффективность фотосинтеза достигает 35 %.
Использование фотосинтеза для выращивания быстрорастущих растений — сахарного тростника, кенафа, подсолнечника, сорго, маниоки, сине-зеленых водорослей, переработка биомассы с помощью ‘солнечной энергии, биофотолиз воды для производства водорода, биоконверсия органических материалов в метан, пиролиз и химическое восстановление органических материалов с получением твердых, жидких и газообразных топлив — вот те технологии, которые разрабатываются для получения экологически чистого топлива^, с помощью солнечной энергии.
Производительность солнечной установки для выращивания водорослей зависит от интенсивности и спектрального состава света, тепловых и гидродинамических параметров процесса, конструкции фотосинтезирующего аппарата, концентрации углекислоты, количества и состава питательной среды, вида водорослей и т. п. Важным источником биомассы являются отходы сельского хозяйства, переработки древесины, городские пищевые отходы.
Преобразование биомассы в топливо включает биологические методы — аэробное брожение, анаэробную ферментацию, гидролиз с помощью кислот и энзимов, микробиологические и биофизические процессы, термохимические методы — пиролиз, восстановление, гидрогазификацию и прямое сжигание.
Из отходов можно производить синтетическую нефть и газ, биогаз и спирты, которые заменят нефтепродукты и природный газ, в том числе в двигателях внутреннего сгорания.
В Бразилии производят этиловый спирт из растительного сырья — сахарного тростника и маниоки, имеющих урожайность соответственно 50—60 и 15—40 т с 1 га. Выход этилового спирта составляет 70 л из 1 т сахарного тростника и 170 л из 1 т маниоки. Этиловый спирт заменяет бензин в 50 % автопарка страны.
Большие перспективы у солнечно-водородной энергетики. Водород удобен для транспорта энергии на большие расстояния по трубопроводам. Он является важнейшим химическим сырьем и энергоносителем, его можно применять в качестве экологически чистого (при его сжигании образуется вода) топлива для двигателей внутреннего сгорания и технологических процессов для производства электроэнергии в топливных элементах. Водород можно аккумулировать посредством гидридов металлов или в жидком виде. Производство водорода путем электролиза воды с использованием электроэнергии, получаемой на СЭС, является весьма эффективным и сравнительно дешевым процессом. Перспективен метод получения водорода путем биофотолиза воды с использованием фотосинтеза зеленых растений или сине-зеленых водорослей. Разрабатываются способы получения водорода с непрямыми химическими циклами, приводящими к разложению воды и получению водорода при невысоких температурах.
Г лава пятая
РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОЛНЕЧНЫХ
УСТАНОВОК