מבוא: הסעיף הבין-תחומי של התרמודינמיקה והביוטכנולוגיה

אנרגיה ביולוגית – אנרגיה שמקורה בחומרים אורגניים כגון חומר צמחי, שאריות חקלאיות, פסולת אורגנית – עומדת במרכז המאמצים הגלובליים כדי לפחיד את ענף האנרגיה.ההבטחה ברורה: מקורות דלק מתחדשים, פחמן-ניטראליים שניתן לשלבם בתשתיות קיימות, אך הנתיב מביומסה לאנרגיה בלתי אפשרית אינו רק ממרה אחת, בין אם באמצעות התלקחות יעילה, או גזיפיד, הוא למעשה, הוא מסלק את החוקים הללו, או מגביל את מערכות העבודה הגמישות, לא מציאותיות, עד כמה שקשה להזיזו, או לא מציאותיות, הוא הרבה.

מאמר זה מספק צלילה טכנית עמוקה לעקרונות התרמודינמיים המגבילים מערכות ביו-אנרגיה בר-קיימא.אנו נבחן את החוקים הראשונים והשניים של התרמודינמיקה, את מושג האנטרופיה, את הגבלת היעילות של הקרנו, את יעילות ההמרה בעולם האמיתי ואת ההשלכות האסטרטגיות של עיצוב המערכת.על ידי הבנת מגבלות אלה, אנו יכולים לפתח פתרונות אנרגיה ביולוגית שאינם רק מבחינה טכנית, אלא גם מבחינה כלכלית וברת-קיימא מבחינה סביבתית.

עקרונות היסוד של Thermodynamic

החוק הראשון של התרמודינמיקה: שימור אנרגיה במערכות ביו-אנרגיה

החוק הראשון קובע כי אנרגיה לא יכולה להיווצר ולא להיחרב; היא יכולה רק לשנות טפסים.בצמח ביו-אנרגיה, האנרגיה הכימית המאוחסן ביומסה - מגובה על ידי ערך החימום הגבוה יותר שלה (HV) או ערך חימום נמוך יותר (LHV) - היא תמצית האנרגיה הזו, אך ניתן להמיר אותה לאנרגיה תרמית (חום), עבודה מכנית (למשל, הפיכת טורבונית), או אנרגיה ראשונה, כלומר, לא פחות יעילה, כלומר, לא פחות מצריכה של אנרגיה אחת, אפסית (אנרגיה אחת) של אנרגיה אחת, לא פחות יעילה, כלומר, לא פחות יעילה, כלומר, אפסית, כלומר, כלומר, אפסית, לא פחות יעילה, עם זאת אומרת: 1 של אנרגיה אחת, עם שפכים, עם זאת, עם שפכים, עם זאת, עם זאת, 1 של אנרגיה).

השלכות מעשיות: מהנדסי אנרגיה חייבים לעקוב אחרי כל ג'ול.לדוגמה, מנחת הביומסה עשויה להמיר 85% מהאנרגיה של הדלק לחום קיטור, בעוד מגבר עשוי להמיר רק 60-70% לסנגז, אבל עם היתרון של ייצור דלק אדמיניסטרציה גבוה יותר.החוק הראשון לבדו לא יכול להנחות החלטות עיצוב; זה חייב להיות מתואם עם החוק השני.

החוק השני של התרמודינמיקה: אנטרופיה ויציבות מגבילה

החוק השני מציג את הרעיון של אנטרופיה - מדד של הפרעה או חוסר זמינות של אנרגיה לעשות עבודה. בכל תהליך אמיתי, את המכלול של המערכת בתוספת סביבה עולה.זה אומר כי שום המרת אנרגיה לא יכול להיות 100% יעיל; כמה אנרגיה יש לדחות כמו חום פסולת בטמפרטורה נמוכה יותר.החוק השני מטיל מכסה יסודי על שבריר של אנרגיה חום שניתן להמיר לתוך עבודה זה הוא קוהמה, אשר תלוי רק על ידי חום טהור, לא רק על ידי חום.

עבור קובוס ביומסה הפועלת ב-900°C.3K) דוחה חום לסביבה ב-25 מעלות צלזיוס (298 K), יעילות Carnot היא 1 - (298/11=74.6%. בפועל, מערכות אמיתיות משיגות הרבה פחות עקב אי-נוחות: מחזורי חיכוך, אבדות חום, גירוי כימי, ושיעורי העברת חום סופיים.

(FLT:0) Entropy ו ExergyFLT:1): Exergy הוא העבודה הטובה ביותר המתקבלת ממערכת כמו שהיא מגיעה לאיזון עם סביבתה.ב bio Energy, ניתוח exergy מגלה היכן מתרחשים הפסדים.לדוגמה, כאשר ביומסה רטובה מיובשת באמצעות גזי שפעת חמים, את הזעם של ערבוב וחוסמת להפחית את exergy.

ה-Cremodynamic Constraints Specific to Bio Energy

גיבס אנרגיה חופשית ותגובה ספונטנית

המרה הביומסה לעתים קרובות מסתמכת על תגובות כימיות כגון בעירה, הידרוליזה, תסיסה, או התמדה.הספירה ומאזן של תגובות אלה נשלטים על ידי שינוי אנרגיה חינם גיבס ( ⁇ G) עבור תגובה להמשיך קדימה, ⁇ G חייב להיות שלילי. טמפרטורה, לחץ, והרכב משפיע על ⁇ G. לדוגמה, צלולוזיטיסה יש חיובי תחת תנאים אנזימים נמוכים או מתאטיסים של אנרגיה נמוכה.

זה מגביל פירושו כי לא כל חומרי המזינים ביומסה מתאימים באותה מידה לכל מסלולי מזון גבוהים עמיד בפני התקפה zymatic; הזנות עתירי שיער גבוהים יותר טוב לתהליכים רטובים כמו עיכול אנאירובי, בעוד חומרי מזון יבש מתאימים לבעירה או גז איחוד.הבנת הנוף התרמודדינמי של תגובות להאכיל את בחירתם וטכנולוגיות טרום טיפול.

תוכן מויסטאור וייבוש הפין יעילות

הביומסה כפי שנקטף לעתים קרובות מכיל 30-60 מים על ידי משקל.ייבוש מים זה דורש אנרגיה משמעותית.חום של נפיחות של מים הוא בערך 2.26 MJ / ק"ג ב 100 מעלות צלזיוס, אבל מערכות יבשה מעשית דורשות 3-5 מ"ג"ג לקילומטרים של מים הוסרו.

באופן דינמי, זה לעתים קרובות יותר טוב להשתמש ביומסה רטובה בתהליכים רטובים (למשל, עיכול אירובי או גז הידרותרמי) שבו מים אינם אויב אלא מגיבים או בינוני.זה ממחיש עיקרון מפתח: תכנון נתיב ההמרה כדי להתאים את המאפיינים התרמודינמיקה של המזינים מצמצם את ההרס exergy.

מגוון והכחשה אנרגיה

ביומסה היא לא דלק אחיד.הוא כולל צלולוז, hemicellulose, lignin, תמציתיות, ואפר.כל רכיב יש ערכים שונים של חימום קינטיקה תגובה. Lignin, למשל, יש צפיפות אנרגיה גבוהה יותר (כ 25-27 מ"ג / ק"ג) מאשר תאים (17-19J / ק"ג) תוכן מלוטש את הדלק ויוצר / מזחלות / מזחלות בעיות גבוהות יותר של אנרגיה זו; אבל תכונות דלקתיות נמוכה יותר של מזון צמחי מרפאה (Ric) הוא יותר) מאשר רכיבי חומצה גבוהה יותר של חום (Ric) אבל חומר צלול יותר (Ric) מאשר חומצה גבוהה יותר (Rirdine) מאשר רכיבי חומצה גבוהה יותר (Ric) מאשר cird) מאשר חומצה גבוהה יותר של חום גבוהה יותר (Rird) מאשר חומצה פוליג') מאשר רכיבי חומצה פוליג') מאשר תאים) מאשר רכיבי חומצה פוליג') מאשר crefrose (מ / ק"ג') מאשר חומצה פוליג') מאשר חומצה גבוהה יותר של חום (17-19J / ק"ג' / ק"ג' / ק"ג' / ק"ג' / ק"ג') מאשר חומצה פוליג') מאשר חומצה פוליג'

ניתוח Exergy של ביומסה מגלה כי ההפסדים העיקריים להתרחש בהפרדה של רכיבים שימושיים מחומר אינרטי. מערכות המרה מתקדמות כגון pyrolysis מהיר נועד לייצר שמן ביו עם צפיפות exergy גבוהה יותר, אבל הם גם דורשים ניהול זהיר של גזים char ולא ניתן לערעור כדי לשמור על יעילות כוללת.

גבולות של שיטות ביו-אנרגיה נפוצות

אינטגרציה ישירה לחום וכוח

שילוב ישיר הוא הטכנולוגיה הפשוטה והבוגרה ביותר.ביומסה נשרף ברתיחה כדי לייצר קיטור שמניע טורבינות.טווח יעילות חשמלי טיפוסי מ-20% עבור צמחים קטנים (<10 MW) ל-35% עבור צמחים מודרניים בקנה מידה גדול באמצעות מחזורי חימום מחדש ומיזוג מיטה נוזלית (אך ורק על ידי הגבלת חום כוללת של 600 מעלות צלזיוס) הוא קבוע על ידי הגבלת חום כולל של 25 מעלות צלזיוס, אפילו על ידי לחץ על ידי לחץ פיזי לחץ על פני שטח קבוע (C).

Anerobic Digestion for Biogas

העיכול אנאירובי (AD) ממיר חומר אורגני רטוב לתוך ביוגז (60% מתאן, 40% CO2) באמצעות סדרה של תגובות מיקרוביאליות.יעילות ההמרה הכוללת של אנרגיה מזין למאן היא בדרך כלל 50-70% על בסיס LHV. האנרגיה שנותרה לאיבוד כחום (משחררי חילוף חומרים מיקרוביאליים) וכמגור בלתי נמנע.ה של תהליך גזי החממה ליד טמפרטורות ממין (35-55 מעלות צלזיוס), כך שפחות למגבלות פעילות גופנית (5%) היא יעילה ביותר) ו- 55%) היא יעילה ביותר (משחררת לחץ דם נוזלית) ו-4%) ו-4%) ו-4%) היא יעילה ביותר (מחץ חום (מחץ חום (מחץ חום (מחץ חום (מחדש (מחדש (מחדש) ו- 55%) ו- 55%) ו-4%) ו-4%) ו-4%) ו-4%) ו-4%) ו-הדלק חום (מחדשן (מחדשנימוקגניבהפעלתוגניבהירצינורגניבהמנה פועלת באופן בלעדי) ו-4%) ו- 5.5%) ו- 54%) ו-4%) ו-4%) ו-4%) ו- 54%) וגרם

גז עבור Syngas

גזיביות ממירות ביומסה מוצקות לסנגז (CO + H2) על ידי חמצון חלקי ב 700-1000 מעלות צלזיוס, יעילות הגז הקרה (אנרגיה כימית ב syngas / אנרגיה כימית ביומסה) טווחים מ 60% עד 80%.האנרגיה שנותרה היא חום (לא גירוי, חום הגיוני בגז) וכריזס.

פיזור לאתנול ודלקים ביולוגיים אחרים

הדור הראשון של אתנול תירס או סוכרקני משתמש בתסיסה של סוכרים לאתנול, ואחריו מיצוי של אתגרים תרמודינמיקה (אנרגיה תרמית / אנרגיה ביומסה) הוא בערך 35-45% עבור תירס (לאחר חשבונאית עבור קלטות אנרגיה עבור טיפוח, עיבוד, וניתוקציה) העונש השני מגיע מן הצורך להפריד את האור באמצעות דילול באמצעות דילול, אשר דורש בערך 10-15 / ג'מול (nol) הוא דורש שילוב אנרגיה נמוך של חומר זה (דלקת) או זיהום) של חומר חומצי) אך הוא עשוי (דלקת חום עצמי (דלקת חום עצמי) הוא דורש) נמוך יותר של חומר זה (דלקת חום (דלקת חום (דלקת מים).

השלכות אסטרטגיות לפיתוח אנרגיה ביולוגית בר קיימא

אינטגרציה ושיקום חום

ניתוח התרמודינמיקה מבהיר כי זרמי חום פסולת חייבים להיות נתפסים ו reuse.תהליך שילוב באמצעות ניתוח צובט מזהה רמות טמפרטורה שבו חום יכול להיות קזד מתהליכים עתירי זמן גבוהה (למשל, יציאה גז) כדי להפחית את צרכי הזמן (לחיות, חימום, מחוספס) על ידי צמצום הרס גזי גזי חממה, יעילות כוללת יכולה לשפר עד 10-20 נקודות, לדוגמה, כדי להפחית את צריכת דלק צמחי מרפאה.

(FLT:0)Combined Heat and Power (CHP)BuildFLT:1: כאמור, CHP הוא פתרון תרמודינמי קלאסי: הוא משתמש בחום גבוה לחשמל ואת החום הנמוך של רמה נמוכה עבור יישומים תרמיים. זה תואם לחוק השני כי הוא נמנע משימוש בדלק אדמיניסטרגי גבוה לחימום נמוך.למעשה, אסטרטגיות ביו-אנרגיה לאומיות רבות ממליץ על תצורה של ברירת מחדל עבור צמחים חדשים.

טיפול מוקדם: Thermodynamic Trade-offs

טיפול מוקדם כמו torrefaction (הארכה של 250-300 מעלות צלזיוס), pyrolysis, או הידרותרמי פחמן יכול לשדרג ביומסה על ידי הגדלת צפיפות האנרגיה, צמצום לחות, ושיפור רווחי שחיקה. עם זאת, תהליכים אלה עצמם לצרוך אנרגיה.עבור torrefaction, כ -10-15% של אנרגיית הביומסה אבודה כתנודתיות חום.

בחירת הדרך הנכונה

מגבלות התרמודינמיקה מכתיבות כי אין נתיב ביו-אנרגיה יחיד הוא הטוב ביותר.עבור הזנת רטובה (למשל, פסולת מזון, מנקה, שפכים), עיכול אירובי או גזיבית (מים עליים) החוצה את הזיהומים של הבעירה כי לחות יבשה היא להימנע. עבור ביומסה יבשה, גז או בעירה עם CHP משפרת את התוכן התרמודנמינלי עבור תהליך קירור אנרגיה גבוהה יותר, כי הם גילוח.

תפקיד של לכידת פחמן ואחסון (BECCS)

אנרגיה ביולוגית עם לכידת פחמן ואחסון (BECCS) היא טכנולוגיה מתפתחת שיכולה להניב פליטות CO2 שליליות.עם זאת, התרמודינמיקה מעל פני הקרקע היא משמעותית. Capturing CO2 מגז פלואו גז דורש אנרגיה (בדרך כלל 2-4 מ"ג / ק"ג עבור התחממות פחמן), אשר מפחיתה את התפוקה החשמלית של ניתוח Exergy מראה כי התהליך תופסת חלק משמעותי של התחדשות נמוכה כל כך דורש טיפול תרופתי, כלומר, כלומר, עם טיפול תרופתי, עם טיפול תרופתי, כמו גם עם טיפול תרופתי, לחץ דם נמוך יותר, הוא צורך טיפול תרופתי, כי הוא נמוך יותר, 000, כי הוא צורך טיפול תרופתי, כי הוא נמוך יותר, כי הוא צורך טיפול תרופתי, כי הוא נמוך יותר, כי הוא צורך טיפול תרופתי, 000 לחץ דם נמוך יותר, 000, 000 לחץ דם נמוך יותר, כי הוא צורך טיפול תרופתי, 000 לחץ דם נמוך יותר, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 לחץ דם נמוך יותר, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, כי הוא צורך טיפול יעיל עבור סגסוגת לחץ דם נמוך יותר, 000, 000, 000, 000 לחץ דם נמוך יותר,

מסקנה: עבודה בתוך גבולות התרמודינמיקה

התרמודינמיקה אינה אוסרת על אנרגיה ביולוגית בת קיימא; היא פשוט אומרת לנו את המחיר של עשיית עסקים.כל מערכת ביו-אנרגיה, מתנור עץ פשוט ועד ביו-רפיטורי משולב מתקדם, פועל בתוך הגבולות שנקבעו על ידי החוקים הראשונים והשניים.הבנת מגבלות אלה מסייע למהנדסים להימנע ממאמץ מבוזבז ובירת עיצובים שאינם יכולים להשיג את מטרותיהם באופן פיזי.זה גם מצביע על כיוונים מבטיחים: תהליך, חום, חום ומזון, טיפול, וקצב, לחץ, טיפול, ודמיון, ומערכת טיפול, ומערכת טיפול, קרוב יותר, וחדשני.

בעוד העולם מאיץ את המעבר שלו מדלקים מאובנים, אנרגיית הביו-אנרגיה תמלא תפקיד חשוב - במיוחד במגזרים שבהם החשמל הוא קשה (תעשיית הכובד, התעופה) על ידי כבוד לעקרונות תרמודינמיקה, אנו יכולים לפתח פתרונות ביו-אנרגיה שאינם רק נשמעים תיאורטיים אך כמעט בר-קיימא.עתיד של אנרגיית הביו-אנרגיה אינו מתעלמת, אלא בתכנון פיקחיות בתוך אותם.

לקריאה נוספת על מגבלות תרמודינמיקה במערכות אנרגיה, ראה את ה-FLT:0 (National Renewable Energy Laboratory) (NREL)FLT:1 דוחות על ביומסה של יעילות המרה, ואת ה-FLT:2 סוכנות האנרגיה הבינלאומית (IEA) פורטל אנרגיה ביולוגית אנרגיה 3 (IEA) .