Giriş: Termodinamik ve Bioenerjinin Intersection

Biyoenerji - bitki meselesi gibi organik malzemelerden elde edilen enerji, tarımsal kalıntıları ve organik atıklar - enerji sektörünü ortadan kaldırmak için küresel çabaların merkezinde. Söz konusu açık: yenilenebilir, karbon-nötr yakıt kaynakları, biyokütlelerin elde edilebilir enerji için yol basit bir tane değil - her dönüşüm, yanma, ferment veya gazlaştırma, termodinamik yasaları tarafından yönetilemez.

Bu makale, sürdürülebilir biyoenerji sistemlerinin kısıtladığı termodinamik ilkelerine derin bir teknik dalış sağlar. İlk ve İkinci Termodinamik Yasalarını inceleyeceğiz, entropi kavramı, Carnot verimliliği limiti, gerçek dünya dönüşüm efficileri ve sistem tasarımı için stratejik etkiler, sadece teknik olarak mümkün olmayan biyoenerji çözümleri geliştireceğiz.

Temel Termodinamik Prensipleri

Termodinamik İlk Yasası: Biyoenerji Sistemlerinde Enerji Koruma

İlk Kanun, enerjinin ne yaratılabileceğini veya yok olabileceğini belirtir; bu enerji sadece bir biyoenerji bitkisinde, biyokütlede depolanan kimyasal enerji - toplam enerji çıktısı (HV) veya daha düşük ısıtma değeri (LHV) ile aynıdır - bu enerji girişi, ısıtılabilir.

Pratik etkiler: Enerji muhasebesi önemlidir. Mühendisler her joule'yi takip etmelidir. Örneğin, bir biyokütle yanma kazanı, yakıtın enerjisini buhar ısısına dönüştürebilirken, bir gazlandırıcının sadece% 60-70'i singas'a dönüştürebilir, ancak daha yüksek bir enerji yakıt üretme avantajı ile birleştirilmelidir.

Termodinamik'nin İkinci Yasası: Entropy ve Verimlilik Sınırları

İkinci Kanun entropi kavramını tanıtmaktadır - bir bozukluk veya iş başına dönüştürülebilecek enerjinin yetersizliği. Bu kap, yalnızca sıcak kaynak ve soğuk batağın sıcaklıklarına bağlı olarak reddedilir.

900 °C'de çalışan bir biyokütücü için (1173 K) 25°C (298 K'de çevreye ısıyı reddetmesi, Carnot verimliliğinin 1 - (298/1173) = 74,6. Uygulamada, gerçek sistemler, geri dönüşüm, ısı kayıpları, kimyasal reaksiyon kinetiği ve sonlu ısı transfer oranları gibi daha azını elde edebilir.

[FONT:0)Entropy ve Exergy[[Dönder: Exergy, çevreyle dengeye ulaşırken, biyolojik olarak üretilen bir sistemden elde edilen en iyi iştir.In bioenerji, exergy analysis shows where changes is Stud. For example, when ıslak biomass is Stud using hot flue Gass, the entropi of Mix and buharlaşma helps exergy. such analysis helpe process improve.

Termodinamik Kıtlamalar Biyoenerjiye Özel

Gibbs Free Energy and Reaction Spontaneity

Biyokütme genellikle yanma, hidrolysis, fermentasyon veya methanasyon gibi kimyasal reaksiyonlara bağlıdır. Bu reaksiyonların kendiliğindenliği ve dengesi, Gibbs ücretsiz enerji değişimi (345G) için aktivasyon, 345G'nin geri alınması için bir reaksiyon için, 345G'yi etkileyen baskı ve kompozisyonun sadece küçük bir negatif 345G'ye sahip olması gerekir.

Bu kısıtlama, tüm biyokütlelerin yemlemelerinin tüm yollara eşit derecede uygun olmadığı anlamına gelir. Yüksek hacimli malzemeler enzymatik saldırıya karşı direnir; yüksek-moist yemstocks, anaerobik sindirme gibi ıslak süreçler için daha iyi, kuru yemlemeler, kılavuzların termodinamik peyzajını anlamayı gerektirir.

Moisture Content ve Kuru Ceza Verimliliği

Biyokütle olarak yapılan biyokütleler genellikle ağırlık ile 30-60 su içerir. Bu su, yüksek enerji verimini azaltır ve ısıtılır. 100°C'de yaklaşık 2.26 MJ/kg, ancak pratik kuru sistemleri MJ'nin ısısını azaltır, MJ'i doğrudan ısıtır.Bu enerji miktarından azaltır.

Termodinamik olarak, ıslak süreçlerde ıslak biyokütleler kullanmak genellikle daha iyidir (örneğin, anaerobik sindirme veya hidrotermal gazification) su bir düşman değil, tepki veya orta gösterir. Bu, yemstock’un termodinamik özelliklerini en aza indirmek için dönüşüm rotasını tasarlayın.

Kompozisyon ve Enerji Yoğunluğu

Biyokütler tek bir yakıt değildir. Hücresel, yarıkurallar, ligin, ekstraktifler ve ash. Her bileşen yüksek sıcaklık sistemlerinde farklı ısıtma değerleri ve reaksiyon kinetiği. Lignin, örneğin, MJ/ MJkg) daha fazla recalcitrant (17-19/kg) ile işlem sırasında homojenleştirici bir şekilde ısıtılabilir.

Biyokütlelerin Exergy analizi, ana kayıpların inert maddeden gelen kullanışlı bileşenlerin ayrılmasında meydana geldiğini ortaya koyuyor. Hızlı pirolizli olarak biyo-peyi daha yüksek exergy yoğunluğu ile üretmek için hızlı dönüşüm sistemleri, ancak aynı zamanda genel verimliliğini korumak için dikkatli bir yönetim gerektirir.

Gerçek Dünya Verimliliği Ortak Biyoenerji Yolu Sınırları

Heat ve Power için Doğrudan Combustion

Doğrudan yanma en basit ve en olgun teknolojidir. Biomass, buharlı bir türbin ısıtılması için bir kazanmaktadır. Tipik elektrik efficiencies, küçük ölçekli bitkiler için% 20'den (%<10 MW) daha büyük ölçekli modern bitkiler için buharlı ısınıyor ve sıvılaşmış yatak yanma ile yanılıyor.

Biogasbici Biyogas için Analiz

Anaerobik sindirme (AD), organik maddeyi biyogazateye dönüştürür (6% methane,% 40 CO2) bir dizi mikrop reaksiyonları ile çalışır ve iş çıkarmalarının genel dönüşüm verimliliği genellikle% 50-70 oranında kullanılır; biyogaz, %35-40 oranında, genel olarak ısıyınır (mikrütle ısıyı) veya ısıyınır.

Syngas için Gazification

Gazifikasyon, sıvı yağ basıncı (C) ile ısıtılabilir (CO + H2) ve 700-1000°C'de ısıtılabilir. Soğuk gaz verimliliği (kimyasal enerji singas / kimyasal enerjide% 60'tan% 80'e kadar kullanılabilir. Kalan enerji ısı (radyasyon, gaz ve asır ısı) ve kömür verimliliği daha düşük ısıya ihtiyaç duyar.

Ethanol ve diğer Biyo yakıtlara Fermentation

İlk nesil ehrin veya şekerkaneden etanol, şekerlerin etanoluna fermentasyonu kullanır, distillasyon yoluyla takip edilir. Termodinamik verimlilik (ol enerji / biyokütme enerjisi) mısır için yaklaşık% 35-45'dir (enerji girişleri için, üretim, işleme ve kesintiye uğramadan sonra).

Sürdürülebilir Biyoenerji Geliştirme için Stratejik Takplikasyonlar

Bütünleme ve Heat Recovery

Termodinamik analiz, atık ısı akışlarının yakalanması ve yeniden kullanılması gerektiğini açıkça ortaya koyar. pinch analizi kullanılarak yapılan entegrasyon, ısının yüksek sıcaklık proseslerinden (örneğin, gaz kurutma için egzoz ısısını kullanan biyoyönemli bir ısıtmaya kadar) ısınabilir.

[FONT:0]Combined Heat ve Power (CHP))[değiştir | kaynağı değiştir], CHP, elektrik ve düşük kaliteli ısı için yüksek düzeyde ısı kullanıyor.Bu, ikinci yasa ile uyumlu, çünkü düşük kaliteli ısıtma için yüksek kaliteli yakıt kullanmaktan kaçınıyor.

Feedstock Pre-ted: Termodinamik Trade-offs

Pre-tedaviksiyon (Bink-300°C'de küçülmek), piroliz veya hidrotermal karbonizasyon, biyolojik yoğunluğu artırmak ve nemlendirmeyi artırmak ve yüksek oranda enerji verimliliği sağlamak gibi tedavilerde bulunabilir.In torrefaction, biyolojik kütleli analizlerin yaklaşık% 10-15'i, ön tedavi ve ısının nasıl azaltılabileceği konusunda bilgi kaybının ortaya çıkmasını sağlar.

Doğru Dönüşüm Yolunu Seçin

Termodinamik kısıtlamalar tek bir biyoenerji rotasının evrensel olarak en iyi olmadığını gösteriyor. ıslak yemstocks (örneğin, gıda atıkları, manure, kanalizasyon çamuru), anaerobik sindirme veya hidrotermsiyon (sürekktik su) yanma, çünkü kurutmadan kaçınılıyor. Kuru ahşap biyokütmeler için, gazlaştırma veya yanma termodinamik olarak olumludur. yüksek hacimli rejimler için, yüksek enerji yıkımını azaltır.

Karbon Yakalanması ve Depolama (BECCS)

Karbon yakalama ve depolama ile biyoenerji (BECCS) negatif CO2 emisyonlarını sağlayabilecek bir teknolojidir. Bununla birlikte, termodinamik hava basıncının önemli bir kısmıdır.Enterji CO2 kullanımı yüksek çözünürlükte ısı kullanmak (tipik olarak 2-4 MJ/kg CO2 kullanmak) ve daha düşük bir elektrik çıkışı ile elde etmek gerekir. Exergy analizi, yakalama işleminin önemli bir kısmını kapsadığı anlamına gelir.Enterji girişinin verimli bir kısmını gerektirir.

Sonuç: Termodinamik Limitler içinde çalışmak

Termodinamik sürdürülebilir biyoenerjiyi yasaklamaz; bu kısıtlamaları anlamak, fiziksel olarak hedeflerine ulaşamayan tasarımlara da yardımcı olur: süreç entegrasyonu, birleşik ısı ve güç, ilk tedavi eşleme ve Carnot limitlerine daha yakın olan sınırları içinde çalışır.

Dünya fosil yakıtlardan geçişini hızlandırdığı için, biyoenerji önemli bir rol oynayacaktır - özellikle de elektriklileştirmenin zor olduğu sektörlerde (heavy endüstrisi, havacılık). Termodinamik ilkelerine saygı göstererek, sadece teorik olarak ses değil, pratik olarak sürdürülebilir olan biyoenerji çözümleri geliştirebiliriz.

Enerji sistemlerinde termodinamik sınırlar hakkında daha fazla okuma için, [FONTD) ► Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı (NREL)) Biyokütmeler ve uygulama sürecine yönelik pratik rehberlik için, bkz.DÜcretsiz Analiz sayfası).