Биомасса

Биома́сса или биоматéрия — совокупная масса растительных и животных организмов, присутствующих в биогеоценозе определённого размера или уровня.

Биомасса Земли составляет 2420 миллиардов тонн. Люди дают около 350 миллионов тонн биомассы в живом весе или около 100 миллионов тонн в пересчете на сухую биомассу — пренебрежимо малое количество в сравнении со всей биомассой Земли.

Состав биомассы Земли

Организмы континентальной части

• Зеленые растения — 2400 млрд тонн (99,2 %)
• Животные и микроорганизмы — 20 млрд тонн (0,8 %)

Организмы океанов

• Зеленые растения — 0,2 млрд тонн (6,3 %)
• Животные и микроорганизмы — 3 млрд тонн (93,7 %)

Таким образом, большая часть биомассы Земли сосредоточена в лесах Земли. На суше преобладает масса растений, в океанах масса животных и микроорганизмов. Однако скорость прироста биомассы (оборот) намного больше в океанах.

Оборот биомассы

Если рассмотреть прирост биомассы к уже имеющей массе, то получаются такие показатели:

• Древесная растительность лесов — 1,8 %
• Растительность лугов, степей, пашни — 67 %
• Комплекс растений озёр и рек — 1400 %
• Морской фитопланктон — 1500 %

Интенсивное деление микроскопических клеток фитопланктона, быстрый их рост и кратковременность существования способствуют быстрому обороту фитомассы океана, который в среднем происходит за 1—3 суток, тогда как полное обновление растительности суши осуществляется за 50 лет и более. Поэтому несмотря на небольшую величину фитомассы океана, образуемая ею годовая суммарная продукция сопоставима с продукцией растений суши. Небольшой вес растений океанов связан с тем, что они за несколько суток поедаются животными и микроорганизмами, но также за несколько суток восстанавливаются.

Ежегодно в биосфере в процессе фотосинтеза образуется около 150 млрд тонн сухого органического вещества. В континентальной части биосферы самыми продуктивными являются тропические и субтропические леса, в океанической — эстуарии (расширяющиеся в сторону моря устья рек) и рифы, а также зоны подъема глубинных вод — апвеллинга. Низкая продуктивность растений характерна для открытого океана, пустынь и тундры.

Применение биомассы в энергетике

График, илюстрирующий динамику использования биомассы как топлива (по 5 наиболее использующим её странам)

Биомасса — шестой по запасам из доступных на настоящий момент источников энергии после горючих сланцев, урана, угля, нефти и природного газа. Приближённо полная биологическая масса земли оценивается в 2,4⋅10¹² тонн.

Биомасса — пятый по производительности возобновимый источник энергии после прямой солнечной, ветровой, гидро- и геотермальной энергии. Ежегодно на земле образуется около 170 млрд тонн первичной биологической массы и приблизительно тот же объём разрушается.

Биомасса — крупнейший по использованию в мировом хозяйстве возобновляемый ресурс (более 500 млн тонн у. т. в год)

Биомасса применяется для производства тепла, электроэнергии, биотоплива, биогаза (метана, водорода).

Основная часть топливной биомассы (до 80 %), это прежде всего древесина, употребляется для обогрева жилищ и приготовления пищи в развивающихся странах.

Примеры

Топливные пеллеты

В 2002 году в электроэнергетике США было установлено 9733 МВт генерирующих мощностей, работающих на биомассе. Из них 5886 МВт работали на отходах лесного и сельского хозяйства, 3308 МВт работали на твёрдых муниципальных отходах, 539 МВт на других источниках.

В 2003 году 4 % всей энергии в США производилось из биомассы.

В 2004 году во всём мире производили электричество из биомассы электростанции общей мощностью 35 000 МВт.

В настоящее время европейские страны проводят эксперименты по выращиванию энергетических лесов для производства биомассы. На больших плантациях выращиваются быстрорастущие деревья: тополь, акация, эвкалипт и другие. Испытано около 20 видов растений. Плантации могут быть комбинированными, когда между рядами деревьев выращиваются другие сельскохозяйственные культуры, например, тополь сочетается с ячменём. Период ротации энергетического леса — 6—7 лет.

Методом пиролиза из биомассы получают жидкое биотопливо, метан, водород. Возможно использование различного сырья: отходы древесины, солома, кукурузная шелуха и т. д. Из пшеничной соломы получается до 58 % биотоплива, 18 % угля и 24 % газов.

Распространено применение топливных пеллет — твёрдого топлива из отходов деревообрабатывающих и сельскохозяйственных производств.

Жидкое биотопливо

Из масличных культур при помощи этерификации выделенного растительного масла производится различное дизельное топливо (Биодизель). Проводятся исследования по выращиванию высокопродуктивных плантаций масляных водорослей.

Путём ферментации сахаросодержащих и крахмалсодержащих продуктов (злаки, картофель, сахарная свёкла), и с предварительным гидролизом в случае использования целлюлозосодежащего растительного сырья (древесина, солома, растительные отходы) получают этанол (биоэтанол). Этанол применяется в качестве моторного топлива в чистом виде и в смеси с бензинами, используется для производства этил-трет-бутилового эфира — качественного топлива для бензиновых двигателей, являющегося частично биотопливом в отличие от метил-трет-бутилового эфира.

Газификация биомассы

Из 1 килограмма биомассы можно получить около 2,5 м³ генераторного газа, основными горючими компонентами которого являются монооксид углерода (CO) и водород (H₂). В зависимости от способа проведения процесса газификации и исходного сырья можно получить низкокалорийный (сильно забалластированный) или среднекалорийный генераторный газ.

Из навоза животных методом метанового брожения получают биогаз. Биогаз на 55—75 % состоит из метана и на 25—45 % из СО₂. Из тонны навоза крупного рогатого скота (в сухой массе) получается 250—350 кубических метров биогаза. Мировой лидер по количеству действующих установок по производству биогаза — Китай.

Лэндфилл-газ — одна из разновидностей биогаза. Получается на свалках из муниципальных бытовых отходов. В США в 2002 году находилось в эксплуатации 350 заводов по производству лэндфилл-газа, в Европе — 750, всего в мире — 1152, общее количество производимой энергии — 3929 МВт, объём обрабатываемых отходов — 4548 млн тонн.

Ресурсы

Россия ежегодно накапливает до 300 млн тонн в сухом эквиваленте органических отходов: 250 млн тонн в сельскохозяйственном производстве, 50 млн тонн в виде бытового мусора.

США на свободных землях могут ежегодно выращивать 1,3 миллиарда тонн биомассы (Switchgrass — разновидности проса). Из этой биомассы можно получать биотоплива в объёме, эквивалентом 4,5 млн баррелей нефти в день.