Tipi di biocarburanti: un confronto delle caratteristiche dei combustibili solidi, liquidi e gassosi

Un'alternativa alle risorse energetiche tradizionali sono i vari tipi di biocarburanti, per la fabbricazione di quali materie prime vegetali o animali, rifiuti industriali e risultati dell'attività vitale degli organismi.

Ti offriamo la possibilità di comprendere i vantaggi e gli svantaggi dell'utilizzo di tale combustibile, scoprire le caratteristiche di produzione, caratteristiche funzionali, nonché valutare l'efficacia dell'uso di diversi tipi di biocarburanti. Le informazioni fornite ti aiuteranno a navigare nella selezione di fonti alternative di energia.

Cos'è il biocarburante

L'area più promettente nel settore energetico è la tecnologia che prevede l'uso di risorse rinnovabili, tra cui i biocarburanti.

Il tipo più comune di biocarburante è la legna da ardere convenzionale. Il 38% della popolazione mondiale li usa per riscaldare e cucinare

Come materie prime per la sua produzione, è possibile prelevare biomassa di origine vegetale / animale, compresi rifiuti industriali o rifiuti animali.

Il trattamento di tali sostanze viene effettuato con un metodo termochimico o biologico, in quest'ultimo caso il combustibile viene ottenuto utilizzando vari tipi di microrganismi.

La quota di utilizzo di carburanti biologici è in costante crescita, il che contribuisce alla conservazione delle risorse di idrocarburi fossili (+)

Molti paesi hanno programmi speciali per espandere la quota di biocarburanti nel consumo energetico nazionale e regionale. Un certo numero di stati ha anche standard obbligatori per l'uso di questa fonte di energia.

Vantaggi e svantaggi dei biocarburanti

I tipi biologici di carburante hanno i loro lati positivi e negativi. L'interesse per l'uso di questo tipo di materia prima è causato dai suoi indubbi vantaggi.

Questi includono:

• Costo di bilancio. Sebbene al momento i prezzi dei biocarburanti coincidano quasi con il costo della benzina, le sostanze biologiche sono considerate un tipo di carburante più redditizio, poiché producono meno emissioni durante la combustione. Il biocarburante è adatto per l'uso in varie condizioni, mentre può essere adattato a motori di diversi design. Un altro vantaggio è l'ottimizzazione del motore, che rimane pulito più a lungo a causa della piccola quantità di gas di scarico e fuliggine.
• mobilità. Il biocarburante si differenzia da altre opzioni per fonti di energia alternative nella sua mobilità. Le turbine eoliche e solari di solito includono batterie pesanti, motivo per cui vengono spesso utilizzate stazionarie, mentre i biocarburanti possono essere trasportati da una regione all'altra senza troppi problemi.
• Fonte di energia rinnovabile. Sebbene, secondo i ricercatori, i depositi esistenti di greggio durino almeno diverse centinaia di anni, le riserve fossili sono ancora limitate. I biocarburanti ottenuti da piante e rifiuti animali sono tra le risorse rinnovabili che non saranno minacciate di estinzione nel prossimo futuro.
• Protezione dell'atmosfera terrestre. Un grande svantaggio degli idrocarburi tradizionali è la grande percentuale di CO₂che viene rilasciato bruciando. Questo gas crea un effetto serra nell'atmosfera del nostro pianeta, creando le condizioni per il riscaldamento globale. Quando si bruciano sostanze biologiche, la quantità di anidride carbonica scende al 65%. Inoltre, le colture utilizzate nella produzione di biocarburanti consumano monossido di carbonio, riducendo la sua quota nell'aria.
• Sicurezza economica. Le riserve di idrocarburi sono distribuite in modo non uniforme, quindi alcuni stati sono costretti ad acquistare petrolio o gas naturale, spendendo ingenti somme per l'acquisizione, il trasporto e lo stoccaggio. Vari tipi di combustibile biologico possono essere ottenuti in quasi tutti i paesi. Poiché per la sua fabbricazione e trasformazione sarà necessario creare nuove imprese e, di conseguenza, posti di lavoro, ciò andrà a beneficio dell'economia nazionale e influirà positivamente sul benessere delle persone.

Il miglioramento della tecnologia e lo sviluppo di nuovi metodi possono migliorare l'effetto positivo dei biocarburanti. Pertanto, lo sviluppo di tecnologie che utilizzano plancton e alghe ridurrà significativamente il suo prezzo.

Allo stesso tempo, allo stato attuale dello sviluppo della scienza e della tecnologia, la produzione di biocarburanti è associata a una serie di difficoltà e inconvenienti. Prima di tutto, si tratta di restrizioni naturali nelle piante in crescita.

Per la crescita delle colture utilizzate per produrre biomassa, è necessario tenere conto di una serie di fattori, vale a dire:

• Uso dell'acqua. Le piante agricole consumano molta acqua, che è una risorsa limitata, specialmente in luoghi aridi.
• invasività. Le colture di carburante sono spesso aggressive. Annegano la flora autentica, che potrebbe danneggiare la biodiversità e l'ecosistema della regione.
• fertilizzanti. Molte piante richiedono l'aggiunta di nutrienti che possono danneggiare altre colture o l'ecosistema generale.
• Clima. Alcune zone climatiche (ad esempio deserto o tundra) non sono adatte alla coltivazione di biocarburanti.

La coltivazione attiva delle piante agricole è anche associata all'esaurimento delle risorse agricole, il mancato rispetto delle regole della tecnologia agricola può portare a una diminuzione del contenuto di utili componenti del suolo e, di conseguenza, al loro esaurimento, che aggraverà il problema alimentare.

Si verifica un'interruzione dell'ecosistema. Per la produzione di biomassa di solito richiede l'espansione dei territori coinvolti nell'agricoltura.

Spesso, a tale scopo, viene eseguita una pulizia del territorio, che porta alla distruzione del microecosistema (ad esempio foreste), alla morte di piante e animali.

Per produrre biocarburanti, è già in crescita un grande volume di colture. Oltre il 50% della colza prodotta in Europa, oltre un terzo del grano americano e quasi la metà della canna da zucchero coltivata in Brasile sono utilizzati per la produzione di biomassa.

Ci sono problemi con la coltivazione di monoculture. Per produrre un raccolto di biomassa più ampio, i produttori spesso seminano il terreno con una pianta particolare. Questa pratica non riflette bene sulla condizione dei terreni agricoli, poiché la monocoltura porta a un cambiamento nell'ambiente.

Sui campi occupati da una specie di piante, le varietà speciali di parassiti sono generalmente parassite. Un tentativo di combatterli con insetticidi e pesticidi porta solo allo sviluppo di resistenza a questi farmaci.

Per evitare i problemi sopra descritti, gli scienziati consigliano di non trascurare la biodiversità delle colture, combinando diverse piante nei campi e anche utilizzare varietà locali di flora.

Generazioni di carburanti alternativi

Una vasta gamma di materiali vegetali utilizzati per la biomassa è generalmente suddivisa in diverse generazioni.

Prima generazione. Questa categoria comprende colture che contengono un'alta percentuale di amido, zuccheri, grassi. Queste sono piante popolari come mais, barbabietole da zucchero, colza, soia.

Poiché la coltivazione di queste colture danneggia il clima e la loro rimozione dal mercato influisce sul prezzo dei prodotti, gli scienziati stanno cercando di sostituirli con altri tipi di biomassa.

Quasi tutti i tipi di moderni combustibili liquidi (biodiesel, etanolo) vengono attualmente prodotti da piante agricole appartenenti alla prima generazione di materie prime.

Seconda generazione. Il gruppo di biomassa comprende legno, erba, rifiuti agricoli (conchiglia, buccia). L'ottenimento di biocarburanti da tali materie prime è costoso, tuttavia consente di risolvere il problema del riciclaggio dei residui non alimentari con la produzione simultanea di materiali combustibili.

Una caratteristica delle culture incluse in questa varietà è la presenza di lignina e cellulosa in esse. Grazie a loro, la biomassa può essere bruciata e gassificata, nonché sottoposta a pirolisi, ricevendo combustibile liquido.

Il principale svantaggio della biomassa di seconda generazione è considerato un rendimento insufficiente per unità di superficie, motivo per cui devono essere allocate risorse di terra significative per tali colture.

Terza generazione. Le materie prime per la produzione di biocarburanti sono le alghe, che vengono coltivate su scala industriale, ad esempio in acque libere.

L'opzione più promettente sono i biocarburanti ottenuti dalle alghe unicellulari. Tali piante guadagnano rapidamente massa, mentre per coltivarle non è richiesta terra fertile.

Questa pratica ha grandi prospettive, tuttavia, al momento, tali tecnologie sono solo in fase di sviluppo. Gli scienziati stanno inoltre conducendo ricerche per creare tecniche per produrre biocarburanti di quarta e addirittura quinta generazione.

Tre varietà di biocarburanti

A seconda dello stato di aggregazione della sostanza, esistono tre tipi principali di biocarburanti:

1. una ditta: legna da ardere, torba, rifiuti animali e produzione agricola.
2. liquido: biodiesel, dimetiletere, bioetanolo, biobutanolo.
3. gassoso: biogas, metano, bioidrogeno.

Ogni tipo di sostanza ha le sue specifiche, che saranno discusse di seguito.

Tipo # 1: solido

Tra le varietà solide più popolari di biocarburanti ci sono legno, torba, rifiuti animali.

Legno (legna da ardere, trucioli di legno, segatura)

L'antico tipo di biocarburante è la legna da ardere che è ben nota a tutti ed è stata a lungo utilizzata per riscaldare case e cucinare. Fino ad ora, sono utilizzati attivamente in diversi paesi per produrre calore / elettricità, in particolare una grande centrale termoelettrica austriaca, con una capacità di 66 megawatt, opera sul legno.

Allo stesso tempo, tali materie prime presentano degli svantaggi. Il valore energetico della legna da ardere è relativamente piccolo: una volta bruciato, una parte della sostanza si deposita sotto forma di fuliggine, motivo per cui i caminetti e le stufe devono essere puliti regolarmente. Inoltre, è necessario un certo periodo di tempo per ricostituire le scorte di legname: i nuovi alberi cresceranno solo dopo 15-20 anni.

Un'ottima alternativa al legno ordinario è il pellet (pellet), per la cui produzione viene utilizzato legno scadente: corteccia, trucioli di legno, segatura pressata, rami.

I pellet ottenuti da legno, torba e vari prodotti di scarto hanno un colore diverso. Quelli leggeri sono utilizzati per la combustione di caminetti e stufe, mentre quelli scuri, con un alto contenuto di corteccia, sono progettati per caldaie a combustibile solido

Per la produzione di pellet di combustibile, le materie prime vengono frantumate in polvere, che viene quindi essiccata e pressata ad alta temperatura. A causa della lignina contenuta nel legno, si forma una massa adesiva, dalla quale si formano piccoli cilindri lunghi 5-70 mm e 6-10 mm di diametro.

Un'alternativa moderna al legno tradizionale sono le bricchette di combustibile a forma di quattro, sei o ottagonali. Questo materiale ecologico ha un'alta dissipazione del calore.

Puoi impostare tu stesso la produzione di pellet bricchettatrice.

Tra i tipi popolari di biocarburanti ci sono i trucioli di legno, che spesso servono come fonte di energia nelle centrali termiche europee. La produzione di questa materia prima viene effettuata su tronchi o su linee di produzione speciali dotate di trituratori.

Torbiera e torba di carburante forestale

Questo è un tipo comune di biocarburante che è stato utilizzato per scopi domestici e industriali per secoli. La torba è uno strato di muschio che non è completamente decomposto in una palude, che viene estratto in molti paesi del mondo: Russia, Bielorussia, Canada, Svezia, Indonesia e altri.

La torba contenente il 50-60% di carbonio è considerata un materiale a base di gas popolare. Questa preziosa materia prima può essere utilizzata non solo come combustibile, ma anche come fertilizzante o isolante termico.

Per comodità del processo di produzione, la biomassa viene solitamente trattata nel luogo di produzione. Il processo consiste nel pulire (setacciare) le materie prime da arresti estranei, seguite da essiccazione e stampaggio sotto forma di bricchette o granuli.

Carburante da rifiuti agricoli

Nella produzione agricola, di regola, si accumula un gran numero di vari rifiuti vegetali: i gusci esterni di piante, gusci di noce, paglia.

Tali materie prime possono anche essere pressate e granulate per ottenere pellet di combustibile, le cui caratteristiche sono praticamente le stesse dei pellet di biomassa legnosa.

Biocarburante animale

Insieme alla legna da ardere nei tempi antichi, le persone iniziarono a usare combustibile di origine animale, vale a dire letame essiccato di letame di animali domestici. Le moderne tecnologie per l'essiccazione e la lavorazione di tali materie prime consentono di ottenere varietà solide di biocarburanti completamente prive di odori sgradevoli.

Per molto tempo, i popoli nomadi hanno usato letame secco di cavalli, cammelli e bovini come combustibile. Attualmente, i biocarburanti sotto forma di bricchette o pellet vengono prodotti dai prodotti di scarto di animali domestici.

Poiché i rifiuti di bestiame vengono attualmente accumulati su scala industriale, la produzione di carburante da essi risolve contemporaneamente il problema del loro smaltimento.

Tipo 2: liquido

I biocarburanti liquidi, che sono sicuri e rispettosi dell'ambiente, sono principalmente usati come sostituti della benzina e di altri prodotti simili. Tra le opzioni più comuni vi sono bioetanolo, biometanolo, biobutanolo, biodiesel, dimetiletere.

Coltura di bioetanolo

Questo è un comune biocarburante liquido che viene utilizzato per alimentare le auto.Sebbene una sostanza pura non sia utilizzata come combustibile, la sua aggiunta alla benzina migliora il funzionamento del motore, aumenta la sua potenza, controlla il riscaldamento del motore e riduce le emissioni di scarico.

Molte stazioni di servizio in Europa, Asia, Nord e Sud America offrono non solo carburante tradizionale, ma anche vari tipi di biocarburanti, in particolare miscele contenenti bioetanolo

Il bioetanolo è stato anche apprezzato dai fan dei caminetti. Questa sostanza ha una buona dissipazione del calore; inoltre, non produce fuliggine o fumo quando viene bruciata e la quantità di anidride carbonica emessa è ridotta al minimo.

Grazie a queste caratteristiche, il carburante può anche essere utilizzato per bruciare un focolare in condomini. Maggiori informazioni sui biocarburanti per caminetti in questo articolo.

Il bioetanolo è prodotto da materie prime di prima generazione contenenti amido o zucchero. Cereali, mais, canna da zucchero, barbabietole vengono elaborati utilizzando la tecnologia della fermentazione alcolica.

Biobutanolo per il rifornimento di automobili

Il biobutanolo è un analogo del butanolo ottenuto biologicamente. Un liquido incolore con un odore caratteristico è ampiamente usato come materia prima chimica nell'industria e può anche essere usato come combustibile per il trasporto.

L'intensità energetica del butanolo è vicina alla benzina, che consente di sostituire parzialmente quest'ultima nelle celle a combustibile. A differenza del bioetanolo, il biobutanolo può essere utilizzato in modo indipendente, senza aggiungere tipi tradizionali di carburante.

Le piante più diverse servono come materie prime per la produzione di questa bio-sostanza: barbabietole, manioca, grano, mais.

Dimetiletere (C₂H₆O)

È anche un combustibile ecologico. Quando viene bruciato, non vi sono composti di zolfo nei gas di scarico e il contenuto di composti azotati è inferiore del 90% rispetto a quando la benzina viene bruciata.

L'etere dimetilico può essere utilizzato senza filtri speciali, ma è necessario apportare modifiche cardinali al design dell'auto (sistema di alimentazione, accensione del motore).

L'etere dimetilico è considerato un'opzione promettente per il carburante per autoveicoli. Le macchine con motori progettati per questo carburante sono sviluppate da grandi aziende come Volvo, SAIC Motor, KAMAZ, Nissan

Senza alcuna modifica, è possibile utilizzare carburante combinato contenente il 30% di dimetiletere in macchine equipaggiate con motori a GPL.

I combustibili liquidi possono essere prodotti da varie materie prime: gas naturale, polvere di carbone, biomassa e principalmente dai resti della produzione di pasta e carta, trasformandosi in un liquido a bassa pressione.

Biometanolo di alghe unicellulari

Tale sostanza è un analogo del normale metanolo, che è ampiamente usato per la produzione di numerosi composti chimici (acido acetico, formaldeide) e viene anche usato come antigelo e solvente.

La questione della produzione di questo tipo di biocarburante è stata sollevata per la prima volta negli anni '80, quando un gruppo di scienziati ha proposto di ottenere sostanze liquide mediante trasformazione biochimica del fitoplancton marino, la cui coltivazione verrà effettuata in bacini speciali.

Il biometanolo presenta numerosi vantaggi potenziali:

• alta efficienza energetica - 14 alla ricezione di metano, 7 alla produzione di metanolo;
• eccellente produttività del fitoplancton - fino a 100 tonnellate per ettaro all'anno;
• organismi unicellulari poco impegnativiper la coltivazione di cui non è necessaria acqua dolce, terreno fertile;
• conservazione delle risorse agricoleperché il fitoplancton viene coltivato in stagni o baie marine.

Sebbene la produzione industriale di biometanolo non sia ancora stata stabilita, sono attualmente in corso ricerche e sviluppi persistenti di tecnologie per lo sviluppo della produzione di questo tipo di combustibile alternativo.

Biodiesel in alternativa al trasporto di carburante

Questo è un biocarburante liquido per motori costituito da una miscela di esteri di acidi grassi.La sostanza è sicura per l'uomo e gli animali, si decompone quasi completamente sulla terra in 28 giorni e ha anche una temperatura di accensione relativamente elevata (<100).

Il biodiesel riduce la percentuale di emissioni di gas nocivi e prolunga anche la vita del motore, poiché include componenti lubrificanti.

Il carburante viene utilizzato per rifornire i motori di auto sia in modo indipendente che in combinazione con carburante convenzionale. Dovrebbe essere presa in considerazione solo una breve durata di conservazione della sostanza biologica: dopo tre mesi, il decadimento della sostanza biologica inizia con una completa perdita di proprietà.

Per il biodiesel nell'UE, è stata adottata una norma speciale EN14214. In alcuni paesi è valida anche la norma EN590, che consente l'aggiunta del 5% di biodiesel ad altri carburanti.

Tipo 3: Gassoso

Le principali varietà di biocarburanti gassosi includono biogas e bioidrogeno.

Biogas come sostituto del gas naturale

Il biogas è un analogo quasi completo del gas naturale: contiene il 13-50% di CO_2, 49-87% di metano e impurità H₂ e H.₂S. Se questa sostanza viene pulita dall'anidride carbonica, è possibile ottenere biometano.

I biocarburanti gassosi sono ottenuti dalla biomassa mediante fermentazione a idrogeno o metano. Quest'ultimo è causato da tre tipi di microrganismi: in primo luogo, la materia prima viene esposta a batteri idrolitici, che vengono poi sostituiti da microbi che formano acido e metano.

La produzione di biogas può essere effettuata su dispositivi industriali e artigianali. Il metodo di produzione più comune è la digestione aerobica in serbatoi di metano.

Una varietà di materiali può essere utilizzata come materia prima: insilato, letame, alghe, acque reflue, rifiuti, residui fecali, rifiuti domestici. Il materiale di partenza viene portato in uno stato omogeneo, dopo di che viene posto in un reattore usando un caricatore.

Mantiene una temperatura confortevole di + 35-38 ° C, necessaria per l'implementazione del processo di fermentazione del metano.

Le materie prime vengono costantemente miscelate, mentre il prodotto gassoso risultante viene scaricato nel supporto del gas (unità di stoccaggio), da dove entra nel generatore elettrico.

Maggiori informazioni sulla produzione di biogas da letame e la disposizione di un impianto di biogas negli articoli:

1. Come produrre biocarburante con le tue mani dal letame di casa
2. Impianto di biogas fai-da-te per una casa privata: raccomandazioni per il dispositivo e un esempio di miglioramento domestico

Bioidrogeno chimico

Un tipo di biocarburante gassoso, che è un analogo dell'idrogeno ordinario, è ottenuto dalla biomassa usando metodi biochimici o termochimici.

Nel metodo termochimico, le materie prime preparate (ad esempio i rifiuti di legno) vengono riscaldate a una temperatura di 500-800 ° C senza ossigeno, mentre i gas H₂, CO, CH₄.

Un metodo promettente per la produzione di bioidrogeno è la bioftolisi. In questo caso, il gas viene prodotto utilizzando alghe, che vengono immesse in acqua di mare, fognature

Nel metodo biochimico, la materia prima viene mantenuta in condizioni confortevoli a pressione e temperatura normali a circa 30 ° C.

Enterobacter cloacae, Rodobacter speriodes speciali microrganismi vengono introdotti nella biomassa, che decompone il prodotto iniziale, rilasciando idrogeno. Gli enzimi sono autorizzati ad accelerare la produzione usando polisaccaridi.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Nel video qui sotto, puoi vedere il processo di produzione di un popolare tipo di biocarburante - bricchette di legno:

I tipi di biocarburanti differiscono non solo nello stato di aggregazione, ma anche nelle caratteristiche. Quando si sceglie tale materiale, è necessario tener conto dell'uso pianificato, dell'efficacia, delle proprietà funzionali e dei costi.

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