Biodegvielu veidi: cietā, šķidrā un gāzveida kurināmā īpašību salīdzinājums

Alternatīva tradicionālajiem enerģijas avotiem ir dažādi biodegvielu veidi, kuru ražošanā izmanto augu vai dzīvnieku izcelsmes izejvielas, rūpnieciskos atkritumus un organismu dzīvībai svarīgās aktivitātes rezultātus.

Piedāvājam jums izprast šādas degvielas izmantošanas priekšrocības un trūkumus, uzzināt ražošanas pazīmes, funkcionālās īpašības, kā arī novērtēt dažādu veidu biodegvielas izmantošanas efektivitāti. Sniegtā informācija palīdzēs jums orientēties alternatīvo enerģijas avotu izvēlē.

Kas ir biodegviela?

Visdaudzsološākā joma enerģētikas nozarē ir tehnoloģija, kas ietver atjaunojamo resursu izmantošanu, ieskaitot biodegvielu.

Visizplatītākais biodegvielas veids ir parastā malka. 38% pasaules iedzīvotāju tos izmanto apkurei un ēdiena gatavošanai

Kā izejvielas tās ražošanai var ņemt augu / dzīvnieku izcelsmes biomasu, ieskaitot rūpnieciskos vai dzīvnieku atkritumus.

Šādu vielu pārstrādi veic ar termoķīmisku vai bioloģisku metodi, pēdējā gadījumā degvielu iegūst, izmantojot dažāda veida mikroorganismus.

Pastāvīgi pieaug bioloģisko degvielu izmantošanas īpatsvars, kas veicina fosilo ogļūdeņražu resursu saglabāšanu (+)

Daudzām valstīm ir īpašas programmas, lai palielinātu biodegvielu īpatsvaru valsts un reģionālajā enerģijas patēriņā. Vairākās valstīs ir arī obligāti standarti šī enerģijas avota izmantošanai.

Biodegvielu priekšrocības un trūkumi

Bioloģiskajiem kurināmā veidiem ir savas pozitīvās un negatīvās puses. Interesi par šāda veida izejvielu izmantošanu izraisa tā neapšaubāmās priekšrocības.

Tie ietver:

• Budžeta izmaksas. Lai arī šobrīd biodegvielas cenas gandrīz sakrīt ar benzīna izmaksām, bioloģiskās vielas tiek uzskatītas par izdevīgāku degvielas veidu, jo degšanas laikā tās rada mazāk izmešu. Biodegviela ir piemērota izmantošanai dažādos apstākļos, savukārt to var pielāgot dažādu konstrukciju motoriem. Vēl viens plus ir motora optimizācija, kas mazā kvēpu un izplūdes gāzu daudzuma dēļ ilgāk paliek tīrs.
• Mobilitāte. Biodegviela no citām alternatīvām enerģijas avotiem atšķiras ar savu mobilitāti. Saules un vēja turbīnās parasti ir smagas baterijas, tāpēc tās visbiežāk tiek izmantotas stacionārā stāvoklī, savukārt biodegvielu var pārvadāt no viena reģiona uz otru bez lielām grūtībām.
• Atjaunojamais enerģijas avots. Lai gan, pēc pētnieku domām, esošās jēlnaftas atradnes ilgs vismaz vairākus simtus gadu, fosilās rezerves joprojām ir ierobežotas. Biodegviela, kas izgatavota no augiem, un dzīvnieku atkritumi ir vieni no atjaunojamajiem resursiem, kuriem pārskatāmā nākotnē nedraud izmiršana.
• Zemes atmosfēras aizsardzība. Tradicionālo ogļūdeņražu būtisks trūkums ir lielais CO procentuālais daudzums₂kas izdalās sadedzinot. Šī gāze rada siltumnīcas efektu mūsu planētas atmosfērā, radot apstākļus globālajai sasilšanai. Dedzinot bioloģiskās vielas, oglekļa dioksīda daudzums samazinās līdz 65%. Turklāt biodegvielas ražošanā izmantotās kultūras patērē oglekļa monoksīdu, samazinot tā daudzumu gaisā.
• Ekonomiskā drošība. Ogļūdeņražu rezerves tiek sadalītas nevienmērīgi, tāpēc dažas valstis ir spiestas pirkt naftu vai dabasgāzi, tērējot lielas summas ieguvei, transportēšanai un uzglabāšanai. Gandrīz jebkurā valstī var iegādāties dažāda veida bioloģisko degvielu. Tā kā tā ražošanai un pārstrādei būs nepieciešams izveidot jaunus uzņēmumus un attiecīgi arī darba vietas, tas nāks par labu valsts ekonomikai un pozitīvi ietekmēs cilvēku labklājību.

Tehnoloģiju uzlabošana un jaunu metožu izstrāde var palielināt biodegvielu pozitīvo efektu. Tādējādi tehnoloģiju attīstība, izmantojot planktonu un aļģes, ievērojami samazinās tā cenu.

Tajā pašā laikā pašreizējā zinātnes un tehnoloģijas attīstības posmā biodegvielas ražošana ir saistīta ar vairākām grūtībām un neērtībām. Pirmkārt, šie ir dabiski ierobežojumi augu audzēšanā.

Lai audzētu kultūraugus, kurus izmanto biomasas iegūšanai, jāņem vērā vairāki faktori, proti:

• Ūdens lietošana. Lauksaimniecības augi patērē daudz ūdens, kas ir ierobežots resurss, īpaši sausās vietās.
• Invazivitāte. Degvielas kultūras bieži ir agresīvas. Viņi izsmej autentisko floru, kas varētu kaitēt reģiona bioloģiskajai daudzveidībai un ekosistēmai.
• Mēslošanas līdzekļi. Daudziem augiem ir jāpievieno barības vielas, kas var kaitēt citām kultūrām vai vispārējai ekosistēmai.
• Klimats Atsevišķas klimatiskās zonas (piemēram, tuksnesis vai tundra) nav piemērotas biodegvielas kultūru audzēšanai.

Aktīva lauksaimniecības augu audzēšana ir saistīta arī ar lauksaimniecības resursu noplicināšanu.Lauksaimnieciskās tehnoloģijas noteikumu neievērošana var izraisīt noderīgu augsnes komponentu satura samazināšanos un rezultātā to izsīkšanu, kas saasinās pārtikas problēmu.

Notiek ekosistēmas traucējumi. Biomasas ražošanai parasti ir jāpaplašina lauksaimniecībā iesaistītās teritorijas.

Bieži vien šim nolūkam tiek veikta teritorijas sakopšana, kuras rezultātā tiek iznīcināta mikroekosistēma (piemēram, meži), augi un dzīvnieki iet bojā.

Lai ražotu biodegvielu, jau tiek audzēts liels daudzums kultūraugu. Vairāk nekā 50% no Eiropā ražotajām rapšu sēklām, vairāk nekā trešdaļu Amerikas graudu un gandrīz pusi Brazīlijā audzēto cukurniedru izmanto biomasas ražošanai.

Ir problēmas ar monokultūru audzēšanu. Lai iegūtu lielāku biomasas ražu, ražotāji bieži sēj zemi ar noteiktu augu. Šī prakse labi neatspoguļo lauksaimniecības zemes stāvokli, jo monokultūra rada izmaiņas vidē.

Laukos, ko aizņem viena augu suga, parazītiskas parasti ir īpašas kaitēkļu šķirnes. Mēģinājums apkarot tos ar insekticīdiem un pesticīdiem tikai noved pie rezistences veidošanās pret šīm zālēm.

Lai izvairītos no iepriekš aprakstītajām problēmām, zinātnieki iesaka neievērot kultūru bioloģisko daudzveidību, apvienojot laukos vairākus augus, kā arī izmantot vietējās floras šķirnes.

Alternatīvo degvielu paaudzes

Plašu augu materiālu klāstu, ko izmanto biomasai, parasti iedala vairākās paaudzēs.

Pirmā paaudze. Šajā kategorijā ietilpst kultūras, kurās ir augsts cietes, cukura, tauku saturs. Tie ir tik populāri augi kā kukurūza, cukurbietes, rapši, soja.

Tā kā šo kultūru audzēšana kaitē klimatam, un to izņemšana no tirgus ietekmē produktu cenu noteikšanu, zinātnieki mēģina tos aizstāt ar cita veida biomasu.

Pašlaik gandrīz visus mūsdienu šķidrā kurināmā veidus (biodīzeļdegvielu, etanolu) ražo no lauksaimniecības augiem, kas pieder pie pirmās paaudzes izejvielām.

Otrā paaudze. Biomasas grupā ietilpst koks, zāle, lauksaimniecības atkritumi (čaumala, miziņa). Biodegvielas iegūšana no šādām izejvielām ir dārga, tomēr tas ļauj atrisināt jautājumu par nepārtikas atlieku pārstrādi, vienlaikus ražojot degošus materiālus.

Šajā šķirnē iekļauto kultūru iezīme ir lignīna un celulozes klātbūtne tajās. Pateicoties viņiem, biomasu var sadedzināt un gazificēt, kā arī pakļaut pirolīzei, saņemot šķidro degvielu.

Par galvenajiem otrās paaudzes biomasas trūkumiem tiek uzskatīts nepietiekams ienesīgums uz platības vienību, tāpēc šādām kultūrām jāpiešķir ievērojams zemes resurss.

Trešā paaudze. Izejvielas biodegvielas ražošanai ir aļģes, kuras rūpnieciski audzē, piemēram, atklātos ūdeņos.

Daudzsološākais variants ir biodegviela, ko iegūst no vienšūnu aļģēm. Šādi augi ātri iegūst masu, kamēr augšanai nav nepieciešama auglīga zeme.

Šai praksei ir lielas izredzes, tomēr šobrīd šādas tehnoloģijas tiek tikai attīstītas. Zinātnieki arī veic pētījumus, lai izveidotu ceturtās un pat piektās paaudzes biodegvielas ražošanas paņēmienus.

Trīs biodegvielu šķirnes

Atkarībā no vielas agregācijas stāvokļa ir trīs galvenie biodegvielas veidi:

1. Ciets: malka, kūdra, dzīvnieku atkritumi un lauksaimnieciskā ražošana.
2. Šķidrums: biodīzeļdegviela, dimetilēteris, bioetanols, biobutanols.
3. Gāzveida: biogāze, metāns, bioūdeņradis.

Katram vielas tipam ir savas īpatnības, kuras tiks apskatītas turpmāk.

1. tips: ciets

Starp populārākajām cietajām biodegvielas šķirnēm ir koks, kūdra, dzīvnieku atkritumi.

Koksne (malka, šķelda, zāģskaidas)

Senā tipa biodegviela ir visiem labi zināma malka, kas jau sen tiek izmantota māju sildīšanai un ēdiena gatavošanai. Līdz šim tos dažādās valstīs aktīvi izmanto, lai ražotu siltumu / elektrību, jo īpaši liela Austrijas termoelektrostacija ar jaudu 66 megavati darbojas uz koksnes.

Tajā pašā laikā šādām izejvielām ir trūkumi. Malkas enerģētiskā vērtība ir salīdzinoši maza: sadedzinot, daļa vielas nosēžas kvēpu veidā, tāpēc kamīni un krāsnis regulāri jātīra. Turklāt koksnes krājumu papildināšanai ir nepieciešams noteikts laiks - jauni koki augs tikai pēc 15-20 gadiem.

Lieliska alternatīva parastajam kokam ir granulas (granulas), kuru ražošanai tiek izmantota nestandarta koksne: miza, skaidas, presētas zāģu skaidas, puiši.

Granulām, kas iegūtas no koka, kūdras un dažādiem atkritumu izstrādājumiem, ir atšķirīga krāsa. Gaismas tiek izmantotas kamīnu un krāšņu kurināšanai, savukārt tumšās ar lielu mizas saturu ir paredzētas cietā kurināmā katliem.

Kurināmā granulu ražošanai izejvielas tiek sasmalcinātas putekļos, kuras pēc tam žāvē un saspiež augstā temperatūrā. Sakarā ar koksnes sastāvā esošo lignīnu veidojas lipīga masa, no kuras tiek veidoti mazi baloni, kuru garums ir 5–70 mm un diametrs ir 6–10 mm.

Mūsdienīga alternatīva tradicionālajam kokam ir četru, sešu vai astoņstūru formas briketes. Šim videi draudzīgajam materiālam ir liela siltuma izkliede.

Granulu ražošanu jūs pats varat iestatīt, izgatavojot brikešu prese.

Starp populārākajiem biodegvielu veidiem ir koksnes šķelda, kas bieži tiek izmantota kā enerģijas avots Eiropas termoelektrostacijās. Šīs izejvielas tiek ražotas mežizstrādē vai īpašās ražošanas līnijās, kas aprīkotas ar smalcināšanas mašīnām.

Purva un meža kurināmā kūdra

Šis ir izplatīts biodegvielas veids, ko gadsimtiem ilgi izmanto mājas un rūpniecības vajadzībām. Kūdra ir sūnu slānis, kas nav pilnībā sadalījies purvā, un to iegūst daudzās pasaules valstīs: Krievijā, Baltkrievijā, Kanādā, Zviedrijā, Indonēzijā un citās.

Kūdra, kas satur 50–60% oglekļa, tiek uzskatīta par populāru gāzi saturošu materiālu. Šo vērtīgo izejvielu var izmantot ne tikai kā degvielu, bet arī kā mēslojumu vai siltumizolatoru.

Ražošanas procesa ērtībai biomasu parasti pārstrādā ražošanas vietā. Process sastāv no izejvielu attīrīšanas (izsijāšanas) no svešas darbības pārtraukšanas, kam seko žāvēšana un formēšana brikešu vai granulu veidā.

Degviela no lauksaimniecības atkritumiem

Lauksaimnieciskajā ražošanā parasti uzkrājas daudz dažādu augu atkritumu: augu ārējās čaumalas, riekstu čaumalas, salmi.

Šādas izejvielas var arī saspiest un granulēt, lai iegūtu kurināmā granulas, kuru īpašības ir praktiski tādas pašas kā granulām, kas izgatavotas no koksnes biomasas.

Dzīvnieku biodegviela

Kopā ar malku senatnē cilvēki sāka izmantot dzīvnieku izcelsmes degvielu, proti, ar mājdzīvnieku kūtsmēsliem. Mūsdienu tehnoloģijas šādu izejvielu žāvēšanai un pārstrādei ļauj iegūt cietas biodegvielas šķirnes, kurām nav nepatīkamas smakas.

Ilgu laiku nomadu tautas kā degvielu izmantoja žāvētus zirgu, kamieļu un liellopu kūtsmēslus. Pašlaik biodegvielu brikešu vai granulu veidā ražo no mājdzīvnieku atkritumiem.

Tā kā lopkopības atkritumi pašlaik tiek uzkrāti rūpnieciskā mērogā, no tiem ražota degviela vienlaikus atrisina jautājumu par to iznīcināšanu.

2. tips: šķidrums

Šķidro biodegvielu, kas ir droša un videi draudzīga, galvenokārt izmanto kā benzīna un citu līdzīgu produktu aizstājēju. Starp visizplatītākajām iespējām ir bioetanols, biometanols, biobutanols, biodīzeļdegviela, dimetilēteris.

Kultūras bioetanols

Šī ir izplatīta šķidrā biodegviela, kuru izmanto automašīnu degvielā.Lai gan tīru vielu neizmanto kā degvielu, tās pievienošana benzīnam palīdz uzlabot motora darbību, palielināt tā jaudu, uzraudzīt motora sildīšanu un samazināt izplūdes gāzu daudzumu.

Daudzas degvielas uzpildes stacijas Eiropā, Āzijā, Ziemeļamerikā un Dienvidamerikā piedāvā ne tikai tradicionālo degvielu, bet arī dažāda veida biodegvielu, jo īpaši maisījumus, kas satur bioetanolu

Bioetanolu novērtēja arī kamīnu fani. Šai vielai ir laba siltuma izkliede, turklāt sadedzinot tā nerada kvēpus un dūmus, un izdalītā oglekļa dioksīda daudzums tiek samazināts līdz minimumam.

Pateicoties šīm īpašībām, degvielu var izmantot pat pavarda sadedzināšanai daudzdzīvokļu ēkās. Lasiet vairāk par biodegvielu kamīniem šo rakstu.

Bioetanolu ražo no pirmās paaudzes izejvielām, kas satur cieti vai cukuru. Labību, kukurūzu, cukurniedru, bietes pārstrādā, izmantojot alkoholiskās fermentācijas tehnoloģiju.

Biobutanols automašīnu uzpildei

Biobutanols ir bioloģiski iegūts butanola analogs. Bezkrāsains šķidrums ar raksturīgu smaku rūpniecībā tiek plaši izmantots kā ķīmiska izejviela, to var izmantot arī kā transporta degvielu.

Butanola enerģijas intensitāte ir tuvu benzīnam, kas ļauj daļēji aizstāt pēdējo degvielas elementos. Atšķirībā no bioetanola, biobutanolu var izmantot neatkarīgi, nepievienojot tradicionālos degvielas veidus.

Šīs bioloģiskās vielas ražošanā kā izejvielas kalpo visdažādākie augi: bietes, manioka, kvieši, kukurūza.

Dimetilēteris (C₂H₆O)

Tā ir arī videi draudzīga degviela. Kad tas tiek sadedzināts, izplūdes gāzēs nav sēra savienojumu, un slāpekļa savienojumu saturs ir par 90% mazāks nekā tad, kad tiek sadedzināts benzīns.

Dimetilēteri var izmantot bez speciāliem filtriem, taču automašīnas dizainā ir jāveic kardinālas izmaiņas (energosistēma, motora aizdedze).

Dimetilēteri uzskata par daudzsološu autodegvielas variantu. Mašīnas ar dzinējiem, kas paredzēti šai degvielai, izstrādā tādi lieli uzņēmumi kā Volvo, SAIC Motor, KAMAZ, Nissan

Mašīnās, kas aprīkotas ar sašķidrinātās naftas gāzes dzinējiem, bez jebkādām izmaiņām jūs varat izmantot kombinēto degvielu, kas satur 30% dimetilētera.

Šķidro kurināmo var ražot no dažādām izejvielām: dabasgāzes, ogļu putekļiem, biomasas un galvenokārt no celulozes un papīra ražošanas paliekām, pārveidojot šķidrumā zemā spiedienā.

Vienšūnu aļģu biometanols

Līdzīga viela ir parastā metanola analogs, ko plaši izmanto vairāku ķīmisku savienojumu (etiķskābes, formaldehīda) ražošanai, kā arī izmanto kā antifrīzu un šķīdinātāju.

Pirmoreiz jautājums par šāda veida biodegvielas ražošanu tika izvirzīts pagājušā gadsimta astoņdesmitajos gados, kad zinātnieku grupa ierosināja iegūt šķidru vielu ar jūras fitoplanktona bioķīmisko pārveidi, kuras audzēšana tiks veikta īpašos rezervuāros.

Biometanolā ir vairākas potenciālas priekšrocības:

• augsta energoefektivitāte - 14 pēc metāna saņemšanas, 7 pēc metanola ražošanas;
• lieliska fitoplanktona produktivitāte - līdz 100 tonnām uz hektāru gadā;
• nepietiekami vienšūnu organismikuru audzēšanai saldūdens nav vajadzīgs, auglīga augsne;
• lauksaimniecības resursu saglabāšanajo fitoplanktonu audzē dīķos vai jūras līčos.

Lai gan biometanola rūpnieciskā ražošana vēl nav izveidota, pašlaik notiek pastāvīga izpēte un tehnoloģiju attīstība šāda veida alternatīvās degvielas ražošanas attīstīšanai.

Biodīzeļdegviela kā alternatīva transporta degvielai

Šī ir šķidrā motora biodegviela, kas sastāv no taukskābju esteru maisījumiem.Viela ir droša cilvēkiem un dzīvniekiem, gandrīz pilnībā sadalās zemē 28 dienu laikā, un tai ir arī salīdzinoši augsta (<100) aizdegšanās temperatūra.

Biodīzeļdegviela samazina kaitīgo gāzu izmešu procentuālo daudzumu un arī pagarina motora kalpošanas laiku, jo tajā ietilpst eļļošanas komponenti.

Degvielu izmanto automašīnu motoru uzpildīšanai gan neatkarīgi, gan kombinācijā ar parasto degvielu. Jāņem vērā tikai īss bioloģiskās vielas glabāšanas laiks: pēc trim mēnešiem bioloģiskās vielas sadalīšanās sākas ar pilnīgu īpašību zaudēšanu.

Biodīzeļdegvielai ES ir pieņemts īpašs standarts EN14214. Dažās valstīs ir spēkā arī EN590 standarts, kas ļauj 5% biodīzeļdegvielu pievienot citām degvielām.

3. tips: gāzveida

Galvenās gāzveida biodegvielas šķirnes ir biogāze un bioūdeņradis.

Biogāze kā dabasgāzes aizstājējs

Biogāze ir gandrīz pilnīgs dabasgāzes analogs: tā satur 13-50% CO_2, 49-87% metāna, kā arī piemaisījumi H₂ un H₂S. Ja šī viela tiek attīrīta no oglekļa dioksīda, jūs varat iegūt biometānu.

Gāzveida biodegvielu ražo no biomasas, raudzējot ūdeņradi vai metānu. Pēdējo izraisa trīs veidu mikroorganismi: pirmkārt, izejviela tiek pakļauta hidrolītiskām baktērijām, kuras pēc tam aizstāj ar skābi veidojošiem un metānu veidojošiem mikrobiem.

Biogāzes ražošanu var veikt ar rūpnieciskām un amatnieciskām ierīcēm. Visizplatītākā ražošanas metode ir aerobā sadalīšana metāna tvertnēs.

Kā izejvielas var izmantot dažādus materiālus: skābbarību, kūtsmēslus, aļģes, notekūdeņus, pakaišus, fekāliju atlikumus, sadzīves atkritumus. Izejvielu nonāk viendabīgā stāvoklī, pēc tam to ievieto reaktorā, izmantojot iekrāvēju.

Tas uztur komfortablu temperatūru + 35-38 ° C, kas nepieciešama metāna fermentācijas procesa īstenošanai.

Izejvielas tiek nepārtraukti sajauktas, bet iegūtais gāzveida produkts tiek izvadīts gāzes turētājā (glabāšanas blokā), no kurienes tas nonāk elektriskajā ģeneratorā.

Plašāk par biogāzes ražošanu no kūtsmēsliem un biogāzes stacijas izvietojumu lasiet rakstos:

1. Kā mājās no kūtsmēsliem izgatavot biodegvielu ar savām rokām
2. Biogāzes stacija “dari pats” privātmājai: ieteikumi ierīcei un mājas uzlabošanas piemērs

Ķīmiskais bioūdeņradis

Gāzveida biodegvielu, kas ir parastā ūdeņraža analogs, iegūst no biomasas, izmantojot bioķīmiskās vai termoķīmiskās metodes.

Termoķīmiskajā metodē sagatavotās izejvielas (piemēram, koksnes atkritumi) bez skābekļa tiek sasildītas līdz 500–800 ° C temperatūrai, bet gāzes H₂, CO, CH₄.

Daudzsološa bioūdeņraža iegūšanas metode ir biofolīze. Šajā gadījumā gāzi ražo, izmantojot aļģes, kuras ievieto jūras ūdenī, notekūdeņos

Bioķīmiskajā metodē izejvielu uztur ērtos apstākļos normālā spiedienā un temperatūrā aptuveni 30 ° C.

Enterobacter cloacae, Rodobacter speriodes īpašos mikroorganismus ievada biomasā, kas sadalās sākotnējā produktā, atbrīvojot ūdeņradi. Fermentiem ir atļauts paātrināt ražošanu, izmantojot polisaharīdus.

Secinājumi un noderīgs video par tēmu

Zemāk esošajā videoklipā varat redzēt populārā biodegvielas veida - koksnes brikešu - ražošanas procesu:

Biodegvielas veidi atšķiras ne tikai agregācijas stāvoklī, bet arī raksturlielumos. Izvēloties šādu materiālu, ir jāņem vērā to plānotais pielietojums, efektivitāte, funkcionālās īpašības un izmaksas.

Vai jums ir pieredze alternatīvo degvielu izmantošanā? Vai arī vēlaties uzdot jautājumus par biodegvielu? Lūdzu komentējiet publikāciju un piedalieties diskusijās.Atgriezeniskās saites bloks atrodas zemāk.