Rodzaje biopaliw: porównanie właściwości paliw stałych, płynnych i gazowych

Alternatywą dla tradycyjnych zasobów energii są różne rodzaje biopaliw, do produkcji których wykorzystuje się surowce roślinne lub zwierzęce, odpady przemysłowe i wyniki żywotnej aktywności organizmów.

Oferujemy zrozumienie zalet i wad stosowania takiego paliwa, poznanie cech produkcji, cech funkcjonalnych, a także ocenę skuteczności stosowania różnych rodzajów biopaliw. Podane informacje pomogą Ci poruszać się po wyborze alternatywnych źródeł energii.

Co to jest biopaliwo

Najbardziej obiecującym obszarem w sektorze energetycznym jest technologia polegająca na wykorzystaniu zasobów odnawialnych, w tym biopaliw.

Najpopularniejszym rodzajem biopaliwa jest konwencjonalne drewno opałowe. 38% światowej populacji używa ich do ogrzewania i gotowania

Jako surowce do jego produkcji można pobierać biomasę pochodzenia roślinnego / zwierzęcego, w tym odpady przemysłowe lub zwierzęce.

Przetwarzanie takich substancji odbywa się metodą termochemiczną lub biologiczną, w tym drugim przypadku paliwo uzyskuje się przy użyciu różnych rodzajów mikroorganizmów.

Udział zużycia paliw biologicznych stale rośnie, co przyczynia się do zachowania zasobów kopalnych węglowodorów (+)

Wiele krajów ma specjalne programy zwiększające udział biopaliw w krajowym i regionalnym zużyciu energii. Wiele stanów ma również obowiązkowe normy dotyczące korzystania z tego źródła energii.

Zalety i wady biopaliw

Biologiczne rodzaje paliwa mają swoje pozytywne i negatywne strony. Zainteresowanie wykorzystaniem tego rodzaju surowca wynika z jego niewątpliwych zalet.

Należą do nich:

• Koszt budżetu. Chociaż w chwili obecnej ceny biopaliw praktycznie pokrywają się z kosztami benzyny, substancje biologiczne są uważane za bardziej opłacalny rodzaj paliwa, ponieważ wytwarzają mniej emisji podczas spalania. Biopaliwo nadaje się do stosowania w różnych warunkach, ale można go dostosować do silników o różnych konstrukcjach. Kolejnym plusem jest optymalizacja silnika, który dłużej pozostaje czysty ze względu na niewielką ilość sadzy i spalin.
• Mobilność. Biopaliwo różni się od innych opcji alternatywnych źródeł energii swoją mobilnością. Turbiny słoneczne i wiatrowe zwykle zawierają ciężkie akumulatory, dlatego najczęściej stosuje się je stacjonarnie, a biopaliwa można bez problemu przenosić z jednego regionu do drugiego.
• Odnawialne źródło energii. Chociaż zdaniem naukowców istniejące złoża ropy naftowej będą trwać co najmniej kilkaset lat, rezerwy kopalne są wciąż ograniczone. Biopaliwa wytwarzane z odpadów roślinnych i zwierzęcych należą do zasobów odnawialnych, którym nie zagraża wyginięcie w dającej się przewidzieć przyszłości.
• Ochrona atmosfery ziemskiej. Główną wadą tradycyjnych węglowodorów jest duży procent CO₂który jest uwalniany przez spalanie. Gaz ten wywołuje efekt cieplarniany w atmosferze naszej planety, tworząc warunki do globalnego ocieplenia. Podczas spalania substancji biologicznych ilość dwutlenku węgla spada do 65%. Oprócz tego rośliny wykorzystywane do produkcji biopaliw zużywają tlenek węgla, zmniejszając jego udział w powietrzu.
• Bezpieczeństwo ekonomiczne. Rezerwy węglowodorów rozkładają się nierównomiernie, dlatego niektóre państwa zmuszone są kupować ropę lub gaz ziemny, wydając duże kwoty na zakup, transport i magazynowanie. Różne rodzaje paliwa biologicznego można uzyskać w prawie każdym kraju. Ponieważ do jego produkcji i przetwarzania konieczne będzie utworzenie nowych przedsiębiorstw, a tym samym miejsc pracy, będzie to korzystne dla gospodarki krajowej i pozytywnie wpłynie na dobrobyt ludzi.

Udoskonalenie technologii i opracowanie nowych metod może wzmocnić pozytywny wpływ biopaliw. Tak więc rozwój technologii wykorzystujących plankton i glony znacznie obniży jego cenę.

Jednocześnie na obecnym etapie rozwoju nauki i technologii produkcja biopaliw wiąże się z szeregiem trudności i niedogodności. Przede wszystkim są to naturalne ograniczenia w uprawie roślin.

Przy wzroście upraw wykorzystywanych do produkcji biomasy należy wziąć pod uwagę szereg czynników, a mianowicie:

• Zużycie wody. Rośliny rolnicze zużywają dużo wody, która jest ograniczonym zasobem, szczególnie w suchych miejscach.
• Inwazyjność. Uprawy paliwowe są często agresywne. Zagłuszają autentyczną florę, która może zniszczyć różnorodność biologiczną i ekosystem regionu.
• Nawozy. Wiele roślin wymaga dodatku składników odżywczych, które mogą zaszkodzić innym uprawom lub ogólnemu ekosystemowi.
• Klimat Niektóre strefy klimatyczne (na przykład pustynia lub tundra) nie nadają się do uprawy upraw biopaliw.

Aktywna uprawa roślin rolniczych wiąże się również z wyczerpywaniem zasobów rolnych, nieprzestrzeganie zasad techniki rolniczej może prowadzić do obniżenia zawartości użytecznych składników gleby, aw konsekwencji do ich wyczerpania, co pogorszy problem żywnościowy.

Występują zaburzenia ekosystemu. Do produkcji biomasy zwykle wymagana jest ekspansja terytoriów zajmujących się rolnictwem.

Często w tym celu przeprowadza się czyszczenie terytorium, co prowadzi do zniszczenia mikrosystemu (na przykład lasów), śmierci roślin i zwierząt.

Do produkcji biopaliw uprawia się już dużą ilość upraw. Ponad 50% rzepaku produkowanego w Europie, ponad jedna trzecia amerykańskiego ziarna i prawie połowa trzciny cukrowej uprawianej w Brazylii jest wykorzystywana do produkcji biomasy.

Występują problemy z hodowaniem monokultur. Aby wyprodukować większe plony biomasy, producenci często sieją ziemię za pomocą konkretnej rośliny. Praktyka ta nie odzwierciedla dobrze stanu gruntów rolnych, ponieważ monokultura prowadzi do zmiany środowiska.

Na polach zajmowanych przez jeden gatunek roślin specjalne odmiany szkodników są zwykle pasożytnicze. Próba zwalczania ich środkami owadobójczymi i pestycydami prowadzi jedynie do rozwoju odporności na te leki.

Aby uniknąć problemów opisanych powyżej, naukowcy radzą, aby nie zaniedbywać różnorodności biologicznej upraw, łącząc kilka roślin na polach, a także wykorzystując lokalne odmiany flory.

Generacje paliw alternatywnych

Szeroka gama materiałów roślinnych wykorzystywanych na biomasę dzieli się zwykle na kilka pokoleń.

Pierwsza generacja. Ta kategoria obejmuje uprawy zawierające wysoki odsetek skrobi, cukrów, tłuszczów. Są to tak popularne rośliny jak kukurydza, buraki cukrowe, rzepak, soja.

Ponieważ uprawa tych roślin szkodzi klimatowi, a ich usunięcie z rynku wpływa na ceny produktów, naukowcy starają się zastąpić je innymi rodzajami biomasy.

Niemal wszystkie rodzaje nowoczesnych paliw płynnych (biodiesel, etanol) są obecnie produkowane z zakładów rolnych należących do surowców pierwszej generacji.

Drugiej generacji. Grupa biomasy obejmuje drewno, trawę, odpady rolnicze (skorupa, łuska). Pozyskiwanie biopaliw z takich surowców jest kosztowne, jednak pozwala rozwiązać problem recyklingu pozostałości nieżywnościowych przy jednoczesnej produkcji materiałów palnych.

Cechą kultur zawartych w tej odmianie jest obecność w nich ligniny i celulozy. Dzięki nim biomasa może być spalana i zgazowana, a także poddana pirolizie, odbierając paliwo płynne.

Główną wadę biomasy drugiej generacji uważa się za niewystarczającą stopę zwrotu na jednostkę powierzchni, dlatego na takie uprawy należy przeznaczyć znaczne zasoby gruntów.

Trzeciej generacji. Surowcami do produkcji biopaliw są glony, które są uprawiane na skalę przemysłową, na przykład na wodach otwartych.

Najbardziej obiecującą opcją są biopaliwa pozyskane z alg jednokomórkowych. Takie rośliny szybko zyskują masę, a do ich uprawy nie jest wymagana żyzna ziemia.

Ta praktyka ma ogromne perspektywy, jednak obecnie takie technologie są dopiero rozwijane. Naukowcy prowadzą również badania w celu opracowania technik produkcji biopaliw czwartej, a nawet piątej generacji.

Trzy odmiany biopaliw

W zależności od stanu skupienia substancji istnieją trzy główne rodzaje biopaliw:

1. Solid: drewno opałowe, torf, odpady zwierzęce i produkcja rolna.
2. Płyn: biodiesel, eter dimetylowy, bioetanol, biobutanol.
3. Gazowy: biogaz, metan, biowodór.

Każdy rodzaj substancji ma swoją specyfikę, która zostanie omówiona poniżej.

Typ # 1: Stały

Wśród najpopularniejszych stałych odmian biopaliwa są drewno, torf, odpady zwierzęce.

Drewno (drewno opałowe, zrębki, trociny)

Starożytny rodzaj biopaliwa to drewno opałowe, które jest dobrze znane wszystkim i od dawna wykorzystywane do ogrzewania domów i gotowania. Do tej pory są one aktywnie wykorzystywane w różnych krajach do produkcji ciepła / energii elektrycznej, w szczególności duża austriacka elektrownia cieplna o mocy 66 megawatów działa na drewnie.

Jednocześnie takie surowce mają wady. Wartość energetyczna drewna opałowego jest stosunkowo niewielka: po spaleniu część substancji osadza się w postaci sadzy, dlatego kominki i piece muszą być regularnie czyszczone. Ponadto na uzupełnienie zapasów drewna potrzeba trochę czasu - nowe drzewa wyrosną dopiero po 15-20 latach.

Doskonałą alternatywą dla zwykłego drewna są pelety (pelety), do produkcji których wykorzystuje się drewno niespełniające norm: kora, zrębki, sprasowane trocinykonary.

Granulki uzyskane z drewna, torfu i różnych produktów odpadowych mają inny kolor. Lekkie są używane do spalania kominków i pieców, podczas gdy ciemne, o wysokiej zawartości kory, są przeznaczone do kotłów na paliwo stałe

Do produkcji granulatu paliwowego surowce są kruszone na pył, który jest następnie suszony i prasowany w wysokiej temperaturze. Ze względu na zawartą w drewnie ligninę powstaje masa klejąca, z której powstają małe cylindry o długości 5-70 mm i średnicy 6-10 mm.

Nowoczesną alternatywą dla tradycyjnego drewna są brykiety paliwowe o kształcie cztero-, sześcio- lub ośmiokątnym. Ten przyjazny dla środowiska materiał charakteryzuje się dużym rozpraszaniem ciepła.

Możesz samodzielnie skonfigurować produkcję peletu prasa do brykietowania.

Do popularnych rodzajów biopaliw należą zrębki drzewne, które często służą jako źródło energii w europejskich elektrowniach cieplnych. Produkcja tego surowca odbywa się na zrywce lub na specjalnych liniach produkcyjnych wyposażonych w niszczarki.

Torf paliwowy z bagien i lasów

Jest to powszechny rodzaj biopaliwa, który od stuleci jest wykorzystywany do celów domowych i przemysłowych. Torf to warstwa mchu, która nie jest całkowicie rozkładana na bagnach, które są wydobywane w wielu krajach świata: w Rosji, na Białorusi, w Kanadzie, Szwecji, Indonezji i innych.

Torf zawierający 50–60% węgla uważany jest za popularny materiał gazonośny. Ten cenny surowiec może być wykorzystywany nie tylko jako paliwo, ale także jako nawóz lub izolator ciepła.

Dla wygody procesu produkcyjnego biomasa jest zwykle przetwarzana w miejscu produkcji. Proces ten polega na czyszczeniu (przesiewaniu) surowców z zewnętrznych przestojów, a następnie suszeniu i formowaniu w postaci brykietów lub granulek.

Paliwo z odpadów rolniczych

W produkcji rolnej z reguły gromadzi się wiele różnych odpadów roślinnych: zewnętrzne skorupy roślin, łupiny orzechów, słoma.

Takie surowce można również prasować i granulować, aby uzyskać granulki paliwa, których właściwości są praktycznie takie same jak granulki wykonane z biomasy drzewnej.

Biopaliwo pochodzenia zwierzęcego

Wraz z drewnem opałowym w starożytności ludzie zaczęli wykorzystywać paliwo pochodzenia zwierzęcego, a mianowicie obornik suszony od zwierząt domowych. Nowoczesne technologie suszenia i przetwarzania takich surowców umożliwiają uzyskanie stałych odmian biopaliw całkowicie pozbawionych nieprzyjemnych zapachów.

Przez długi czas ludy koczownicze jako paliwo stosowały suszony nawóz od koni, wielbłądów i bydła. Obecnie biopaliwo w postaci brykietów lub pellet jest wytwarzane z odpadów zwierząt domowych.

Ponieważ odpady zwierzęce są obecnie gromadzone na skalę przemysłową, wytwarzanie z nich paliwa jednocześnie rozwiązuje problem ich unieszkodliwiania.

Typ # 2: Ciecz

Ciekłe biopaliwa, które są bezpieczne i przyjazne dla środowiska, są najczęściej stosowane jako zamiennik benzyny i innych podobnych produktów. Do najczęstszych opcji należą bioetanol, biometanol, biobutanol, biodiesel, eter dimetylowy.

Bioetanol z upraw

Jest to powszechny ciekły biopaliwo, które jest wykorzystywane do napędzania samochodów.Chociaż czysta substancja nie jest stosowana jako paliwo, jej dodatek do benzyny poprawia osiągi silnika, zwiększa jego moc, kontroluje nagrzewanie się silnika i zmniejsza emisję spalin.

Wiele stacji benzynowych w Europie, Azji, Ameryce Północnej i Południowej oferuje nie tylko tradycyjne paliwo, ale także różnego rodzaju biopaliwa, zwłaszcza mieszanki zawierające bioetanol

Bioetanol został również doceniony przez fanów kominków. Substancja ta dobrze odprowadza ciepło, ponadto nie wytwarza sadzy ani dymu podczas spalania, a ilość emitowanego dwutlenku węgla jest zminimalizowana.

Dzięki tym funkcjom paliwo można nawet wykorzystać do spalania paleniska w budynkach mieszkalnych. Przeczytaj więcej o biopaliwach do kominków w ten artykuł.

Bioetanol jest wytwarzany z surowców pierwszej generacji zawierających skrobię lub cukier. Zboża, kukurydza, trzcina cukrowa, buraki są przetwarzane przy użyciu technologii fermentacji alkoholowej.

Biobutanol do tankowania samochodów

Biobutanol jest biologicznie pozyskiwanym analogiem butanolu. Bezbarwna ciecz o charakterystycznym zapachu jest szeroko stosowana jako surowiec chemiczny w przemyśle, a także może być stosowana jako paliwo transportowe.

Intensywność energetyczna butanolu jest zbliżona do benzyny, co pozwala częściowo ją zastąpić w ogniwach paliwowych. W przeciwieństwie do bioetanolu, biobutanol może być stosowany niezależnie, bez dodawania tradycyjnych rodzajów paliwa.

Najbardziej różnorodne rośliny służą jako surowce do produkcji tej substancji biologicznej: buraki, maniok, pszenica, kukurydza.

Eter dimetylowy (C₂H.₆O)

Jest to również paliwo przyjazne dla środowiska. Podczas spalania nie ma związków siarki w spalinach, a zawartość związków azotu jest o 90% niższa niż w przypadku spalania benzyny.

Eter dimetylowy można stosować bez specjalnych filtrów, ale należy wprowadzić zasadnicze zmiany w konstrukcji samochodu (układ zasilania, zapłon silnika).

Eter dimetylowy jest uważany za obiecującą opcję dla paliw samochodowych. Maszyny z silnikami przystosowanymi do tego paliwa są opracowywane przez tak duże firmy jak Volvo, SAIC Motor, KAMAZ, Nissan

Bez żadnych modyfikacji można stosować mieszane paliwo zawierające 30% eteru dimetylowego w maszynach wyposażonych w silniki LPG.

Paliwa płynne można wytwarzać z różnych surowców: gazu ziemnego, pyłu węglowego, biomasy, a przede wszystkim z resztek produkcji pulpy i papieru, przekształcając się w ciecz pod niskim ciśnieniem.

Biometanol z alg jednokomórkowych

Podobna substancja jest analogiem zwykłego metanolu, który jest szeroko stosowany do produkcji wielu związków chemicznych (kwas octowy, formaldehyd), a także jest stosowany jako środek przeciw zamarzaniu i rozpuszczalnik.

Kwestia produkcji tego rodzaju biopaliwa pojawiła się po raz pierwszy w latach 80. XX wieku, kiedy grupa naukowców zaproponowała uzyskanie ciekłej substancji poprzez biochemiczną transformację fitoplanktonu morskiego, której uprawa będzie prowadzona w specjalnych zbiornikach.

Biometanol ma kilka potencjalnych zalet:

• wysoka efektywność energetyczna - 14 po otrzymaniu metanu; 7 po wytworzeniu metanolu;
• doskonała wydajność fitoplanktonu - do 100 ton na hektar rocznie;
• mało wymagające organizmy jednokomórkowedo uprawy, której słodka woda nie jest potrzebna, żyzna gleba;
• ochrona zasobów rolnychponieważ fitoplankton jest uprawiany w stawach lub zatokach morskich.

Chociaż przemysłowa produkcja biometanolu nie została jeszcze ustanowiona, trwają badania i rozwój technologii rozwoju produkcji tego rodzaju paliw alternatywnych.

Biodiesel jako alternatywa dla paliwa transportowego

Jest to płynne biopaliwo silnikowe składające się z mieszaniny estrów kwasów tłuszczowych.Substancja jest bezpieczna dla ludzi i zwierząt, prawie całkowicie rozkłada się na ziemi w ciągu 28 dni, a także ma stosunkowo wysoką (<100) temperaturę zapłonu.

Biodiesel zmniejsza procent emisji szkodliwych gazów, a także przedłuża żywotność silnika, ponieważ zawiera elementy smarujące.

Paliwo służy do tankowania silników samochodowych zarówno niezależnie, jak iw połączeniu z paliwem konwencjonalnym. Należy wziąć pod uwagę tylko krótki okres trwałości substancji biologicznej: po trzech miesiącach rozkład substancji biologicznej zaczyna się od całkowitej utraty właściwości.

W przypadku biodiesla w UE przyjęto specjalną normę EN14214. W niektórych krajach obowiązuje również norma EN590, która umożliwia dodanie 5% biodiesla do innych paliw.

Typ # 3: Gazowy

Główne odmiany biopaliw gazowych obejmują biogaz i bio-wodór.

Biogaz jako substytut gazu ziemnego

Biogaz jest prawie kompletnym analogiem gazu ziemnego: zawiera 13-50% CO_2, 49–87% metanu, a także zanieczyszczenia H₂ i H.₂S. Jeśli ta substancja zostanie oczyszczona z dwutlenku węgla, możesz uzyskać biometan.

Biopaliwa gazowe wytwarza się z biomasy przez fermentację wodoru lub metanu. Ten ostatni jest spowodowany przez trzy rodzaje mikroorganizmów: po pierwsze, surowiec jest narażony na bakterie hydrolityczne, które są następnie zastępowane przez drobnoustroje kwasotwórcze i metanowe.

Produkcja biogazu może odbywać się na urządzeniach przemysłowych i rzemieślniczych. Najpopularniejszą metodą produkcji jest fermentacja tlenowa w zbiornikach metanu.

Jako surowce można wykorzystać różnorodne materiały: kiszonkę, obornik, algi, ścieki, ściółkę, pozostałości kału, odpady z gospodarstw domowych. Materiał wyjściowy doprowadza się do jednorodnego stanu, po czym umieszcza się go w reaktorze za pomocą ładowarki.

Utrzymuje komfortową temperaturę + 35-38 ° C, niezbędną do realizacji procesu fermentacji metanowej.

Surowce są stale mieszane, a powstały produkt gazowy jest odprowadzany do zasobnika gazu (jednostki magazynowej), skąd wchodzi do generatora elektrycznego.

Przeczytaj więcej o produkcji biogazu z obornika i rozmieszczeniu biogazowni w artykułach:

1. Jak zrobić biopaliwo własnymi rękami z obornika w domu
2. Zrób to sam biogazownia do prywatnego domu: zalecenia dotyczące urządzenia i przykład remontu domu

Biohydrogen chemiczny

Rodzaj biopaliwa gazowego, będącego analogiem zwykłego wodoru, otrzymuje się z biomasy metodami biochemicznymi lub termochemicznymi.

W metodzie termochemicznej przygotowane surowce (na przykład odpady drzewne) ogrzewa się do temperatury 500–800 ° C bez tlenu, natomiast gazy H₂, CO, CH₄.

Obiecującą metodą produkcji bio-wodoru jest biofoliza. W tym przypadku gaz jest wytwarzany za pomocą glonów, które są umieszczane w wodzie morskiej, ściekach

W metodzie biochemicznej surowiec utrzymuje się w komfortowych warunkach przy normalnym ciśnieniu i temperaturze około 30 ° C.

Enterobacter cloacae, Rodobacter speriodes specjalne mikroorganizmy są wprowadzane do biomasy, która rozkłada początkowy produkt, uwalniając wodór. Enzymy mogą przyspieszyć produkcję przy użyciu polisacharydów.

Wnioski i przydatne wideo na ten temat

Na poniższym filmie można zobaczyć proces produkcji popularnego rodzaju biopaliwa - brykiet drzewny:

Rodzaje biopaliw różnią się nie tylko stanem agregacji, ale także cechami. Wybierając taki materiał, należy wziąć pod uwagę ich planowane zastosowanie, skuteczność, właściwości funkcjonalne i koszt.

Masz doświadczenie w stosowaniu paliw alternatywnych? A może chcesz zadawać pytania dotyczące biopaliw? Proszę skomentować publikację i wziąć udział w dyskusjach.Blok informacji zwrotnej znajduje się poniżej.