Biopolttoainetyypit: kiinteiden, nestemäisten ja kaasumaisten polttoaineiden ominaisuuksien vertailu
Vaihtoehtona perinteisille energiavaroille ovat erilaiset biopolttoaineet, joiden tuotannossa käytetään kasvi- tai eläinraaka-aineita, teollisuusjätteitä ja eliöiden elintärkeän toiminnan tuloksia.
Tarjoamme ymmärtää tällaisten polttoaineiden käytön edut ja haitat, selvittää tuotantoominaisuudet, toiminnalliset ominaisuudet ja myös arvioida erilaisten biologisten polttoaineiden käytön tehokkuutta. Annetut tiedot auttavat sinua navigoimaan vaihtoehtoisten energialähteiden valinnassa.
Artikkelin sisältö:
Mikä on biopolttoaine
Energia-alan lupaavimpia suuntauksia ovat teknologiat, joissa käytetään uusiutuvia luonnonvaroja, mukaan lukien biologiset polttoaineet.
Sen valmistuksen raaka-aineeksi voit ottaa kasvi-/eläinperäistä biomassaa, mukaan lukien teollisuusjätteet tai eläinjätteet.
Tällaisten aineiden käsittely suoritetaan termokemiallisilla tai biologisilla menetelmillä; jälkimmäisessä tapauksessa polttoainetta saadaan käyttämällä erilaisia mikro-organismeja.
Monissa maissa on erityisohjelmia biopolttoaineiden osuuden lisäämiseksi kansallisessa ja alueellisessa energiankulutuksessa. Useissa osavaltioissa on myös pakollisia standardeja tämän energialähteen käytölle.
Biopolttoaineiden edut ja haitat
Biologisilla polttoaineilla on hyvät ja negatiiviset puolensa. Kiinnostus tämäntyyppisten raaka-aineiden käyttöön johtuu sen kiistattomista eduista.
Nämä sisältävät:
- Budjettikustannukset. Vaikka biopolttoaineiden hinnat ovat tällä hetkellä lähes samat kuin bensiinin hinta, biologisia aineita pidetään kannattavampana polttoaineena, koska ne tuottavat vähemmän päästöjä poltettaessa. Biopolttoaine sopii käytettäväksi erilaisissa olosuhteissa, ja se voidaan sovittaa erityyppisiin moottoreihin. Toinen etu on moottorin toiminnan optimointi, joka pysyy puhtaana pidempään pienen noki- ja pakokaasumäärän ansiosta.
- Liikkuvuus. Biologinen polttoaine eroaa muista vaihtoehtoisista energialähteistä siirrettävyydeltään. Aurinko- ja tuulivoimalat sisältävät yleensä raskaita akkuja, joten niitä käytetään useimmiten pysyvästi, kun taas biopolttoaineet voidaan kuljettaa alueelta toiselle ilman suurta vaivaa.
- Uusiutuva energialähde. Vaikka tutkijat uskovat olemassa olevien raakaöljyesiintymien kestävän ainakin useita satoja vuosia, fossiiliset varat ovat edelleen rajalliset. Kasveista ja eläinjätteistä valmistetut biopolttoaineet kuuluvat uusiutuviin luonnonvaroihin, jotka eivät ole vaarassa kadota lähitulevaisuudessa.
- Maan ilmakehän suojeleminen. Perinteisten hiilivetyjen suuri haitta on korkea CO:n prosenttiosuus2, joka vapautuu palaessaan. Tämä kaasu luo kasvihuoneilmiön planeettamme ilmakehään ja luo olosuhteet ilmaston lämpenemiselle. Kun biologisia aineita poltetaan, hiilidioksidin määrä vähenee 65 prosenttiin. Lisäksi biopolttoaineiden tuotannossa käytettävät kasvit kuluttavat hiilimonoksidia, mikä vähentää sen osuutta ilmassa.
- Taloudellinen turvallisuus. Hiilivetyvarat jakautuvat epätasaisesti, joten jotkut osavaltiot joutuvat ostamaan öljyä tai maakaasua ja käyttämään suuria summia hankintaan, kuljetukseen ja varastointiin. Erilaisia biologisia polttoaineita voidaan valmistaa melkein missä tahansa maassa. Koska sen tuotanto ja jalostus edellyttävät uusien yritysten ja siten työpaikkojen syntymistä, se hyödyttää kansantaloutta ja vaikuttaa myönteisesti ihmisten hyvinvointiin.
Teknologian parantaminen ja uusien menetelmien kehittäminen voivat tehostaa biopolttoaineiden myönteisiä vaikutuksia. Siten planktonia ja leviä käyttävien teknologioiden kehittäminen laskee sen hintaa merkittävästi.
Samaan aikaan tieteen ja teknologian nykyisessä kehitysvaiheessa biopolttoaineiden tuotantoon liittyy useita vaikeuksia ja haittoja. Ensinnäkin nämä ovat luonnollisia rajoituksia kasvien kasvattamisessa.
Biomassan tuotantoon käytettävien viljelykasvien kasvattamiseksi on otettava huomioon useita tekijöitä, nimittäin:
- Veden käyttö. Maatalouskasvit kuluttavat paljon vettä, mikä on rajallinen resurssi etenkin kuivilla alueilla.
- Invasiivisuus. Polttoaineviljelykasvit ovat usein aggressiivisia.Ne tukahduttavat aidon kasviston, mikä voi aiheuttaa alueen biologisen monimuotoisuuden ja ekosysteemin kärsimystä.
- Lannoitteet. Monet kasvit tarvitsevat lisäravinteita kasvaakseen, mikä voi vahingoittaa muita kasveja tai yleistä ekosysteemiä.
- Ilmasto. Tietyt ilmastovyöhykkeet (esim. aavikko tai tundra) eivät sovellu biopolttoainekasvien viljelyyn.
Maatalouskasvien aktiivinen viljely liittyy myös maatalouden resurssien ehtymiseen. Maataloustekniikan sääntöjen noudattamatta jättäminen voi johtaa hyödyllisten maaperäkomponenttien pitoisuuden vähenemiseen ja sen seurauksena niiden ehtymiseen, mikä pahentaa maaperää. ruoka ongelma.
Ekosysteemi on häiriintynyt. Biomassan tuotanto vaatii yleensä maatalousalueiden laajentamista.
Usein tätä tarkoitusta varten alue raivataan, mikä johtaa mikroekosysteemin (esimerkiksi metsien) tuhoutumiseen, kasvien ja eläinten kuolemaan.
Ongelmia syntyy monokulttuurien kasvattamisessa. Suurempien biomassasatojen saamiseksi tuottajat kylvävät usein tietyn kasvin. Tämä käytäntö ei ole kovin hyvä maatalousmaalle, koska monokulttuuri johtaa ympäristömuutoksiin.
Yhden kasvityypin pelloilla on yleensä erityistyyppisiä tuholaisia.Yritys torjua niitä hyönteismyrkkyjen ja torjunta-aineiden avulla johtaa vain resistenssin kehittymiseen näille aineille.
Edellä kuvattujen ongelmien välttämiseksi tutkijat neuvovat olemaan laiminlyömättä viljelykasvien biologista monimuotoisuutta yhdistämällä useita kasveja pelloilla ja käyttämään myös paikallisia kasvilajikkeita.
Vaihtoehtoisten polttoaineiden sukupolvia
Biomassaan käytettyjen kasviraaka-aineiden laaja valikoima jakautuu yleensä useisiin sukupolviin.
Ensimmäinen sukupolvi. Tähän luokkaan kuuluvat maatalouskasvit, jotka sisältävät suuren prosenttiosuuden tärkkelystä, sokereita ja rasvoja. Nämä ovat suosittuja kasveja, kuten maissi, sokerijuurikas, rypsi ja soija.
Koska näiden viljelykasvien viljely vahingoittaa ilmastoa ja niiden poistaminen markkinoilta vaikuttaa elintarvikkeiden hintoihin, tutkijat yrittävät korvata ne muun tyyppisellä biomassalla.
Toinen sukupolvi. Biomassaryhmään kuuluvat puu, ruoho ja maatalousjätteet (kuoret, kuoret). Biopolttoaineen valmistaminen tällaisista raaka-aineista on kallista, mutta se mahdollistaa muiden kuin elintarvikejätteiden kierrätyksen ja palavien materiaalien samanaikaisen tuotannon ratkaisemisen.
Tähän lajikkeeseen sisältyvien viljelykasvien ominaisuus on ligniinin ja selluloosan esiintyminen niissä. Niiden ansiosta biomassaa voidaan polttaa ja kaasuttaa sekä pyrolyysi tuottaa nestemäistä polttoainetta.
Toisen sukupolven biomassan suurimpana haittana pidetään riittämätöntä tuottoa pinta-alayksikköä kohden, minkä vuoksi tällaisille viljelykasveille on kohdistettava merkittäviä maaresursseja.
Kolmas sukupolvi. Biopolttoaineen tuotannon raaka-aineena on levä, jota kasvatetaan teollisessa mittakaavassa esimerkiksi avoimissa altaissa.
Tämä käytäntö on lupaava, mutta tällä hetkellä tällaisia teknologioita vasta kehitetään. Tutkijat tekevät myös tutkimusta luodakseen tekniikoita, jotka mahdollistavat neljännen ja jopa viidennen sukupolven biopolttoaineiden saamisen.
Kolme erilaista biopolttoainetta
Riippuen aineen aggregaatiotilasta, biopolttoaineita on kolmea päätyyppiä:
- Kiinteä: polttopuu, turve, eläin- ja maatalousjätteet.
- Nestemäinen: biodiesel, dimetyylieetteri, bioetanoli, biobutanoli.
- Kaasumainen: biokaasu, metaani, biovety.
Jokaisella ainetyypillä on omat erityispiirteensä, joita käsitellään alla.
Tyyppi #1: kova
Suosituimpia kiinteitä biologisia polttoaineita ovat puu, turve ja eläinjätteet.
Puu (polttopuu, hake, sahanpuru)
Vanha biopolttoainetyyppi on tuttu polttopuu, jota on pitkään käytetty talojen lämmittämiseen ja ruoanlaittoon. Tähän asti niitä on käytetty aktiivisesti eri maissa lämmön/sähkön tuottamiseen, erityisesti suuri itävaltalainen lämpövoimala, jonka teho on 66 megawattia, toimii puulla.
Samaan aikaan tällaisilla raaka-aineilla on haittoja. Polttopuun energiaarvo on suhteellisen alhainen: poltettaessa osa aineesta laskeutuu noen muodossa, minkä vuoksi tulisijat ja uunit on puhdistettava säännöllisesti.Lisäksi puuvarantojen täydentäminen vie tietyn ajan - uudet puut kasvavat vasta 15-20 vuoden kuluttua.
Erinomainen vaihtoehto perinteiselle polttopuulle ovat pelletit (rakeet), joiden valmistukseen käytetään huonolaatuista puuta: kuorta, haketta, puristettua sahanpurua, narttu.
Polttoainepellettien valmistamiseksi raaka-aineet jauhetaan pölyksi, joka sitten kuivataan ja puristetaan korkeissa lämpötiloissa. Puun sisältämän ligniinin ansiosta muodostuu tahmea massa, josta muodostuu pieniä sylintereitä, joiden pituus on 5-70 mm ja halkaisija 6-10 mm.
Voit perustaa pellettituotannon itse tekemällä purista polttoainebrikettejä.
Suosittuja biopolttoainetyyppejä ovat puuhake, joka toimii usein energianlähteenä eurooppalaisissa lämpövoimalaitoksissa. Näiden raaka-aineiden tuotanto tapahtuu hakkuualueilla tai erityisillä silppurikoneilla varustetuilla tuotantolinjoilla.
Suo- ja metsäpolttoaineturve
Se on yleinen biopolttoainetyyppi, jota on käytetty kotitalouksiin ja teollisiin tarkoituksiin vuosisatojen ajan. Turve on suo-olosuhteissa täysin hajoamaton sammalkerros, jota louhitaan monissa maissa ympäri maailmaa: Venäjällä, Valko-Venäjällä, Kanadassa, Ruotsissa, Indonesiassa ja muissa maissa.
Tuotantoprosessin helpottamiseksi biomassa prosessoidaan yleensä louhintapaikalla. Prosessi koostuu raaka-aineiden puhdistamisesta (seulomisesta) vieraista inkluusioista, minkä jälkeen kuivataan ja muovataan briketteiksi tai rakeiksi.
Polttoaine maatalousjätteestä
Maataloustuotannossa kertyy yleensä suuri määrä erilaisia kasvijätteitä: kasvien ulkokuoret, pähkinänkuoret, olki.
Tällaisia raaka-aineita voidaan myös puristaa ja rakeistaa, jolloin saadaan polttoainepellettejä, joiden ominaisuudet eivät käytännössä poikkea puubiomassasta valmistetuista pelleteistä.
Eläinperäiset biopolttoaineet
Polttopuiden ohella ihmiset alkoivat muinaisina aikoina käyttää eläinperäistä polttoainetta, nimittäin lantaa - kuivattua kotieläinten lantaa. Nykyaikaiset tekniikat tällaisten raaka-aineiden kuivaamiseksi ja prosessoimiseksi antavat mahdollisuuden saada kiinteitä biopolttoainelajikkeita, jotka ovat täysin vailla epämiellyttävää hajua.
Koska kotieläinjätteitä kertyy tällä hetkellä teollisessa mittakaavassa, polttoaineen tuottaminen siitä ratkaisee samalla myös sen hävittämisen.
Tyyppi #2: neste
Nestemäisiä biopolttoaineita, jotka ovat turvallisia ja ympäristöystävällisiä, käytetään enimmäkseen bensiinin ja muiden vastaavien tuotteiden korvikkeena.Yleisimpiä vaihtoehtoja ovat bioetanoli, biometanoli, biobutanoli, biodiesel ja dimetyylieetteri.
Bioetanoli kasveista
Se on yleinen nestemäinen biopolttoaine, jota käytetään autojen polttoaineena. Vaikka puhdasta ainetta ei käytetä polttoaineena, sen lisääminen bensiiniin auttaa parantamaan moottorin suorituskykyä, lisäämään sen tehoa, hallitsemaan moottorin lämpöä ja vähentämään pakokaasupäästöjä.
Bioetanolia arvostivat myös tulisijan ystävät. Tällä aineella on hyvä lämmönsiirto, lisäksi palaessaan ei muodostu nokea tai savua ja vapautuvan hiilidioksidin määrä minimoituu.
Näiden ominaisuuksien ansiosta polttoainetta voidaan käyttää jopa kerrostalojen tulisijojen polttamiseen. Lue lisää tulisijojen biopolttoaineista osoitteesta Tämä artikkeli.
Bioetanoli valmistetaan ensimmäisen sukupolven tärkkelystä tai sokeria sisältävistä raaka-aineista. Viljat, maissi, sokeriruoko ja juurikkaat käsitellään alkoholikäymistekniikalla.
Biobutanoli autojen tankkaamiseen
Biobutanoli on biologisesti johdettu butanolin analogi. Väritön neste, jolla on ominainen haju, sitä käytetään laajalti teollisuuden kemiallisena raaka-aineena ja sitä voidaan käyttää myös liikenteen polttoaineena.
Butanolin energiaintensiteetti on lähellä bensiinin energiaintensiteettiä, mikä mahdollistaa sen osittaisen korvaamisen polttokennoissa. Toisin kuin bioetanoli, biobutanolia voidaan käyttää itsenäisesti ilman perinteisten polttoaineiden lisäämistä.
Tämän bioaineen tuotannon raaka-aineita ovat monenlaiset kasvit: punajuuret, maniokki, vehnä, maissi.
Dimetyylieetteri (C2H6O)
Se on myös ympäristöystävällinen polttoaine. Sitä poltettaessa pakokaasuissa ei ole rikkiyhdisteitä ja typpiyhdisteiden pitoisuus on 90 % pienempi kuin poltettaessa bensiiniä.
Dimetyylieetteriä voidaan käyttää ilman erikoissuodattimia, mutta auton suunnitteluun (voimajärjestelmä, moottorin sytytys) on tehtävä perustavanlaatuisia muutoksia.
Nestekaasumoottoreilla varustetuissa autoissa voit ilman muutoksia käyttää yhdistelmäpolttoainetta, joka sisältää 30 % dimetyylieetteriä.
Nestemäistä polttoainetta voidaan valmistaa erilaisista raaka-aineista: maakaasusta, hiilipölystä, biomassasta ja ennen kaikkea sellun ja paperin tuotantojäännöksistä, jotka muuttuvat nesteeksi matalassa paineessa.
Biometanoli yksisoluisista levistä
Tämä aine on tavallisen metanolin analogi, jota käytetään laajalti useiden kemiallisten yhdisteiden (etikkahappo, formaldehydi) valmistukseen, ja sitä käytetään myös jäätymisenestoaineena ja liuottimena.
Kysymys tämän tyyppisten biopolttoaineiden tuotannosta otettiin ensimmäisen kerran esille 1980-luvulla, kun joukko tutkijoita ehdotti nestemäisen aineen tuottamista meren kasviplanktonin biokemiallisen muuntamisen kautta, jota viljeltäisiin erityisissä säiliöissä.
Biometanolilla on useita mahdollisia etuja:
- korkea energiatehokkuus — 14 metaanin tuotantoon, 7 metanolin tuotantoon;
- erinomainen kasviplanktonin tuottavuus — enintään 100 tonnia hehtaaria kohden vuodessa;
- vaatimattomia yksisoluisia organismeja, jonka viljelyyn ei tarvita makeaa vettä ja hedelmällistä maaperää;
- maatalouden luonnonvarojen säilyttäminen, koska kasviplanktonia kasvatetaan lammissa tai merenlahdissa.
Vaikka biometanolin teollista tuotantoa ei ole vielä vakiinnutettu, tämän tyyppisten vaihtoehtoisten polttoaineiden tuotannon kehittämiseksi on käynnissä jatkuva teknologioiden tutkimus ja kehittäminen.
Biodiesel vaihtoehtona liikennepolttoaineelle
Tämä on nestemäinen moottoribiopolttoaine, joka koostuu rasvahappoestereiden seoksesta. Aine on turvallinen ihmisille ja eläimille, hajoaa lähes täysin maassa 28 päivässä ja sillä on myös suhteellisen korkea (<100) leimahduspiste.
Biodiesel vähentää haitallisten kaasupäästöjen prosenttiosuutta ja pidentää myös moottorin käyttöikää, koska se sisältää voitelukomponentteja.
Polttoainetta käytetään autojen moottoreiden tankkaamiseen sekä itsenäisesti että yhdessä perinteisen polttoaineen kanssa. Vain biologisen aineen lyhyt säilyvyysaika tulee ottaa huomioon: kolmen kuukauden kuluttua biologinen aine alkaa hajota ominaisuuksien täydellisellä menetyksellä.
Biodieselille EU-maissa on otettu käyttöön erityinen standardi EN14214. Monissa maissa on voimassa myös EN590-standardi, joka sallii 5 %:n biodieselin lisäämisen muihin polttoaineisiin.
Tyyppi #3: kaasumainen
Pääasiallisia kaasumaisia biologisia polttoaineita ovat biokaasu ja biovety.
Biokaasu maakaasun korvikkeena
Biokaasu on lähes täydellinen maakaasun analogi: se sisältää 13-50 % CO2, 49-87 % metaania sekä H-epäpuhtauksia2 ja H2S.Jos tämä aine puhdistetaan hiilidioksidista, voidaan saada biometaania.
Kaasumaista biopolttoainetta tuotetaan biomassasta vety- tai metaanikäymisen avulla. Jälkimmäisen aiheuttavat kolmen tyyppiset mikro-organismit: ensin raaka-aine altistuu hydrolyyttisille bakteereille, jotka sitten korvataan happoa ja metaania muodostavilla mikrobeilla.
Raaka-aineina voidaan käyttää monenlaisia materiaaleja: säilörehua, lantaa, levää, jätevettä, kuiviketta, ulostejäämiä, kotitalousjätteitä. Lähtöaine saatetaan homogeeniseen tilaan, jonka jälkeen se asetetaan reaktoriin latauslaitteen avulla.
Siellä pidetään miellyttävä +35-38 °C lämpötila, joka on välttämätön metaanin käymisprosessille.
Raaka-ainetta sekoitetaan jatkuvasti, kun taas tuloksena oleva kaasumainen tuote puretaan kaasusäiliöön (varastoyksikköön), josta se tulee sähkögeneraattoriin.
Lisätietoa biokaasun saamisesta lannasta ja biokaasulaitoksen perustamisesta on kirjoitettu artikkeleissa:
- Kuinka tehdä biopolttoainetta omin käsin lannasta kotona
- Tee-se-itse biokaasulaitos omakotitalon: suositukset laitteelle ja esimerkki kotitekoisen tuotteen järjestämisestä
Kemiallisella menetelmällä saatu biovety
Kaasumaista biopolttoainetta, joka on tavanomaisen vedyn analogia, saadaan biomassasta biokemiallisin tai termokemiallisin menetelmin.
Termokemiallisessa menetelmässä valmistetut raaka-aineet (esim. puujäte) lämmitetään 500–800°C lämpötilaan ilman happea, jolloin vapautuu H-kaasuja.2,CO,CH4.
Biokemiallisella menetelmällä raaka-aineet pidetään mukavissa olosuhteissa normaalipaineessa ja noin 30°C lämpötilassa.
Biomassaan tuodaan erityisiä mikro-organismeja Enterobacter cloacae ja Rodobacter speriodeja, jotka hajottavat alkuperäisen tuotteen vapauttaen vetyä. Polysakkarideja käyttävän tuotannon nopeuttamiseksi voidaan lisätä entsyymejä.
Päätelmät ja hyödyllinen video aiheesta
Alla olevassa videossa voit nähdä suositun biopolttoainetyypin - puubrikettien - valmistusprosessin:
Biologisten polttoaineiden tyypit eroavat paitsi aggregaatiotilansa, myös ominaisuuksiltaan. Tällaisia materiaaleja valittaessa on otettava huomioon niiden käyttötarkoitus, tehokkuus, toiminnalliset ominaisuudet ja hinta.
Onko sinulla kokemusta vaihtoehtoisten polttoaineiden käytöstä? Tai haluatko kysyä kysymyksiä biopolttoaineista? Kommentoi julkaisua ja osallistu keskusteluun. Palautelohko sijaitsee alla.
Pidän biopolttoaineesta, jota varten käsitellään puunjalostuksen ja muun teollisuuden jätettä - sahanpurua, huonolaatuista puuta. Tämä on hyvä tapa säästää planeetan luonnonvaroja. Myös levät ovat vaihtoehto; ne eivät tarvitse mitään erityistä ja kasvavat nopeasti.
Mutta pelloilla kasvaminen vaikuttaa epäekologiselta - paljon makeaa vettä menee hukkaan, mutta hyödyllistä tuotetta tulee vähän.
En voi ymmärtää, miksi bioetanolia ei edelleenkään myydä Venäjällä laajalti, se on puhtaasti ympäristöystävällinen polttoaine, jonka raaka-aineet löytyvät vaivattomasti. Puubriketit ovat myös hyvä vaihtoehto. Kuka voi vastata selkeästi: eikö duumamme tarkoituksella hyväksy ekopolttoainelakia vai onko tässä mukana Gazpromin lobbaus, epäilen vahvasti...
Hei. Tuotamme housuja hyvissä määrin, kuka sanoi, että ei. Mittakaavan osalta bioenergian kasvuvauhti on nousussa ja volyymin lisäystä suunnitellaan, varsinkin kun se on uusiutuva luonnonvara, mutta valitettavasti älä odota, että tästä on kenellekään hyötyä, todennäköisesti tällaisen polttoaineen hinta on monta kertaa suurempi, kun otetaan huomioon sen välittömän käytön ominaisuudet.
Tällä välin he enimmäkseen yrittävät toteuttaa tätä maataloudessa autonomisessa muodossa. Yhden bioenergialaitosten valmistajan tilastojen mukaan sen tuotteesta on kuitenkin kiinnostunut 10 tuhatta maatilaa, vain 3 maatilaa käyttää sitä. Miksi, koska laitteiden taloudellinen takaisinmaksu on perusteeton.
Gazpromin aulassa ei todennäköisesti ole mitään tekemistä asian kanssa. Mitkä maat kehittävät tätä bioetanolia? 90 % maailman tuotannosta tulee Brasiliasta sokeriruo'on kanssa ja Yhdysvalloista maissin kanssa. Mistä teemme sen?
Alex, meillä on valtava määrä puunkorjuuta. Myös se, että jäte ei mätäne metsässä, tontilla, on hyödyksi. Ja puu jalostetaan alkoholiksi ja biokaasuksi ei huonommin kuin maissi.