Tipuri de biocarburanți: compararea caracteristicilor combustibililor solizi, lichizi și gazoși

O alternativă la resursele energetice tradiționale sunt diferitele tipuri de biocombustibil, a căror producție utilizează materii prime vegetale sau animale, deșeurile industriale și rezultatele activității vitale a organismelor.

Oferim să înțelegem avantajele și dezavantajele utilizării unui astfel de combustibil, să aflăm caracteristicile de producție, caracteristicile funcționale și, de asemenea, să evaluăm eficiența utilizării diferitelor tipuri de combustibil biologic. Informațiile furnizate vă vor ajuta să navigați în alegerea surselor alternative de resurse energetice.

Ce este biocombustibilul

Cea mai promițătoare direcție în sectorul energetic sunt tehnologiile care implică utilizarea resurselor regenerabile, care includ combustibilul biologic.

Cel mai comun tip de combustibil biologic este lemnul de foc obișnuit. 38% din populația lumii le folosește pentru încălzire și gătit

Ca materie primă pentru producerea acesteia, puteți lua biomasă de origine vegetală/animală, inclusiv deșeuri industriale sau deșeuri animale.

Prelucrarea unor astfel de substanțe se realizează prin metode termochimice sau biologice; în acest din urmă caz, combustibilul este obținut folosind diferite tipuri de microorganisme.

Ponderea de utilizare a combustibililor biologici este în continuă creștere, ceea ce contribuie la conservarea resurselor de hidrocarburi fosile (+)

Multe țări au programe speciale pentru a extinde ponderea biocombustibililor în consumul național și regional de energie. Un număr de state au, de asemenea, standarde obligatorii pentru utilizarea acestei surse de energie.

Avantajele și dezavantajele biocombustibilului

Combustibilii biologici au laturile lor pozitive si negative. Interesul pentru utilizarea acestui tip de materie primă este cauzat de avantajele sale neîndoielnice.

Acestea includ:

• Cost bugetar. Deși în prezent prețurile la biocombustibil sunt aproape aceleași cu costul benzinei, substanțele biologice sunt considerate un tip de combustibil mai profitabil deoarece produc mai puține emisii atunci când sunt arse. Biocombustibilul este potrivit pentru utilizare în diferite condiții și poate fi adaptat la motoare de diferite modele. Un alt avantaj este optimizarea funcționării motorului, care rămâne curat mai mult timp datorită cantității mici de funingine și gaze de eșapament.
• Mobilitate. Combustibilul biologic diferă de alte surse alternative de energie prin portabilitatea sa. Instalațiile solare și eoliene includ de obicei baterii grele, astfel încât acestea sunt utilizate cel mai adesea permanent, în timp ce biocombustibilii pot fi transportați dintr-o regiune în alta fără prea multe bătăi de cap.
• Sursă de energie regenerabilă. Deși cercetătorii cred că zăcămintele de țiței existente vor dura cel puțin câteva sute de ani, rezervele de fosile sunt încă limitate. Biocombustibilii, obținuți din deșeuri vegetale și animale, se numără printre resursele regenerabile care nu sunt în pericol de a dispărea în viitorul apropiat.
• Protejarea Atmosferei Pământului. Un dezavantaj major al hidrocarburilor tradiționale este procentul ridicat de CO₂, care se eliberează atunci când este ars. Acest gaz creează un efect de seră în atmosfera planetei noastre, creând condițiile pentru încălzirea globală. Când substanțele biologice sunt arse, cantitatea de dioxid de carbon se reduce la 65%. În plus, culturile folosite în producția de biocombustibili consumă monoxid de carbon, reducând ponderea acestuia în aer.
• Securitate economică. Rezervele de hidrocarburi sunt distribuite inegal, astfel încât unele state sunt nevoite să cumpere petrol sau gaze naturale, cheltuind sume mari de bani pentru achiziție, transport și depozitare. În aproape orice țară pot fi produse diferite tipuri de combustibil biologic. Deoarece producția și prelucrarea sa va necesita crearea de noi întreprinderi și, în consecință, locuri de muncă, acest lucru va aduce beneficii economiei naționale și va avea un impact pozitiv asupra bunăstării oamenilor.

Îmbunătățirea tehnologiei și dezvoltarea de noi metode pot spori efectele pozitive ale biocombustibililor. Astfel, dezvoltarea tehnologiilor care utilizează plancton și alge îi va reduce semnificativ prețul.

În același timp, în stadiul actual de dezvoltare a științei și tehnologiei, producția de biocombustibili este asociată cu o serie de dificultăți și inconveniente. În primul rând, acestea sunt limitări naturale în creșterea plantelor.

Pentru creșterea culturilor utilizate pentru producerea de biomasă trebuie să se țină cont de o serie de factori, și anume:

• Utilizarea apei. Plantele agricole consumă multă apă, care este o resursă limitată, mai ales în zonele uscate.
• Invazivitatea. Culturile cultivate pentru combustibil sunt adesea agresive.Ei sufocă flora autentică, ceea ce poate cauza biodiversitatea și ecosistemul regiunii să sufere.
• Îngrășăminte. Multe plante necesită nutrienți suplimentari pentru a crește, ceea ce poate dăuna altor culturi sau întregului ecosistem.
• Climat. Anumite zone climatice (de exemplu, deșertul sau tundra) nu sunt potrivite pentru cultivarea culturilor de biocombustibili.

Cultivarea activă a plantelor agricole este, de asemenea, asociată cu epuizarea resurselor agricole.Nerespectarea regulilor tehnologiei agricole poate duce la scăderea conținutului de componente utile a solului și, ca urmare, la epuizarea acestora, ceea ce va agrava problema alimentara.

Ecosistemul este perturbat. Producția de biomasă necesită de obicei extinderea suprafețelor agricole.

Adesea, în acest scop, teritoriul este curățat, ceea ce duce la distrugerea microecosistemului (de exemplu, pădurile), moartea plantelor și animalelor.

Un volum mare de culturi este deja cultivat pentru a produce biocombustibili. Peste 50% din rapița produsă în Europa, mai mult de o treime din cerealele americane și aproape jumătate din trestia de zahăr cultivată în Brazilia sunt folosite pentru producția de biomasă.

Probleme apar cu monoculturile în creștere. Pentru a obține producții mai mari de biomasă, producătorii adesea însămânță teren cu o anumită plantă. Această practică nu este foarte bună pentru terenurile agricole, deoarece monocultura duce la schimbări de mediu.

Câmpurile ocupate de un tip de plantă sunt de obicei infestate de tipuri speciale de dăunători.O încercare de a le combate cu ajutorul insecticidelor și pesticidelor nu duce decât la dezvoltarea rezistenței la acești agenți.

Pentru a evita problemele descrise mai sus, oamenii de știință sfătuiesc să nu neglijeze biodiversitatea culturilor prin combinarea mai multor plante pe câmp și, de asemenea, să folosească varietăți locale de floră.

Generații de combustibili alternativi

Gama largă de materii prime vegetale utilizate pentru biomasă este de obicei împărțită în mai multe generații.

Prima generatie. Această categorie include culturile agricole care conțin un procent ridicat de amidon, zaharuri și grăsimi. Acestea sunt plante atât de populare precum porumbul, sfecla de zahăr, rapița și soia.

Deoarece cultivarea acestor culturi dăunează climei, iar eliminarea lor de pe piață afectează prețurile alimentelor, oamenii de știință încearcă să le înlocuiască cu alte tipuri de biomasă.

Aproape toate tipurile de combustibili lichizi moderni (biodiesel, etanol) sunt produse în prezent din plantele agricole aparținând primei generații de materii prime.

A doua generație. Grupul de biomasă include lemn, iarbă și deșeuri agricole (cochilii, coji). Producerea biocombustibilului din astfel de materii prime este costisitoare, dar permite rezolvarea problemei reciclării reziduurilor nealimentare cu producerea simultană de materiale combustibile.

O caracteristică a culturilor incluse în acest soi este prezența ligninei și a celulozei în ele. Datorită acestora, biomasa poate fi arsă și gazeificată, precum și supusă pirolizei pentru a produce combustibil lichid.

Principalul dezavantaj al biomasei de a doua generație este considerat a fi randamentul insuficient pe unitatea de suprafață, motiv pentru care pentru astfel de culturi trebuie alocate resurse de teren semnificative.

A treia generatie. Materia primă pentru producția de biocombustibil este algele, care sunt cultivate la scară industrială, de exemplu, în rezervoare deschise.

Opțiunea cea mai promițătoare este considerată a fi biocombustibilii obținuți din alge unicelulare. Astfel de plante câștigă rapid în greutate și nu au nevoie de pământ fertil pentru a le crește.

Această practică este foarte promițătoare, dar în prezent astfel de tehnologii sunt doar în curs de dezvoltare. Oamenii de știință desfășoară, de asemenea, cercetări pentru a crea tehnici care să permită obținerea de biocombustibili de a patra și chiar a cincea generație.

Trei tipuri de biocombustibili

În funcție de starea de agregare în care se află substanța, există trei tipuri principale de biocombustibil:

1. Solid: lemn de foc, turba, deseuri animale si agricole.
2. Lichid: biodiesel, dimetil eter, bioetanol, biobutanol.
3. Gazos: biogaz, metan, biohidrogen.

Fiecare tip de substanță are propriile sale specificități, care vor fi discutate mai jos.

Tipul #1: greu

Cele mai populare tipuri solide de combustibil biologic includ lemnul, turba și deșeurile animale.

Lemn (lemn de foc, așchii, rumeguș)

Un tip străvechi de biocombustibil este binecunoscutul lemn de foc, care a fost folosit de multă vreme pentru a încălzi casele și a găti alimente. Până în prezent, acestea sunt utilizate în mod activ în diferite țări pentru a genera căldură/electricitate, în special, o centrală termică austriacă mare, cu o capacitate de 66 de megawați, funcționează pe lemn.

În același timp, astfel de materii prime au dezavantaje. Valoarea energetică a lemnului de foc este relativ scăzută: atunci când este ars, o parte din substanță se depune sub formă de funingine, motiv pentru care șemineele și sobele trebuie curățate în mod regulat.În plus, este nevoie de un anumit timp pentru a completa rezervele de lemn - copacii noi vor crește abia după 15-20 de ani.

O alternativă excelentă la lemnul de foc convențional sunt peleții (granule), pentru a căror producție se utilizează lemn substandard: scoarță, așchii de lemn, rumeguș presat, cățea.

Peleții obținuți din lemn, turbă și diverse deșeuri au culori diferite. Cele ușoare sunt folosite pentru șeminee și sobe, în timp ce cele întunecate, cu un conținut ridicat de scoarță, sunt destinate cazanelor cu combustibil solid

Pentru a produce peleți de combustibil, materiile prime sunt măcinate în praf, care este apoi uscat și presat la temperaturi ridicate. Datorită ligninei conținute în lemn, se formează o masă lipicioasă, din care se formează cilindri mici cu lungimea de 5-70 mm și diametrul de 6-10 mm.

O alternativă modernă la lemnul de foc tradițional sunt brichetele de combustibil cu patru, șase sau octogonale. Acest material ecologic are un transfer ridicat de căldură

Puteți configura singur producția de peleți făcând presa pentru brichete de combustibil.

Printre tipurile populare de biocombustibili se numără așchiile de lemn, care servesc adesea ca sursă de energie în centralele termice europene. Producția acestor materii prime se desfășoară în locuri de exploatare forestieră sau pe linii speciale de producție echipate cu mașini de tocat.

Turbă de combustibil pentru mlaștină și pădure

Este un tip comun de biocombustibil care a fost folosit de secole în scopuri domestice și industriale. Turba este un strat de mușchi care nu s-a descompus complet în condiții de mlaștină și este extrasă în multe țări din întreaga lume: Rusia, Belarus, Canada, Suedia, Indonezia și altele.

Turba, care conține 50-60% carbon, este considerată un material popular cu gaz. Această materie primă valoroasă poate fi folosită nu numai ca combustibil, ci și ca îngrășământ sau izolator termic.

Pentru a facilita procesul de producție, biomasa este de obicei prelucrată la locul de extracție. Procesul constă în curățarea (cernerea) materiilor prime de incluziuni străine, urmată de uscare și turnare în brichete sau granule.

Combustibil din deșeuri agricole

În producția agricolă, de regulă, se acumulează un număr mare de diverse deșeuri vegetale: coji exterioare ale plantelor, coji de nuci, paie.

Astfel de materii prime pot fi, de asemenea, presate și granulate, producând peleți combustibili, ale căror caracteristici nu sunt practic diferite de peleții fabricați din biomasă lemnoasă.

Biocombustibili de origine animală

Alături de lemnul de foc, în antichitate oamenii au început să folosească combustibil de origine animală, și anume bălegar - bălegar uscat de animale domestice. Tehnologiile moderne de uscare și prelucrare a unor astfel de materii prime fac posibilă obținerea de soiuri solide de biocombustibil, care sunt complet lipsite de miros neplăcut.

Multă vreme, popoarele nomade au folosit gunoi de grajd uscat de la cai, cămile și vite ca combustibil. În prezent, biocombustibilul este produs din deșeurile animale domestice sub formă de brichete sau peleți

Deoarece deșeurile animale sunt acum acumulate la scară industrială, producția de combustibil din acestea rezolvă simultan problema eliminării acestora.

Tipul #2: lichid

Biocombustibilii lichizi, care sunt siguri și ecologici, sunt utilizați în principal ca înlocuitor pentru benzină și alte produse similare.Cele mai comune opțiuni includ bioetanol, biometanol, biobutanol, biodiesel și dimetil eter.

Bioetanol din culturi de plante

Este un biocombustibil lichid comun folosit pentru alimentarea mașinilor. Deși substanța pură nu este folosită ca combustibil, adăugarea ei la benzină ajută la îmbunătățirea performanței motorului, la creșterea puterii acestuia, la controlul încălzirii motorului și la reducerea emisiilor de evacuare.

Multe benzinării din Europa, Asia, America de Nord și de Sud oferă nu numai combustibil tradițional, ci și diverse tipuri de biocombustibil, în principal amestecuri care conțin bioetanol

Bioetanolul a fost apreciat și de iubitorii de șeminee. Această substanță are un bun transfer de căldură; în plus, atunci când arde, nu se formează funingine sau fum, iar cantitatea de dioxid de carbon eliberată este minimizată.

Datorită acestor caracteristici, combustibilul poate fi folosit chiar și pentru a arde focare în blocuri. Citiți mai multe despre biocombustibil pentru șeminee în Acest articol.

Bioetanolul este produs din materii prime de prima generație care conțin amidon sau zahăr. Cerealele, porumbul, trestia de zahăr și sfecla sunt prelucrate folosind tehnologia de fermentare a alcoolului.

Biobutanol pentru realimentarea mașinilor

Biobutanolul este un analog derivat biologic al butanolului. Un lichid incolor cu un miros caracteristic, este utilizat pe scară largă ca materie primă chimică în industrie și poate fi folosit și ca combustibil de transport.

Intensitatea energetică a butanolului este apropiată de cea a benzinei, ceea ce face posibilă înlocuirea parțială a acesteia din urmă în celulele de combustie. Spre deosebire de bioetanol, biobutanolul poate fi utilizat independent, fără adăugarea de tipuri tradiționale de combustibil.

Materiile prime pentru producerea acestei biosubstanțe sunt o mare varietate de plante: sfeclă, manioc, grâu, porumb.

Dimetil eter (C₂H₆O)

Este, de asemenea, un combustibil prietenos cu mediul. Când este ars, nu există compuși de sulf în gazele de eșapament, iar conținutul de compuși de azot este cu 90% mai mic decât atunci când ardeți benzina.

Dimetileterul poate fi folosit fără filtre speciale, dar trebuie făcute modificări fundamentale în designul mașinii (sistemul de alimentare, aprinderea motorului).

Dimetil eterul este considerat o opțiune promițătoare pentru combustibilul pentru automobile. Mașini cu motoare concepute pentru acest combustibil sunt dezvoltate de companii atât de mari precum Volvo, SAIC Motor, KAMAZ, Nissan

Fără modificări, puteți utiliza o combinație de combustibil care conține 30% dimetil eter în mașinile care sunt echipate cu motoare GPL.

Combustibilul lichid poate fi produs din diverse materii prime: gaze naturale, praf de cărbune, biomasă și, mai ales, din reziduurile producției de celuloză și hârtie, care sunt transformate în lichid la presiune scăzută.

Biometanol din alge unicelulare

Această substanță este un analog al metanolului obișnuit, care este utilizat pe scară largă pentru producerea unui număr de compuși chimici (acid acetic, formaldehidă) și este, de asemenea, utilizat ca antigel și solvent.

Problema producerii acestui tip de biocombustibil a fost ridicată pentru prima dată în anii 1980, când un grup de oameni de știință a propus producerea unei substanțe lichide prin transformarea biochimică a fitoplanctonului marin, care să fie cultivată în rezervoare speciale.

Biometanolul are o serie de beneficii potențiale:

• eficienta energetica ridicata — 14 pentru producția de metan, 7 pentru producția de metanol;
• productivitate excelentă a fitoplanctonului — până la 100 de tone pe hectar pe an;
• organisme unicelulare nesolicitante, pentru cultivarea cărora nu este nevoie de apă dulce și soluri fertile;
• conservarea resurselor agricole, deoarece fitoplanctonul este cultivat în iazuri sau golfuri maritime.

Deși producția industrială de biometanol nu a fost încă stabilită, în prezent se desfășoară cercetări și dezvoltare persistente de tehnologii pentru dezvoltarea producției acestui tip de combustibil alternativ.

Biodieselul ca alternativă la combustibilul de transport

Acesta este un biocombustibil lichid pentru motor constând dintr-un amestec de esteri ai acizilor grași. Substanța este sigură pentru oameni și animale, se descompune aproape complet în pământ în 28 de zile și are, de asemenea, un punct de aprindere relativ ridicat (<100).

Biodieselul reduce procentul de emisii de gaze nocive și, de asemenea, prelungește durata de viață a motorului, deoarece conține componente lubrifiante.

Combustibilul este folosit pentru a alimenta motoarele auto, atât independent, cât și în combinație cu combustibilul convențional. Trebuie luată în considerare doar durata scurtă de valabilitate a substanței biologice: după trei luni, substanța biologică începe să se descompună cu o pierdere completă a proprietăților.

Pentru biodiesel, în țările UE a fost adoptat un standard special EN14214. Într-o serie de țări, standardul EN590 este de asemenea în vigoare, permițând adăugarea a 5% biodiesel la alți combustibili.

Tipul #3: gazos

Principalele tipuri de combustibili biologici gazoși includ biogazul și biohidrogenul.

Biogazul ca înlocuitor al gazelor naturale

Biogazul este un analog aproape complet al gazului natural: conține 13-50% CO_2, 49-87% metan, precum și impurități H₂ si H₂S.Dacă această substanță este purificată din dioxid de carbon, se poate obține biometan.

Biocombustibilul gazos este produs din biomasă prin fermentarea hidrogenului sau a metanului. Acesta din urmă este cauzat de trei tipuri de microorganisme: în primul rând, materia primă este expusă la bacterii hidrolitice, care sunt apoi înlocuite cu microbi care formează acid și metan.

Producția de biogaz poate fi realizată folosind dispozitive industriale și artizanale. Cea mai comună metodă de producție este digestia aerobă în rezervoare de metan.

Ca materii prime pot fi folosite o varietate de materiale: siloz, gunoi de grajd, alge, ape uzate, gunoi, reziduuri fecale, deseuri menajere. Substanța de pornire este adusă într-o stare omogenă, după care este introdusă în reactor cu ajutorul unui încărcător.

Acolo se mentine o temperatura confortabila de +35-38°C, necesara procesului de fermentare a metanului.

Materia prima este amestecata constant, in timp ce produsul gazos rezultat este evacuat intr-un suport de gaz (unitate de stocare), de unde intra in generatorul electric.

Mai multe informații despre obținerea de biogaz din gunoi de grajd și înființarea unei instalații de biogaz sunt scrise în articolele:

1. Cum să faci biocombustibil cu propriile mâini din gunoi de grajd acasă
2. Instalație de biogaz bricolaj pentru o casă privată: recomandări pentru dispozitiv și un exemplu de aranjare a unui produs de casă

Biohidrogen obtinut prin metoda chimica

Un tip de biocombustibil gazos, care este un analog al hidrogenului convențional, este obținut din biomasă folosind metode biochimice sau termochimice.

În metoda termochimică, materiile prime preparate (de exemplu, deșeurile de lemn) sunt încălzite la o temperatură de 500–800°C fără oxigen, care eliberează gaze H.₂,CO,CH₄.

O metodă promițătoare de producere a biohidrogenului este bioftoliza. În acest caz, gazul este produs folosind alge, care sunt plasate în apa de mare, canalizare

Prin metoda biochimică, materiile prime sunt păstrate în condiții confortabile la presiune normală și la o temperatură de aproximativ 30°C.

În biomasă sunt introduse microorganisme speciale Enterobacter cloacae și Rodobacter speriodes, care descompun produsul original, eliberând hidrogen. Pentru a accelera producția folosind polizaharide, pot fi adăugate enzime.

Concluzii și video util pe această temă

În videoclipul de mai jos puteți vedea procesul de fabricare a unui tip popular de biocombustibil - brichete din lemn:

Tipurile de combustibil biologic diferă nu numai prin starea lor de agregare, ci și prin caracteristicile lor. Atunci când alegeți astfel de materiale, este necesar să se țină seama de utilizarea lor prevăzută, eficacitatea, proprietățile funcționale și costul.

Aveți experiență în utilizarea combustibilului alternativ? Sau vrei să pui întrebări despre biocombustibili? Vă rugăm să comentați postarea și să participați la discuții. Blocul de feedback este situat mai jos.