Rodzaje biopaliw: porównanie właściwości paliw stałych, ciekłych i gazowych

Alternatywą dla tradycyjnych surowców energetycznych są różnego rodzaju biopaliwa, do produkcji których wykorzystuje się surowce roślinne lub zwierzęce, odpady przemysłowe oraz skutki życiowej działalności organizmów.

Oferujemy zrozumienie zalet i wad stosowania takiego paliwa, poznanie cech produkcyjnych, cech funkcjonalnych, a także ocenę efektywności stosowania różnych rodzajów paliwa biologicznego. Dostarczone informacje pomogą Ci w wyborze alternatywnych źródeł surowców energetycznych.

Co to jest biopaliwo

Najbardziej obiecującym kierunkiem w energetyce są technologie wykorzystujące zasoby odnawialne, do których zalicza się paliwo biologiczne.

Najpopularniejszym rodzajem paliwa biologicznego jest zwykłe drewno opałowe. 38% światowej populacji używa ich do ogrzewania i gotowania

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

Przetwarzanie takich substancji odbywa się metodami termochemicznymi lub biologicznymi, w tym drugim przypadku paliwo uzyskuje się przy użyciu różnego rodzaju mikroorganizmów.

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

Wiele krajów posiada specjalne programy mające na celu zwiększenie udziału biopaliw w krajowym i regionalnym zużyciu energii. W wielu stanach obowiązują również obowiązkowe normy dotyczące wykorzystania tego źródła energii.

Zalety i wady biopaliwa

Paliwa biologiczne mają swoje pozytywne i negatywne strony. Zainteresowanie wykorzystaniem tego rodzaju surowca spowodowane jest jego niewątpliwymi zaletami.

Obejmują one:

• Koszt budżetowy. Chociaż obecnie ceny biopaliw są prawie takie same jak cena benzyny, substancje biologiczne są uważane za bardziej opłacalny rodzaj paliwa, ponieważ podczas spalania wytwarzają mniej emisji. Biopaliwo nadaje się do stosowania w różnych warunkach i można je dostosować do silników o różnej konstrukcji. Kolejną zaletą jest optymalizacja pracy silnika, który dłużej pozostaje czysty dzięki małej ilości sadzy i spalin.
• Mobilność. Paliwo biologiczne różni się od innych alternatywnych źródeł energii swoją przenośnością. Instalacje fotowoltaiczne i wiatrowe zazwyczaj wyposażone są w ciężkie akumulatory, dlatego najczęściej wykorzystuje się je na stałe, natomiast biopaliwa można bez większych problemów transportować z jednego regionu do drugiego.
• Odnawialne źródło energii. Chociaż naukowcy uważają, że istniejące złoża ropy naftowej przetrwają co najmniej kilkaset lat, zasoby paliw kopalnych są nadal ograniczone. Biopaliwa wytwarzane z odpadów roślinnych i zwierzęcych należą do zasobów odnawialnych, którym nie grozi wyginięcie w dającej się przewidzieć przyszłości.
• Ochrona atmosfery ziemskiej. Główną wadą tradycyjnych węglowodorów jest wysoki procent CO₂, który uwalnia się podczas spalania. Gaz ten powoduje efekt cieplarniany w atmosferze naszej planety, tworząc warunki do globalnego ocieplenia. Podczas spalania substancji biologicznych ilość dwutlenku węgla zmniejsza się do 65%. Ponadto rośliny uprawne wykorzystywane do produkcji biopaliw zużywają tlenek węgla, zmniejszając jego udział w powietrzu.
• Bezpieczeństwo ekonomiczne. Zasoby węglowodorów są rozmieszczone nierównomiernie, dlatego niektóre stany zmuszone są kupować ropę lub gaz ziemny, wydając duże kwoty na ich pozyskiwanie, transport i magazynowanie. Niemal w każdym kraju można produkować różne rodzaje paliwa biologicznego. Ponieważ jego produkcja i przetwarzanie będzie wymagało tworzenia nowych przedsiębiorstw, a co za tym idzie miejsc pracy, przyniesie to korzyść gospodarce narodowej i będzie miało pozytywny wpływ na dobrobyt ludzi.

Udoskonalanie technologii i opracowywanie nowych metod może zwiększyć pozytywne działanie biopaliw. Tym samym rozwój technologii wykorzystujących plankton i glony znacząco 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 roślin wykorzystywanych do produkcji biomasy należy wziąć pod uwagę szereg czynników, a mianowicie:

• Wykorzystanie wody. Rośliny rolnicze zużywają dużo wody, której zasoby są ograniczone, szczególnie na obszarach suchych.
• Inwazyjność. Uprawy uprawiane na paliwo są często agresywne.Zagłuszają autentyczną florę, co może zaszkodzić różnorodności biologicznej i ekosystemowi regionu.
• Nawozy. Wiele roślin wymaga do wzrostu dodatkowych składników odżywczych, co może zaszkodzić innym uprawom lub całemu ekosystemowi.
• Klimat. Niektóre strefy klimatyczne (na przykład pustynia lub tundra) nie nadają się do uprawy roślin na biopaliwa.

Aktywna uprawa roślin rolniczych wiąże się także z wyczerpywaniem zasobów rolnych.Nieprzestrzeganie zasad techniki rolniczej może prowadzić do zmniejszenia zawartości użytecznych składników gleby i w efekcie do ich zubożenia, co pogorszy problem z jedzeniem.

Ekosystem jest zakłócony. Produkcja biomasy wymaga zazwyczaj rozbudowy obszarów rolniczych.

Często w tym celu terytorium jest oczyszczane, co prowadzi do zniszczenia mikroekosystemu (na przykład lasów), śmierci roślin i zwierząt.

Uprawia się już duże ilości roślin przeznaczonych do produkcji biopaliw. Do produkcji biomasy wykorzystuje się ponad 50% rzepaku produkowanego w Europie, ponad jedną trzecią amerykańskich zbóż i prawie połowę trzciny cukrowej uprawianej w Brazylii.

Problemy pojawiają się przy uprawie monokultur. Aby uzyskać większe plony biomasy, producenci często obsiewają ziemię określoną rośliną. Praktyka ta nie jest zbyt dobra w przypadku gruntów rolnych, ponieważ monokultura prowadzi do zmian środowiskowych.

Pola zajęte przez jeden rodzaj roślin są zwykle atakowane przez specjalne typy szkodników.Próba zwalczania ich za pomocą środków owadobójczych i pestycydów prowadzi jedynie do wytworzenia odporności na te środki.

Aby uniknąć opisanych powyżej problemów, naukowcy radzą nie zaniedbywać różnorodności biologicznej upraw poprzez łączenie kilku roślin na polach, a także wykorzystywać lokalne odmiany flory.

Generacje paliw alternatywnych

Szeroka gama surowców roślinnych wykorzystywanych do produkcji biomasy dzieli się zazwyczaj na kilka pokoleń.

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

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

Prawie wszystkie rodzaje nowoczesnych paliw ciekłych (biodiesel, etanol) produkowane są obecnie z roślin rolniczych należących do pierwszej generacji surowców.

Drugie pokolenie. Do grupy biomasy zalicza się drewno, trawę oraz odpady rolnicze (muszle, łuski). Wytwarzanie biopaliwa z takich surowców jest kosztowne, ale pozwala na rozwiązanie problemu recyklingu pozostałości niespożywczych przy jednoczesnej produkcji materiałów palnych.

Cechą roślin zaliczanych do tej odmiany jest obecność w nich ligniny i celulozy. Dzięki nim biomasę można spalać i zgazowywać, a także poddawać pirolizie w celu wytworzenia paliwa płynnego.

Za główną wadę biomasy drugiej generacji uważa się niewystarczającą rentowność z jednostki powierzchni, dlatego też pod takie uprawy należy przeznaczyć znaczne zasoby gruntów.

Trzecia generacja. Surowcem do produkcji biopaliwa są glony, które uprawia się na skalę przemysłową m.in. w otwartych zbiornikach.

Najbardziej obiecującą opcją są biopaliwa otrzymywane z jednokomórkowych alg. Rośliny takie szybko przybierają na wadze, a do ich uprawy nie potrzeba żyznej gleby.

Praktyka ta jest bardzo obiecująca, ale obecnie takie technologie są dopiero opracowywane. Naukowcy prowadzą także badania nad stworzeniem technik pozwalających na otrzymanie biopaliw czwartej, a nawet piątej generacji.

Trzy rodzaje biopaliw

W zależności od stanu skupienia substancji wyróżnia się trzy główne typy biopaliw:

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

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

Typ nr 1: twardy

Do najpopularniejszych stałych rodzajów paliwa biologicznego zalicza się drewno, torf i odpady zwierzęce.

Drewno (drewno opałowe, zrębki, trociny)

Starożytnym rodzajem biopaliwa jest dobrze znane drewno opałowe, które od dawna wykorzystuje się do ogrzewania domów i gotowania potraw. Do tej pory są one aktywnie wykorzystywane w różnych krajach do wytwarzania ciepła/elektryczności, w szczególności duża austriacka elektrownia cieplna o mocy 66 megawatów wykorzystuje drewno.

Jednocześnie takie surowce mają wady. Wartość energetyczna drewna opałowego jest stosunkowo niska: podczas spalania część substancji osadza się w postaci sadzy, dlatego kominki i piece wymagają regularnego czyszczenia.Ponadto uzupełnienie zapasów drewna zajmuje trochę czasu - nowe drzewa wyrosną dopiero po 15-20 latach.

Doskonałą alternatywą dla konwencjonalnego drewna opałowego są pellety (granulat), do produkcji których wykorzystuje się drewno niespełniające norm: korę, zrębki, prasowane trociny, suko.

Pelety pozyskiwane z drewna, torfu i różnych odpadów mają różną barwę. Jasne służą do opalania kominków i pieców, natomiast ciemne, o dużej zawartości kory, przeznaczone są do kotłów na paliwo stałe

Do produkcji pelletu paliwowego surowce mielone są na pył, który następnie suszy się i prasuje w wysokich temperaturach. Dzięki ligninie zawartej w drewnie tworzy się lepka masa, z której powstają małe cylindry o długości 5-70 mm i średnicy 6-10 mm.

Nowoczesną alternatywą dla tradycyjnego drewna opałowego są cztero-, sześcio- lub ośmiokątne brykiety opałowe. Ten przyjazny dla środowiska materiał ma wysoki współczynnik przenikania ciepła

Możesz samodzielnie skonfigurować produkcję pelletu, wykonując prasa do brykietów paliwowych.

Do popularnych rodzajów biopaliw zalicza się zrębki drzewne, które często służą jako źródło energii w europejskich elektrowniach cieplnych. Produkcja tych surowców odbywa się na terenach pozyskiwania drewna lub na specjalnych liniach produkcyjnych wyposażonych w maszyny rozdrabniające.

Torf bagienny i leśny opałowy

Jest to powszechny rodzaj biopaliwa, który od wieków jest wykorzystywany do celów domowych i przemysłowych. Torf to warstwa mchu, która nie uległa całkowitemu rozkładowi w warunkach bagiennych i jest wydobywana w wielu krajach na całym świecie: w Rosji, Białorusi, Kanadzie, Szwecji, Indonezji i innych.

Popularnym materiałem gazonośnym jest torf zawierający 50-60% węgla. Ten cenny surowiec można wykorzystać nie tylko jako paliwo, ale także jako nawóz czy izolator ciepła.

Aby ułatwić proces produkcji, biomasa jest zwykle przetwarzana w miejscu wydobycia. Proces polega na oczyszczeniu (odsianiu) surowca od wtrąceń obcych, następnie suszeniu i formowaniu w brykiety lub granulaty.

Paliwo z odpadów rolniczych

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

Takie surowce można również prasować i granulować, uzyskując pellety paliwowe, których właściwości praktycznie nie różnią się od pelletów wytwarzanych z biomasy drzewnej.

Biopaliwa pochodzenia zwierzęcego

Oprócz drewna opałowego w starożytności zaczęto używać paliwa pochodzenia zwierzęcego, czyli suszonego odchodów zwierząt domowych. Nowoczesne technologie suszenia i przetwarzania takich surowców pozwalają na otrzymanie stałych odmian biopaliw, całkowicie pozbawionych nieprzyjemnego zapachu.

Przez długi czas ludy koczownicze używały jako paliwa suszonego nawozu pochodzącego od koni, wielbłądów i bydła. Obecnie biopaliwo produkowane jest z odpadów zwierząt domowych w postaci brykietów lub peletów

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

Typ nr 2: płyn

Biopaliwa ciekłe, bezpieczne i przyjazne dla środowiska, stosowane są najczęściej jako zamiennik benzyny i innych podobnych produktów.Najpopularniejsze opcje obejmują bioetanol, biometanol, biobutanol, biodiesel i eter dimetylowy.

Bioetanol z upraw roślinnych

Jest to powszechnie stosowane biopaliwo ciekłe stosowane do zasilania samochodów. Choć czysta substancja nie jest wykorzystywana jako paliwo, jej dodatek do benzyny pozwala poprawić osiągi silnika, zwiększyć jego moc, kontrolować nagrzewanie się silnika i zmniejszyć emisję spalin.

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

Bioetanol docenili także miłośnicy kominków. Substancja ta dobrze przewodzi ciepło, ponadto podczas spalania nie tworzy się sadza ani dym, a ilość wydzielanego dwutlenku węgla jest zminimalizowana.

Dzięki tym cechom paliwo może być wykorzystywane nawet do rozpalania palenisk w budynkach mieszkalnych. Przeczytaj więcej o biopaliwie do kominków w Ten artykuł.

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

Biobutanol do tankowania samochodów

Biobutanol jest biologicznym analogiem butanolu. Bezbarwna ciecz o charakterystycznym zapachu, znajduje szerokie zastosowanie jako surowiec chemiczny w przemyśle, może być również wykorzystywana jako paliwo transportowe.

Energochłonność butanolu jest zbliżona do benzyny, co pozwala na częściowe jej zastąpienie w ogniwach paliwowych. W przeciwieństwie do bioetanolu, biobutanol można stosować samodzielnie, bez dodatku tradycyjnych rodzajów paliw.

Surowcami do produkcji tej biosubstancji są różnorodne rośliny: buraki, maniok, pszenica, kukurydza.

Eter dimetylowy (C₂H₆O)

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

Eter dimetylowy można stosować bez specjalnych filtrów, należy jednak dokonać zasadniczych zmian w konstrukcji samochodu (układ zasilania, zapłon silnika).

Eter dimetylowy jest uważany za obiecującą opcję dla paliwa samochodowego. Samochody z silnikami przeznaczonymi na to paliwo opracowują tak duże firmy, jak Volvo, SAIC Motor, KAMAZ, Nissan

Bez żadnych przeróbek w samochodach wyposażonych w silniki zasilane LPG można stosować paliwo kombinowane zawierające 30% eteru dimetylowego.

Paliwo płynne można wytwarzać z różnych surowców: gazu ziemnego, pyłu węglowego, biomasy, a przede wszystkim z pozostałości po produkcji celulozy i papieru, które pod niskim ciśnieniem ulegają przemianie w ciecz.

Biometanol z alg jednokomórkowych

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

Temat produkcji tego rodzaju biopaliwa pojawił się po raz pierwszy w latach 80. XX w., kiedy grupa naukowców zaproponowała produkcję płynnej substancji poprzez biochemiczną transformację fitoplanktonu morskiego, który będzie uprawiany w specjalnych zbiornikach.

Biometanol ma wiele potencjalnych korzyści:

• wysoka efektywność energetyczna — 14 do produkcji metanu, 7 do produkcji metanolu;
• doskonała produktywność fitoplanktonu — do 100 ton z hektara rocznie;
• mało wymagające organizmy jednokomórkowe, do uprawy których nie jest potrzebna świeża woda i żyzne gleby;
• ochrona zasobów rolnych, ponieważ fitoplankton uprawia się w stawach lub zatokach morskich.

Choć nie ustalono jeszcze przemysłowej produkcji biometanolu, obecnie trwają ciągłe badania i rozwój technologii mających na celu rozwój produkcji tego rodzaju paliwa alternatywnego.

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, rozkłada się w ziemi niemal całkowicie w ciągu 28 dni, a także posiada stosunkowo wysoką (<100) temperaturę zapłonu.

Biodiesel zmniejsza procent emisji szkodliwych gazów, a także wydłuża żywotność silnika, ponieważ zawiera składniki smarujące.

Paliwo służy do tankowania silników samochodowych zarówno samodzielnie, jak i w połączeniu z paliwem konwencjonalnym. Należy brać pod uwagę jedynie krótki okres trwałości substancji biologicznej: po trzech miesiącach substancja biologiczna zaczyna się rozkładać, powodując całkowitą utratę właściwości.

W przypadku biodiesla w krajach UE przyjęto specjalną normę EN14214. W wielu krajach obowiązuje także norma EN590, która pozwala na dodanie 5% biodiesla do innych paliw.

Typ nr 3: gazowy

Do głównych rodzajów gazowych paliw biologicznych zalicza się biogaz i biowodór.

Biogaz jako zamiennik gazu ziemnego

Biogaz jest niemal całkowitym analogiem gazu ziemnego: zawiera 13-50% CO_2, 49-87% metanu, a także zanieczyszczenia H₂ i H₂S.Jeśli substancję tę oczyszczą się z dwutlenku węgla, można otrzymać biometan.

Biopaliwo gazowe produkowane jest z biomasy w procesie fermentacji wodorowej lub metanowej. To drugie powodowane jest przez trzy rodzaje mikroorganizmów: po pierwsze, surowiec poddawany jest działaniu bakterii hydrolitycznych, które następnie zastępowane są przez drobnoustroje kwasotwórcze i metanotwórcze.

Produkcja biogazu może być prowadzona przy użyciu urządzeń przemysłowych i rzemieślniczych. Najpopularniejszą metodą produkcji jest fermentacja tlenowa w zbiornikach metanu.

Jako surowce można wykorzystać różnorodne materiały: kiszonkę, obornik, glony, ścieki, ściółkę, pozostałości odchodów, odpady domowe. Substancję wyjściową doprowadza się do stanu jednorodnego, po czym za pomocą ładowarki umieszcza się ją w reaktorze.

Utrzymuje się tam komfortowa temperatura +35-38°C, niezbędna do przebiegu procesu fermentacji metanowej.

Surowiec jest stale mieszany, a powstały produkt gazowy jest odprowadzany do zbiornika gazu (magazynu), skąd trafia do generatora elektrycznego.

Więcej informacji na temat pozyskiwania biogazu z obornika i założenia biogazowni znajduje się w artykułach:

1. Jak zrobić biopaliwo własnymi rękami z obornika w domu
2. Biogazownia zrób to sam dla prywatnego domu: zalecenia dotyczące urządzenia i przykład aranżacji domowego produktu

Biowodór otrzymywany metodą chemiczną

Rodzaj biopaliwa gazowego, będący analogiem konwencjonalnego wodoru, otrzymywany jest z biomasy metodami biochemicznymi lub termochemicznymi.

W metodzie termochemicznej przygotowane surowce (np. odpady drzewne) podgrzewane są do temperatury 500–800°C bez użycia tlenu, co powoduje wydzielanie gazów H₂, CO, CH₄.

Obiecującą metodą wytwarzania biowodoru jest bioftoliza. W tym przypadku gaz wytwarzany jest z alg, które umieszcza się w wodzie morskiej i ściekach

Metodą biochemiczną surowce utrzymywane są w komfortowych warunkach pod normalnym ciśnieniem i w temperaturze około 30°C.

Do biomasy wprowadzane są specjalne mikroorganizmy Enterobacter cloacae i Rodobacter speriodes, które rozkładają pierwotny produkt, uwalniając wodór. Aby przyspieszyć produkcję przy użyciu polisacharydów, można dodać enzymy.

Wnioski i przydatne wideo na ten temat

Na poniższym filmie można zobaczyć proces wytwarzania popularnego rodzaju biopaliwa – brykietu drzewnego:

Rodzaje paliw biologicznych różnią się nie tylko stanem skupienia, ale także właściwościami. Przy wyborze takich materiałów należy wziąć pod uwagę ich przeznaczenie, skuteczność, właściwości użytkowe i koszt.

Czy masz doświadczenie w korzystaniu z paliw alternatywnych? A może chcesz zadać pytania dotyczące biopaliw? Zachęcamy do komentowania postu i wzięcia udziału w dyskusji. Blok informacji zwrotnej znajduje się poniżej.