Typer av biobränslen: jämförelse av egenskaperna hos fasta, flytande och gasformiga bränslen

Ett alternativ till traditionella energiresurser är olika typer av biobränsle, vars produktion använder växt- eller djurråvaror, industriavfall och resultaten av organismernas livsviktiga aktivitet.

Vi erbjuder att förstå fördelarna och nackdelarna med att använda sådant bränsle, ta reda på produktionsegenskaper, funktionella egenskaper och även utvärdera effektiviteten av att använda olika typer av biologiskt bränsle. Informationen som tillhandahålls hjälper dig att navigera i valet av alternativa energikällor.

Vad är biobränsle

Den mest lovande riktningen inom energisektorn är teknologier som involverar användning av förnybara resurser, som inkluderar biologiskt bränsle.

Den vanligaste typen av biologiskt bränsle är vanlig ved. 38 % av världens befolkning använder dem för uppvärmning och matlagning

Som råvara för dess produktion kan man ta biomassa av vegetabiliskt/animaliskt ursprung, inklusive industriavfall eller animaliskt avfall.

Bearbetningen av sådana ämnen utförs med termokemiska eller biologiska metoder, i det senare fallet erhålls bränsle med hjälp av olika typer av mikroorganismer.

Andelen användning av biologiska bränslen ökar ständigt, vilket bidrar till bevarandet av fossila kolväteresurser (+)

Många länder har särskilda program för att öka andelen biobränslen i den nationella och regionala energiförbrukningen. Ett antal stater har också obligatoriska standarder för användningen av denna energikälla.

För- och nackdelar med biobränslen

Biologiska bränslen har sina positiva och negativa sidor. Intresset för användningen av denna typ av råmaterial orsakas av dess otvivelaktiga fördelar.

Dessa inkluderar:

• Budgetkostnad. Även om priserna för biobränslen för närvarande är nästan desamma som kostnaden för bensin, anses biologiska ämnen vara en mer lönsam typ av bränsle eftersom de ger färre utsläpp vid förbränning. Biobränsle är lämpligt för användning under olika förhållanden, och det kan anpassas till motorer av olika design. En annan fördel är optimeringen av motordriften, som förblir ren längre på grund av den lilla mängden sot och avgaser.
• Rörlighet. Biologiskt bränsle skiljer sig från andra alternativa energikällor i sin portabilitet. Sol- och vindanläggningar innehåller vanligtvis tunga batterier, så de används oftast permanent, medan biobränslen kan transporteras från en region till en annan utan mycket krångel.
• Förnybar energikälla. Även om forskare tror att befintliga råoljefyndigheter kommer att räcka i åtminstone flera hundra år, är fossilreserverna fortfarande begränsade. Biobränslen, gjorda av växt- och djuravfall, hör till de förnybara resurserna som inte riskerar att försvinna inom en överskådlig framtid.
• Skydda jordens atmosfär. En stor nackdel med traditionella kolväten är den höga andelen CO₂, som frigörs vid förbränning. Denna gas skapar en växthuseffekt i atmosfären på vår planet, vilket skapar förutsättningar för global uppvärmning. När biologiska ämnen förbränns minskas mängden koldioxid till 65 %. Dessutom förbrukar grödor som används i biobränsleproduktion kolmonoxid, vilket minskar dess andel i luften.
• Ekonomisk trygghet. Kolvätereserverna är ojämnt fördelade, så vissa stater tvingas köpa olja eller naturgas och spenderar stora summor pengar på förvärv, transporter och lagring. Olika typer av biologiskt bränsle kan tillverkas i nästan alla länder. Eftersom dess produktion och bearbetning kommer att kräva skapandet av nya företag och följaktligen jobb, kommer detta att gynna den nationella ekonomin och ha en positiv inverkan på människors välbefinnande.

Att förbättra tekniken och utveckla nya metoder kan öka de positiva effekterna av biobränslen. Således kommer utvecklingen av tekniker som använder plankton och alger att minska priset avsevärt.

Samtidigt, i det nuvarande utvecklingsstadiet av vetenskap och teknik, är biobränsleproduktion förknippad med ett antal svårigheter och olägenheter. Först och främst är dessa naturliga begränsningar i växande växter.

För tillväxten av grödor som används för produktion av biomassa måste ett antal faktorer beaktas, nämligen:

• Vattenanvändning. Jordbruksväxter förbrukar mycket vatten, vilket är en begränsad resurs, särskilt i torra områden.
• Invasivitet. Grödor som odlas för bränsle är ofta aggressiva.De kväver den autentiska floran, vilket kan göra att den biologiska mångfalden och ekosystemet i regionen blir lidande.
• Gödselmedel. Många växter kräver ytterligare näringsämnen för att växa, vilket kan skada andra grödor eller det övergripande ekosystemet.
• Klimat. Vissa klimatzoner (till exempel öken eller tundra) är inte lämpliga för odling av biobränslegrödor.

Aktiv odling av jordbruksväxter är också förknippad med utarmning av jordbruksresurser. Underlåtenhet att följa reglerna för jordbruksteknik kan leda till en minskning av innehållet av användbara jordkomponenter och, som ett resultat, till deras utarmning, vilket kommer att förvärra matproblem.

Ekosystemet är stört. Biomassaproduktion kräver vanligtvis utbyggnad av jordbruksarealer.

Ofta, för detta ändamål, rensas territoriet, vilket leder till förstörelsen av mikroekosystemet (till exempel skogar), döden av växter och djur.

En stor volym grödor odlas redan för att producera biobränslen. Mer än 50 % av den raps som produceras i Europa, mer än en tredjedel av amerikansk spannmål och nästan hälften av sockerrören som odlas i Brasilien används för produktion av biomassa.

Problem uppstår med växande monokulturer. För att få större biomassaavkastning så landar producenterna ofta med en specifik planta. Denna praxis är inte särskilt bra för jordbruksmark, eftersom monokultur leder till miljöförändringar.

Åker som upptas av en typ av växt är vanligtvis angripna av speciella typer av skadedjur.Ett försök att bekämpa dem med hjälp av insekticider och bekämpningsmedel leder bara till utveckling av resistens mot dessa medel.

För att undvika problemen som beskrivits ovan rekommenderar forskare att inte försumma den biologiska mångfalden av grödor genom att kombinera flera växter på fälten, och även att använda lokala sorter av flora.

Generationer av alternativa bränslen

Det breda utbudet av växtråvaror som används för biomassa brukar delas in i flera generationer.

Första generationens. Denna kategori inkluderar jordbruksgrödor som innehåller en hög andel stärkelse, sockerarter och fetter. Dessa är så populära växter som majs, sockerbetor, raps och sojabönor.

Eftersom odling av dessa grödor skadar klimatet och att de tas bort från marknaden påverkar livsmedelspriserna, försöker forskare ersätta dem med andra typer av biomassa.

Nästan alla typer av moderna flytande bränslen (biodiesel, etanol) produceras för närvarande från jordbruksanläggningar som tillhör den första generationens råvaror.

Andra generationen. Biomassagruppen omfattar trä, gräs och jordbruksavfall (skal, skal). Att producera biobränsle från sådana råvaror är dyrt, men det gör det möjligt att lösa frågan om återvinning av icke-livsmedelsrester med samtidig produktion av brännbara material.

En egenskap hos grödorna som ingår i denna sort är närvaron av lignin och cellulosa i dem. Tack vare dem kan biomassa förbrännas och förgasas, samt utsättas för pyrolys för att producera flytande bränsle.

Den största nackdelen med andra generationens biomassa anses vara otillräcklig avkastning per ytenhet, varför betydande markresurser måste avsättas för sådana grödor.

Tredje generationen. Råvaran för produktion av biobränsle är alger, som odlas i industriell skala, till exempel i öppna reservoarer.

Det mest lovande alternativet anses vara biobränslen som erhållits från encelliga alger. Sådana växter går snabbt upp i vikt, och de kräver inte bördig mark för att odla dem.

Denna praxis lovar mycket, men för närvarande utvecklas bara sådana tekniker. Forskare bedriver också forskning för att skapa tekniker som gör det möjligt att få fram fjärde och till och med femte generationens biobränslen.

Tre typer av biobränslen

Beroende på i vilket tillstånd ämnet är aggregerat finns det tre huvudtyper av biobränsle:

1. Fast: ved, torv, djur- och jordbruksavfall.
2. Flytande: biodiesel, dimetyleter, bioetanol, biobutanol.
3. Gasformig: biogas, metan, bioväte.

Varje typ av ämne har sina egna detaljer, som kommer att diskuteras nedan.

Typ #1: svårt

De mest populära fasta typerna av biologiskt bränsle inkluderar trä, torv och animaliskt avfall.

Ved (ved, flis, sågspån)

En uråldrig typ av biobränsle är den välkända veden, som länge har använts för att värma upp hus och laga mat. Fram till nu har de aktivt använts i olika länder för att generera värme/el, i synnerhet ett stort österrikiskt värmekraftverk med en kapacitet på 66 megawatt arbetar på trä.

Samtidigt har sådana råvaror nackdelar. Energivärdet för ved är relativt lågt: vid förbränning lägger sig en del av ämnet i form av sot, varför eldstäder och kaminer behöver rengöras regelbundet.Dessutom tar det en viss tid att fylla på vedreserver - nya träd kommer att växa först efter 15-20 år.

Ett utmärkt alternativ till konventionell ved är pellets (granulat), för produktion av vilket undermåligt trä används: bark, träflis, pressat sågspån, tik.

Pellets från trä, torv och olika avfall har olika färger. Ljusa används för att elda eldstäder och kaminer, medan mörka med hög barkhalt är avsedda för fastbränslepannor

För att producera bränslepellets mals råvaror till damm som sedan torkas och pressas vid höga temperaturer. Tack vare ligninet som finns i trä bildas en klibbig massa, från vilken små cylindrar med en längd på 5-70 mm och en diameter på 6-10 mm bildas.

Ett modernt alternativ till traditionell ved är fyr-, sex- eller åttakantiga bränslebriketter. Detta miljövänliga material har hög värmeöverföring

Man kan själv sätta upp pelletstillverkning genom att göra press för bränslebriketter.

Bland de populära typerna av biobränslen finns flis, som ofta fungerar som energikälla i europeiska värmekraftverk. Tillverkningen av dessa råvaror sker på avverkningsplatser eller på speciella produktionslinjer utrustade med fragmenteringsmaskiner.

Träsk- och skogsbränsletorv

Det är en vanlig typ av biobränsle som har använts för hushålls- och industriändamål i århundraden. Torv är ett mossalager som inte har sönderfallit helt i sumpförhållanden och bryts i många länder runt om i världen: Ryssland, Vitryssland, Kanada, Sverige, Indonesien och andra.

Torv, som innehåller 50-60% kol, anses vara ett populärt gasbärande material. Detta värdefulla råmaterial kan användas inte bara som bränsle, utan också som gödningsmedel eller värmeisolator.

För att underlätta produktionsprocessen bearbetas vanligtvis biomassa vid utvinningsplatsen. Processen består av att rengöra (sikta) råvarorna från främmande inneslutningar, följt av torkning och formning till briketter eller granulat.

Bränsle från jordbruksavfall

I jordbruksproduktion ackumuleras som regel ett stort antal olika växtavfall: yttre skal av växter, nötskal, halm.

Sådana råmaterial kan också pressas och granuleras, vilket ger bränslepellets, vars egenskaper praktiskt taget inte skiljer sig från pellets gjorda av träbiomassa.

Biobränslen av animaliskt ursprung

Tillsammans med ved började man i antiken använda bränsle av animaliskt ursprung, nämligen dynga - torkad dynga från husdjur. Modern teknik för torkning och bearbetning av sådana råvaror gör det möjligt att få fasta varianter av biobränsle som helt saknar obehaglig lukt.

Under lång tid använde nomadfolk torkad gödsel från hästar, kameler och boskap som bränsle. För närvarande produceras biobränsle av husdjursavfall i form av briketter eller pellets

Eftersom boskapsavfall för närvarande ackumuleras i industriell skala, löser produktionen av bränsle från det samtidigt frågan om bortskaffande.

Typ #2: vätska

Flytande biobränslen, som är säkra och miljövänliga, används mest som ersättning för bensin och andra liknande produkter.De vanligaste alternativen inkluderar bioetanol, biometanol, biobutanol, biodiesel och dimetyleter.

Bioetanol från växtgrödor

Det är ett vanligt flytande biobränsle som används för att driva bilar. Även om det rena ämnet inte används som bränsle, bidrar dess tillsats till bensin till att förbättra motorns prestanda, öka dess effekt, kontrollera motorvärmen och minska avgasutsläppen.

Många bensinstationer i Europa, Asien, Nord- och Sydamerika erbjuder inte bara traditionellt bränsle utan även olika typer av biobränsle, främst blandningar som innehåller bioetanol

Bioetanol var också uppskattat av eldstadsälskare. Detta ämne har god värmeöverföring, dessutom bildas inget sot eller rök när det brinner, och mängden koldioxid som frigörs minimeras.

Tack vare dessa funktioner kan bränslet till och med användas för att elda härdar i flerbostadshus. Läs mer om biobränsle för eldstäder i Denna artikel.

Bioetanol tillverkas av första generationens råvaror som innehåller stärkelse eller socker. Spannmål, majs, sockerrör och betor bearbetas med alkoholjäsningsteknik.

Biobutanol för tankning av bilar

Biobutanol är en biologiskt härledd analog av butanol. En färglös vätska med en karakteristisk lukt, den används ofta som kemisk råvara i industrin och kan även användas som transportbränsle.

Energiintensiteten för butanol är nära den för bensin, vilket gör det möjligt att delvis ersätta den senare i bränsleceller. Till skillnad från bioetanol kan biobutanol användas oberoende, utan tillsats av traditionella typer av bränsle.

Råvarorna för produktionen av denna biosubstans är en mängd olika växter: rödbetor, kassava, vete, majs.

Dimetyleter (C₂H₆O)

Det är också ett miljövänligt bränsle. När det förbränns finns det inga svavelföreningar i avgaserna, och innehållet av kväveföreningar är 90 % lägre än vid förbränning av bensin.

Dimetyleter kan användas utan speciella filter, men grundläggande förändringar måste göras i bilens design (kraftsystem, motortändning).

Dimetyleter anses vara ett lovande alternativ för bilbränsle. Bilar med motorer designade för detta bränsle utvecklas av så stora företag som Volvo, SAIC Motor, KAMAZ, Nissan

Utan några modifieringar kan du använda ett kombinationsbränsle som innehåller 30 % dimetyleter i bilar som är utrustade med gasolmotorer.

Flytande bränsle kan framställas av olika råvaror: naturgas, koldamm, biomassa och framför allt av rester från massa- och pappersproduktion, som omvandlas till vätska under lågt tryck.

Biometanol från encelliga alger

Detta ämne är en analog av vanlig metanol, som används allmänt för produktion av ett antal kemiska föreningar (ättiksyra, formaldehyd), och används också som frostskyddsmedel och lösningsmedel.

Frågan om att producera denna typ av biobränsle togs upp först på 1980-talet, när en grupp forskare föreslog att man skulle producera ett flytande ämne genom biokemisk omvandling av marint växtplankton, som skulle odlas i speciella reservoarer.

Biometanol har ett antal potentiella fördelar:

• hög energieffektivitet — 14 för metanframställning, 7 för metanolproduktion;
• utmärkt växtplanktonproduktivitet — Upp till 100 ton per hektar och år.
• kravlösa encelliga organismer, för vars odling inte behövs färskt vatten och bördiga jordar;
• bevarande av jordbruksresurser, eftersom växtplankton odlas i dammar eller havsvikar.

Även om den industriella produktionen av biometanol ännu inte har etablerats, pågår för närvarande ihärdig forskning och utveckling av teknologier för att utveckla produktionen av denna typ av alternativa bränslen.

Biodiesel som alternativ till transportbränsle

Detta är ett flytande motorbiobränsle som består av en blandning av fettsyraestrar. Ämnet är säkert för människor och djur, sönderfaller nästan helt i marken på 28 dagar och har dessutom en relativt hög (<100) flampunkt.

Biodiesel minskar andelen skadliga gasutsläpp och förlänger även motorns livslängd, eftersom den innehåller smörjande komponenter.

Bränslet används för att tanka bilmotorer, både självständigt och i kombination med konventionellt bränsle. Endast den korta hållbarheten för det biologiska ämnet bör beaktas: efter tre månader börjar det biologiska ämnet sönderdelas med en fullständig förlust av egenskaper.

För biodiesel har en speciell standard EN14214 antagits i EU-länderna. I ett antal länder är standarden EN590 också i kraft, vilket tillåter tillsats av 5 % biodiesel till andra bränslen.

Typ #3: gasformig

De huvudsakliga typerna av gasformiga biologiska bränslen inkluderar biogas och bioväte.

Biogas som ersättning för naturgas

Biogas är en nästan komplett analog av naturgas: den innehåller 13-50% CO_2, 49-87% metan, samt H-föroreningar₂ och H₂S.Om detta ämne renas från koldioxid kan biometan erhållas.

Gasformigt biobränsle framställs av biomassa genom väte- eller metanjäsning. Det senare orsakas av tre typer av mikroorganismer: först utsätts råvaran för hydrolytiska bakterier, som sedan ersätts av syrabildande och metanbildande mikrober.

Biogasproduktion kan utföras med hjälp av industri- och hantverksanordningar. Den vanligaste produktionsmetoden är aerob rötning i metantankar.

En mängd olika material kan användas som råmaterial: ensilage, gödsel, alger, avloppsvatten, strö, avföringsrester, hushållsavfall. Utgångsämnet bringas till ett homogent tillstånd, varefter det placeras i reaktorn med hjälp av en laddare.

Där upprätthålls en behaglig temperatur på +35-38°C, nödvändig för processen med metanjäsning.

Råmaterialet blandas ständigt, medan den resulterande gasformiga produkten släpps ut i en gashållare (lagringsenhet), varifrån den kommer in i den elektriska generatorn.

Mer information om att få biogas från gödsel och att sätta upp en biogasanläggning finns i artiklarna:

1. Hur man gör biobränsle med egna händer från gödsel hemma
2. Gör-det-själv biogasanläggning för ett privat hem: rekommendationer för enheten och ett exempel på att ordna en hemgjord produkt

Bioväte erhållet med kemisk metod

En typ av gasformigt biobränsle, som är en analog till konventionellt väte, erhålls från biomassa med hjälp av biokemiska eller termokemiska metoder.

I den termokemiska metoden värms beredda råvaror (till exempel träavfall) till en temperatur på 500–800°C utan syre, vilket frigör H-gaser₂,CO,CH₄.

En lovande metod för att framställa bioväte är bioftolys. I detta fall produceras gasen med hjälp av alger, som placeras i havsvatten, avlopp

Med den biokemiska metoden hålls råvarorna under behagliga förhållanden vid normalt tryck och en temperatur på cirka 30°C.

Speciella mikroorganismer Enterobacter cloacae och Rodobacter sperioder introduceras i biomassan, som bryter ner den ursprungliga produkten och frigör väte. För att påskynda produktionen med polysackarider kan enzymer tillsättas.

Slutsatser och användbar video om ämnet

I videon nedan kan du se processen för att göra en populär typ av biobränsle - träbriketter:

Typer av biologiskt bränsle skiljer sig inte bara i deras aggregationstillstånd utan också i deras egenskaper. När du väljer sådana material är det nödvändigt att ta hänsyn till deras avsedda användning, effektivitet, funktionella egenskaper och kostnad.

Har du erfarenhet av att använda alternativt bränsle? Eller vill ställa frågor om biobränslen? Kommentera gärna inlägget och delta i diskussioner. Feedbackblocket finns nedan.