Що таке біологічне паливо його характеристика і види – СамСтрой – будівництво, дизайн, архітектура.

Альтернативою традиційним енергоресурсів (газу, кам’яного і бурого вугілля, нафти) є різні види біопалива, для виготовлення яких використовується рослинне або тварина сировину.

А також відходи промисловості і результати життєдіяльності організмів.

Що таке біологічне паливо

Найбільш перспективним напрямком в енергетиці є технології, що передбачають використання поновлюваних ресурсів, до числа яких належить і біологічне паливо.

Найбільш поширеним видом біологічного палива є звичайні дрова. 38% населення Землі використовують їх для опалення та приготування їжі

В якості сировини для його виробництва можна брати біомасу рослинного / тваринного походження, включаючи відходи промислових виробництв або залишки життєдіяльності тварин.

Обробка таких речовин проводиться термохимическим або біологічним методом, в останньому випадку паливо отримують за допомогою різних видів мікроорганізмів.

Хоча в найближчому майбутньому біопаливо навряд чи зможе повністю витіснити традиційні вуглеводні, розвиток цієї галузі відновлюваної енергетики сприяє збереженню запасів корисних копалин

У багатьох країнах діють спеціальні програми по розширенню частки біопалива в національному і регіональному енергоспоживанні. У ряді держав є також обов’язкові норми використання цього джерела енергії.

Переваги та недоліки біопалива

У біологічних видів пального є свої позитивні і негативні сторони. Інтерес до використання цього виду сировини викликаний його незаперечними перевагами. До них відносяться:

бюджетна вартість. Хоча на даний момент ціни на біопаливо практично збігаються з вартістю бензину, біологічні речовини вважаються більш вигідним видом палива, оскільки при спалюванні дають менше викидів. Біопаливо придатне до застосування в різних умовах, при цьому його можна адаптувати до двигунів різних конструкції. Ще одним плюсом є оптимізація роботи мотора, який довше залишається чистим через малу кількість сажі і вихлопних газів.

Мобільність. Біологічне паливо відрізняється від інших варіантів альтернативних джерел енергії своєю мобільністю. У конструкції солярних і вітряних установок зазвичай входять важкі акумуляторні батареї, тому вони найчастіше використовуються стаціонарно, тоді як біопальне можна без особливого клопоту перевозити з одного регіону в інший.

Поновлюване джерело енергії. Хоча, на думку дослідників, існуючих покладів сирої нафти вистачить як мінімум на кілька сотень років, копалини запаси все-таки кінцеві. Біопаливо, що виготовляється з рослин та відходів життєдіяльності тварин, відноситься до числа відновлюваних ресурсів, яким в доступному для огляду майбутньому не загрожує зникнення.

Охорона атмосфери землі. Великим недоліком традиційних вуглеводнів є великий відсоток CO2, який виділяється при спалюванні. Цей газ створює в атмосфері нашої планети парниковий ефект, створюючи умови для глобального потепління. При згорянні ж біологічних речовин кількість вуглекислого газу знижується до 65%. Крім цього культури, використовувані у виробництві біопалива, споживають оксид вуглецю, зменшуючи його частку в повітрі.

Економічна безпека. Запаси вуглеводнів розподілені нерівномірно, тому частина держав змушена закуповувати нафту або природний газ, витрачаючи на придбання, транспортування, складування великі кошти. Різні види біологічного пального можна отримувати практично в будь-якій країні. Оскільки для його виготовлення і переробки знадобиться створення нових підприємств і, відповідно, робочих місць, це принесе користь народному господарству і позитивно позначиться на добробуті людей.

Удосконалення технологій та розвиток нових методів зможе посилити позитивний ефект біопалива. Так, розробка технологій з використанням планктону і водоростей дозволить значно знизити його ціну.

У той же час на сучасному етапі розвитку наук і технологій виробництво біопаливо пов’язано з рядом складнощів і незручностей. Перш за все, це природні обмеження у вирощуванні рослин. Для зростання культур, використовуваних для вироблення біомаси, потрібно враховувати ряд чинників, а саме:

Водокористування. Сільськогосподарські рослини споживають багато води, що є обмеженим ресурсом, особливо в посушливих місцях.

інвазивність. Вирощувані на паливо культури часто бувають агресивні. Вони заглушають автентичну флору через що може постраждати біорізноманіття та екосистема регіону.

Добрива. Для зростання багатьох рослин потрібне додаткове внесення поживних речовин, які можуть завдати шкоди іншим культурам або загальної екосистемі.

Клімат. Окремі кліматичні зони (наприклад, пустеля або тундра) не підходять для вирощування біопаливних культур.

Активне вирощування сільськогосподарських рослин пов’язано і з виснаженням землеробських ресурсів, Недотримання правил агротехніки може привести до зниження вмісту корисних компонентів грунтів і, як наслідок, до їх виснаження, що викличе загострення продовольчої проблеми.

Відбувається порушення екосистеми. Для виробництва біомаси зазвичай потрібне розширення територій, задіяних у сільському господарстві. Нерідко з цією метою проводиться зачистка території, що призводить до руйнування мікроекосистеми (наприклад, ліси), загибелі рослин і тварин.

Для вироблення біопалива вже зараз вирощується великий обсяг сільськогосподарських культур. На виробництво біомаси йде більше 50% виробленого в Європі ріпаку, більше третини американського зерна, майже половина вирощуваного в Бразилії цукрової тростини

Виникають проблеми з вирощуємо монокультур. Для отримання більшого врожаю біомаси виробники часто засівають землі певним рослиною. Подібна практика не надто добре відбивається на стані сільськогосподарських угідь, оскільки монокультура веде до зміни навколишнього середовища.

На полях, зайнятих одним видом рослин, зазвичай паразитують особливі різновиди шкідників. Спроба боротьби з ними за допомогою інсектицидів і пестицидів призводить лише до вироблення стійкості до даних засобів.

Щоб уникнути описаних вище проблем, вчені радять не нехтувати біорізноманіттям культур, поєднуючи на полях кілька рослин, а також використовувати місцеві сорти флори.

Покоління альтернативного пального

Широкий асортимент рослинної сировини, використовуваного для біомаси, прийнято розділяти на кілька поколінь.

До першого покоління відносяться сільськогосподарські культури, в яких міститься високий відсоток крохмалю, цукрів, жирів. Це такі популярні рослини, як кукурудза, цукрові буряки, ріпак, соя. Оскільки вирощування цих культур завдає шкоди клімату, а їх вилучення з ринку впливає на ціноутворення продуктів, вчені намагаються замінити їх на інші види біомаси.

З сільськогосподарських рослин, що відносяться до першого покоління сировини, в даний час виробляються майже всі види сучасного рідкого палива (біодизель, етанол)

До групи другого покоління біомаси входить деревина, трава, сільськогосподарські відходи (шкаралупа, лушпиння). Отримання біопалива з такої сировини вимагає великих витрат, проте дозволяє вирішити питання утилізації не харчових залишків з одночасним виробництвом горючих матеріалів.

Особливістю культур, що входять в цю різновид, є присутність в них лігніну і целюлози. Завдяки їм біомасу можна спалювати і газифікувати, а також піддавати піролізу, отримуючи рідке паливо. Головним недоліком біомаси другого покоління вважається недостатня віддача з одиниці площі, через що під такі культури доводиться відводити значні земельні ресурси.

Сировиною для виробництва біопалива третього покоління служать водорості, які вирощуються в промислових масштабах, наприклад, у відкритих водоймах.

Найбільш перспективним варіантом вважається біопаливо, що отримується з одноклітинних водоростей. Такі рослини швидко набирають масу, при цьому для їх вирощування не потрібно родючих земель

Подібна практика має великі перспективи, однак в даний час такі технології тільки розробляються. Вчені також ведуть дослідження по створенню методик, що дозволяють отримати біопаливо четвертого і навіть п’ятого покоління.

Три різновиди біопалива

Залежно від того, в якому агрегатному стані знаходиться речовина, розрізняють три основних типи біопалива:

тверде: Дрова, торф, відходи життєдіяльності тварин, відходи сільськогосподарського виробництва.

рідке: Біодизель, диметиловий ефір, біоетанол, біобутанол.

газоподібні: біогаз, метан, біоводень. Кожен тип речовин має свою специфіку, мова про яку піде нижче.

Тип # 1: тверде

До числа найбільш популярних твердих різновидів біологічного палива відносяться деревина, торф, відходи життєдіяльності тварин.

Деревина (дрова, тріска, тирса)

Давнім видом біопалива є добре знайомі всім дрова, які здавна застосовуються для обігріву будинків і приготування їжі. До сих пір їх активно використовують в різних країнах для отримання тепло / електроенергії, зокрема, на дровах працює велика Австрійська теплоелектростанція, потужність якої становить 66 мегават.

У той же час у подібного сировини є недоліки. Енергетична цінність дров відносно невелика: при спалюванні частина речовини осідає у вигляді сажі, через що каміни і печі необхідно регулярно прочищати. Крім того, для поповнення запасів деревини потрібен певний час – нові дерева виростуть лише через 15-20 років.

Відмінною альтернативою звичайним дров є пеллети (гранули), для виробництва яких використовується некондиционная деревина (кора, тріска, тирса, хмиз).

Пелети, одержувані з деревини, торфу і різних відходів, мають різний колір. Світлі використовуються для топки камінів і печей, тоді як темні, з великим вмістом кори, призначені для твердопаливних котлів

Для виробництва паливних пелет сировину подрібнюється в пил, яка потім висушується і пресується при високій температурі. Завдяки вмісту в деревині лігніну утворюється клейка маса, з якої формуються невеликі циліндрики довжиною 5-70 мм і діаметром 6-10 мм.

Сучасною альтернативою традиційним дров є паливні брикети чотирьох-, шести- або восьмигранної форми. Цей екологічно чистий матеріал має високу тепловіддачу

До числа популярних видів біопалива зараховується деревна тріска, яка часто служить джерелом енергії на європейських ТЕЦ. Вироблення цієї сировини виробляється на лісозаготівлях або на спеціальних виробничих лініях, оснащених машинами-Шредер.

Болотний і лісової паливний торф

Це найпоширеніший різновид біопалива, що застосовується в побутових і промислових цілях протягом століть. Торф є не повністю розклався в умовах болота шар моху, видобуток якого здійснюється в багатьох країнах світу (україна, Білорусія, Канада, Швеція, Індонезія та інші).

Торф, що містить 50-60% вуглецю, вважається популярним газоносним матеріалом. Це цінна сировина може застосовуватися не тільки в якості палива, але і як добриво або утеплювач

Для зручності виробничого процесу біомасу зазвичай переробляють на місці видобутку. Процес полягає в очищенні (просіювання) сировини від сторонніх виключень з наступним сушінням і формуванням у вигляді брикетів або гранул.

Паливо з сільськогосподарських відходів

У сільськогосподарському виробництві, як правило, накопичується велика кількість різноманітних рослинних відходів: зовнішні оболонки рослин, горіхова шкаралупа, солома.

Подібне сировину також можна піддавати пресуванні і гранулювання, отримуючи паливні пелети, характеристики яких практично не відрізняються від гранул, виготовлених з деревної біомаси.

Біопаливо тваринного походження

Поряд з дровами ще за старих часів люди почали застосовувати паливо тваринного походження, а саме кізяки – висохлий гній домашніх тварин. Сучасні технології сушіння і переробки подібного сировини дозволяють отримувати тверді різновиди біопалива, абсолютно позбавлені неприємного запаху.

Оскільки в даний час відходи тваринництва накопичуються в промислових масштабах, виготовлення з них палива одночасно вирішує питання про їх утилізації.

Тип # 2: рідке

Рідкі варіанти біопалива, що відрізняються безпекою і екологічністю, здебільшого застосовуються в якості заміни бензину та інших подібних засобів. До числа найбільш поширених варіантів відносяться біоетанол, біометанол, біобутанол, біодизель, диметиловий ефір.

Біоетанол з рослинних культур

Це поширене рідке біопаливо, яке використовується для заправки автомобілів. Хоча чисте речовина не застосовується в якості пального, його добавка в бензин сприяє поліпшенню роботи двигуна, збільшення його потужності, здійснення контролю за нагріванням двигуна, зниження викидів вихлопних газів.

На багатьох автозаправках Європи, Азії, Північної та Південної Америки пропонується не тільки традиційне пальне, а й різні види біопалива, перш за все суміші, що містять біоетанол

Біоетанол оцінили також любителі камінів. Ця речовина має хорошу тепловіддачу, до того ж при його горінні не утворюється сажа або дим, а кількість вуглекислого газу зводиться до мінімуму. Завдяки таким особливостям біопальне можна застосовувати навіть для топки камінів в багатоквартирних будинках.

Вироблення біоетанолу здійснюється з сировини першого покоління, що містить крохмаль або цукор. Зернові, кукурудза, цукровий очерет, буряк переробляються за технологією спиртового бродіння.

Біобутанол для заправки автомобілів

Біобутанол – отриманий біологічним шляхом аналог бутанола. Безбарвна рідина, що володіє характерним запахом, широко застосовується як хімічна сировина в промисловості, а також може використовуватися як транспортний пальне.

Показник енергоємності бутанола близький до бензину, що дозволяє частково замінювати останній в паливних елементах. На відміну від біоетанолу, біобутанол може застосовуватися самостійно, без додавання традиційних видів пального.

Сировиною для виробництва цього біоречовини служать найрізноманітніші рослини: буряк, маніока, пшениця, кукурудза.

Диметиловий ефір (C2H6O)

Це також екологічно чисте паливо. При його спалюванні в вихлопних газах відсутні сполуки сірки, а вміст сполук азоту на 90% нижче, ніж при згорянні бензину. Диметиловий ефір можна застосовувати без спеціальних фільтрів, але в конструкцію автомобіля (система харчування, запалювання двигуна) доводиться вносити кардинальні зміни.

Диметиловий ефір вважається перспективним варіантом автомобільного палива. Машини з двигунами, розрахованими на це пальне, розробляють такі великі компанії, як Volvo, SAIC Motor, KAMAZ, Nissan

Без будь-яких переробок можна використовувати комбіноване паливо, що містить 30% диметилового ефіру в машинах, які оснащені LPG-двигунами.

Рідке пальне може проводитися з різної сировини: природного газу, вугільного пилу, біомаси і перш за все із залишків целюлозно-паперового виробництва, схильних до трансформації в рідину при невеликому тиску.

Біометанол з одноклітинних водоростей

Подібна речовина є аналогом звичайного метанолу, який широко застосовується для виробництва ряду хімічних сполук (оцтова кислота, формальдегід), а також використовується в якості антифризу і розчинника.

Вперше питання про виробництво цього виду біопалива було піднято в 1980-х роках, коли група вчених запропонувала отримувати рідку субстанцію шляхом біохімічної трансформації морського фітопланктону, культивування якого буде проводиться в спеціальних водоймах.

Біометанол має ряд потенційних переваг:

-Високу енерговіддачу (14 при отриманні метану, 7 при виробленні метанолу). -Відмінна продуктивність фітопланктону (до 100 тонн з гектара в рік). -Нетребовательность одноклітинних організмів, для культивування яких не потрібна прісна вода, родючі грунти.

-Збереження землеробських ресурсів, оскільки фітопланктон вирощується в ставках або морських затоках.

Хоча промислове виготовлення біометанолу досі не налагоджено, в даний час ведуться наполегливі дослідження і розробка технологій для розвитку виробництва цього виду альтернативного пального.

Біодизель як альтернатива транспортному пальному

Це рідке моторне біопаливо, що складається з суміші ефірів жирних кислот. Речовина безпечна для людей і тварин, практично повністю розкладається в землі за 28 днів, а також має відносно високу (<100) температуру возгорания. Биодизель снижает процент выхлопов вредных газов, а также продлевает срок эксплуатации мотора, поскольку имеет в своем составе смазочные компоненты.

Пальне застосовується для заправки двигунів як самостійно, так і в комбінації зі звичайним паливом. Слід враховувати лише невеликий термін зберігання біологічної речовини: через три місяці починається розпад біологічного речовини з повною втратою властивостей.

Для біодизеля в країнах ЄС був прийнятий спеціальний стандарт EN14214. У ряді країн діє також стандарт EN590, що допускає добавку 5% біодизеля в інше паливо.

Тип # 3: газоподібне

До основних різновидів газоподібного біологічного палива відносяться біогаз і біоводень.

Біогаз як заміна природного газу

Біогаз є практично повний аналог природного газу: в ньому міститься 13-50% CO2, 49-87% метану, а також домішки H2 і H2S. Якщо ця речовина очистити від вуглекислого газу, можна отримати биометан.

Газоподібне біопаливо виготовляється з біомаси методом водневого або метанового бродіння. Останнє викликається трьома видами мікроорганізмів: спочатку сировину піддається впливу гідролізних бактерій, які потім змінюються кислотообразующими і метаноутворюючих мікробами.

Виробництво біогазу може вестися на промислових і кустарних пристроях. Найбільш поширений спосіб виробництва – аеронобное зброджування в метантанк

В якості сировини можуть застосовуватися різноманітні матеріали: силос, гній, водорості, стічні води, послід, фекальні залишки, побутові відходи. Вихідна речовина наводиться в гомогенне стан, після чого його за допомогою навантажувача його поміщають в реактор. Там підтримується комфортна температура в + 35-38о С, необхідна для здійснення процесу метанового бродіння.

Сировина постійно перемішується, при цьому утворюється газоподібний продукт відводиться в газгольдер (блок для зберігання), звідки він потрапляє в електрогенератор.

Біоводень, отриманий хімічним методом

Різновид газоподібного біопалива, що представляє собою аналог звичайного водню, отримують з біомаси за допомогою біохімічного або термохімічного методів.

При термохімічної способі підготовлену сировину (наприклад, відходи деревини) нагрівають до температури 500-800 ° C без доступу кисню, при цьому виділяються гази H2, CO, CH4.

Перспективним методом вироблення біоводню є біофтоліз. У цьому випадку газ проводиться за допомогою водоростей, які поміщаються в морську воду, каналізаційні стоки

При біохімічному способі сировину витримується в комфортних умовах при нормальному тиску і температурі приблизно в 30 ° C. У біомасу вносяться спеціальні мікроорганізми Enterobacter cloacae, Rodobacter speriodes, які розкладають вихідний продукт, виділяючи водень. Для прискорення виробництва з використанням полісахаридів допускається внесення ензимів.

Види біологічного палива розрізняються не тільки агрегатним станом, але і характеристиками. При виборі подібних матеріал необхідно брати до уваги їх плановане використання, ефективність, функціональні властивості і вартість.