Виды биотоплива: сравнение твердого, жидкого, газообразного

Альтернативой традиционным энергоресурсам являются различные виды биотоплива, для производства которых используется растительное или животное сырье, промышленные отходы и результаты жизнедеятельности организмов.

Мы стремимся понять преимущества и недостатки использования такого топлива, выявить производственные характеристики, функциональные характеристики, а также оценить эффективность использования различных видов биологического топлива. Предоставленная информация поможет сориентироваться в выборе альтернативных источников энергии.

Что такое биотопливо

Наиболее перспективным направлением в энергетике являются технологии с использованием возобновляемых ресурсов, в том числе биотоплива.

Самый распространенный вид биотоплива – обычные дрова. 38% населения мира использует их для отопления и приготовления пищи

В качестве сырья для его производства может быть взята биомасса растительного / животного происхождения, в том числе промышленные отходы или отходы животноводства.

Обработка таких веществ осуществляется термохимическим или биологическим методом, в последнем случае топливо получают с помощью различных видов микроорганизмов.

Доля биотоплива постоянно растет, что способствует сохранению ископаемых углеводородных ресурсов (+)

Во многих странах есть специальные программы по увеличению доли биотоплива в национальном и региональном потреблении энергии. В ряде штатов также есть обязательные стандарты использования этого источника энергии.

Преимущества и недостатки биотоплива

У биотоплива есть свои хорошие и плохие стороны. Интерес к использованию этого вида сырья обусловлен его несомненными преимуществами.

Это включает:

  • Бюджетная стоимость. Хотя цены на биотопливо в настоящее время почти такие же, как и на бензин, биоматериалы считаются более прибыльным топливом, поскольку при сжигании они производят меньше выбросов. Биотопливо подходит для различных применений и может быть адаптировано к различным моделям двигателей. Еще одно преимущество – оптимизация двигателя, который дольше остается чистым благодаря низкому количеству сажи и выхлопных газов.
  • Мобильность. Биотопливо отличается от других альтернативных источников энергии своей мобильностью. Строительство солнечных и ветряных электростанций обычно включает в себя тяжелые аккумуляторные батареи, поэтому они часто используются стационарно, а биотопливо можно без особых проблем транспортировать из одного региона в другой.
  • Возобновляемый источник энергии. Хотя, по мнению исследователей, существующих месторождений сырой нефти хватит как минимум на несколько сотен лет, запасы ископаемых останков все еще ограничены. Биотопливо, производимое из отходов растений и животных, является возобновляемым ресурсом, которому не грозит исчезновение в ближайшем будущем.
  • Защита земной атмосферы. Одним из основных недостатков традиционных углеводородов является большой процент CO2, выделяемого при сгорании. Этот газ создает парниковый эффект в атмосфере нашей планеты, создавая условия для глобального потепления. При сжигании биологических веществ количество углекислого газа снижается до 65%. Кроме того, растения, используемые для производства биотоплива, потребляют окись углерода, уменьшая ее долю в воздухе.
  • Экономическая безопасность. Запасы углеводородов распределены неравномерно, поэтому некоторые государства вынуждены покупать нефть или природный газ, тратя большие суммы денег на приобретение, транспортировку и хранение. Различные виды биотоплива можно получить практически в любой стране. Поскольку его производство и переработка потребуют создания новых предприятий и, соответственно, рабочих мест, это принесет пользу национальной экономике и положительно скажется на благосостоянии людей.

Усовершенствованные технологии и разработка новых методов могут увеличить положительный эффект биотоплива. Поэтому разработка технологий с использованием планктона и водорослей позволит значительно удешевить его.

В то же время на современном этапе развития науки и технологий производство биотоплива связано с рядом трудностей и недостатков. В первую очередь, это естественные ограничения роста растений.

Для роста культур, используемых для производства биомассы, необходимо учитывать ряд факторов, а именно:

  • Использование воды. Сельскохозяйственные культуры потребляют много воды, что является ограниченным ресурсом, особенно в засушливых районах.
  • Инвазивность. Топливные культуры часто бывают агрессивными. Они заглушают подлинную флору, что может нанести ущерб биоразнообразию и экосистеме региона.
  • Удобрения. Многие растения требуют дополнительных питательных веществ, которые могут нанести вред другим культурам или всей экосистеме.
  • Климат. Некоторые климатические зоны (например, пустыня или тундра) не подходят для выращивания биотопливных культур.

Активное выращивание сельскохозяйственных растений также связано с истощением сельскохозяйственных ресурсов. Несоблюдение правил агротехники может привести к снижению содержания полезных компонентов почвы и, как следствие, к их истощению, что усугубит проблема с едой.

Экосистема расстроена. Производство биомассы обычно требует расширения сельскохозяйственных угодий.

Часто с этой целью территорию расчищают, что приводит к разрушению микроэкосистемы (например, леса), гибели растений и животных.

Уже выращено большое количество сельскохозяйственных культур для производства биотоплива. Более 50% рапса в Европе используется для производства биомассы, более трети американской пшеницы, почти половина сахарного тростника, выращиваемого в Бразилии

Есть проблемы с выращиванием монокультур. Чтобы получить более высокие урожаи биомассы, производители часто засевают землю определенными растениями. Такая практика не очень хорошо влияет на состояние сельскохозяйственных земель, поскольку монокультура приводит к изменению окружающей среды.

На полях, занятых одним видом растений, обычно поражаются особые виды вредителей. Попытка контролировать их с помощью инсектицидов и пестицидов приводит только к развитию устойчивости к этим агентам.

Чтобы избежать описанных выше проблем, ученые советуют не пренебрегать биоразнообразием сельскохозяйственных культур, комбинируя на полях разные растения, а также использовать местные разновидности флоры.

Поколения альтернативных видов топлива

Широкий спектр растительных материалов, используемых для производства биомассы, обычно распространяется на несколько поколений.

Первое поколение. К этой категории относятся культуры с высоким содержанием крахмала, сахаров и жиров. Это такие популярные растения, как кукуруза, сахарная свекла, рапс, соя.

Поскольку выращивание этих культур вредно для климата, а их вывод с рынка влияет на цену продуктов, ученые стремятся заменить их другими видами биомассы.

Практически все виды современного жидкого топлива (биодизель, этанол) в настоящее время производятся из сельскохозяйственных растений, относящихся к первому поколению сырья)

Второе поколение. В группу биомассы входят древесина, трава, сельскохозяйственные отходы (скорлупа, шелуха). Получение биотоплива из этого сырья дорого, но решает проблему утилизации непищевых остатков с одновременным производством горючих материалов.

Особенностью культур, входящих в этот сорт, является наличие в них лигнина и целлюлозы. Благодаря им биомассу можно сжигать и газировать, а также подвергать пиролизу, получая жидкое топливо.

Основным недостатком биомассы второго поколения считается недостаточная урожайность с единицы площади, поэтому под такие культуры необходимо выделять значительные земельные ресурсы.

Третье поколение. Сырьем для производства биотоплива являются водоросли, которые выращивают в промышленных масштабах, например, в открытых водоемах.

Наиболее перспективным считается вариант получения биотоплива из одноклеточных водорослей. Такие растения быстро набирают вес, при этом для их выращивания не требуются плодородные почвы

У этой практики большие перспективы, но на данный момент такие технологии только развиваются. Ученые также проводят исследования по созданию методов производства биотоплива четвертого и даже пятого поколения.

Три вида биотоплива

В зависимости от агрегатного состояния вещества различают три основных типа биотоплива:

  1. Твердые: дрова, торф, отходы животноводства и сельского хозяйства.
  2. Жидкости: биодизель, диметиловый эфир, биоэтанол, биобутанол.
  3. Газообразные: биогаз, метан, биоводород.

У каждого типа вещества есть своя специфика, о которой пойдет речь ниже.

Тип # 1: твердый

Наиболее популярными видами твердого биотоплива являются древесина, торф и отходы животноводства.

Древесина (дрова, щепа, опилки)

Древний вид биотоплива – всем известные дрова, которые издавна использовались для обогрева домов и приготовления пищи. До сих пор они активно используются в нескольких странах для выработки тепла / электроэнергии, в частности, большая австрийская тепловая электростанция, работающая на древесине, мощностью 66 мегаватт.

В то же время у такого сырья есть недостатки. Энергетическая ценность дров относительно невысока: при сгорании часть вещества откладывается в виде сажи, поэтому камины и печи необходимо регулярно чистить. Кроме того, необходимо время, чтобы восполнить запасы древесины: новые деревья вырастут только через 15-20 лет.

Отличной альтернативой обычным дровам являются пеллеты (гранулы), для производства которых используется некачественная древесина: кора, стружка, прессованные опилки, веточки.

Гранулы, полученные из древесины, торфа и различных отходов, имеют разный цвет. Светлые используются для питания каминов и печей, а темные, с высоким содержанием коры, предназначены для твердотопливных котлов

Для производства топливных таблеток сырье измельчается в порошок, который затем сушится и прессуется при высокой температуре. Из-за содержащегося в древесине лигнина образуется липкая масса, из которой образуются небольшие цилиндры длиной 5-70 мм и диаметром 6-10 мм.

Современная альтернатива традиционным дровам – четырех-, шести- или восьмиугольные топливные брикеты. Этот экологически чистый материал отличается высокой теплоотдачей

Вы можете самостоятельно наладить производство пеллет, сделав пресс для топливных брикетов.

Древесная щепа – один из самых популярных видов биотоплива, часто служащий источником энергии на европейских тепловых электростанциях. Производство этого сырья осуществляется в бревнах или на специальных производственных линиях, оборудованных измельчителями.

Болотный и лесной топливный торф

это обычное биотопливо, которое веками использовалось в бытовых и промышленных целях. Торф – это не полностью разложившийся слой мха на болоте, добыча которого ведется во многих странах мира: России, Белоруссии, Канаде, Швеции, Индонезии и других.

Торф, содержащий 50-60% углерода, считается популярным газообразным материалом. Это ценное сырье можно использовать не только как топливо, но и как удобрение или теплоизолятор

Для удобства производственного процесса биомасса обычно обрабатывается на месте добычи. Процесс заключается в очистке (просеивании) сырья от посторонних остановок с последующей сушкой и формованием в виде брикетов или гранул.

Топливо из сельскохозяйственных отходов

В сельскохозяйственном производстве, как правило, накапливается большое количество различных растительных отходов: внешней оболочки растений, скорлупы грецкого ореха и соломы.

Это сырье также можно подвергать прессованию и гранулированию с получением топливных пеллет, характеристики которых практически не отличаются от пеллет из древесной биомассы.

Биотопливо животного происхождения

Наряду с дровами еще в старину начали использовать топливо животного происхождения, а именно сушеный навоз. Современные технологии сушки и обработки такого сырья позволяют получать твердые разновидности биотоплива, полностью лишенные неприятных запахов.

С давних пор кочевые народы использовали высушенный навоз лошадей, верблюдов и крупного рогатого скота в качестве топлива. В настоящее время биотопливо производится из отходов домашних животных в виде брикетов или пеллет

Поскольку в настоящее время отходы животноводства накапливаются в промышленных масштабах, производство из них топлива одновременно решает проблему их утилизации.

Тип # 2: жидкость

Безопасное и экологически чистое жидкое биотопливо в основном используется в качестве заменителя бензина и других подобных продуктов. Наиболее распространенные варианты включают биоэтанол, биометанол, биобутанол, биодизель, диметиловый эфир.

Биоэтанол из растительных культур

это обычное жидкое биотопливо, используемое в автомобилях. Хотя чистое вещество не используется в качестве топлива, его добавление к бензину помогает улучшить характеристики двигателя, увеличить его мощность, контролировать нагрев двигателя и снизить выбросы выхлопных газов.

Многие заправочные станции в Европе, Азии, Северной и Южной Америке предлагают не только традиционные виды топлива, но и различные виды биотоплива, в основном смеси, содержащие биоэтанол

Биоэтанол понравился и любителям каминов. Это вещество обладает хорошей теплопередачей, к тому же при горении не образуется сажи или дыма, а количество выделяемого углекислого газа сводится к минимуму.

Благодаря этим характеристикам топливо также можно использовать для обогрева очага в многоквартирных домах. Подробнее о биотопливе для каминов читайте в этой статье.

Биоэтанол производится из сырья первого поколения, содержащего крахмал или сахар. Зерновые культуры, кукуруза, сахарный тростник, свекла перерабатываются по технологии спиртового брожения.

Биобутанол для заправки автомобилей

Биобутанол – биологический аналог бутанола. Бесцветная жидкость с характерным запахом широко используется в качестве химического сырья в промышленности, а также может использоваться в качестве транспортного топлива.

По энергоемкости бутанол близок к бензину, что позволяет ему частично заменять последний в топливных элементах. В отличие от биоэтанола, биобутанол можно использовать самостоятельно, без добавления традиционных видов топлива.

Сырьем для производства этого биовещества являются самые разные растения: свекла, маниока, пшеница, кукуруза.

Диметиловый эфир (C2H6O)

это также экологическое топливо. При его сжигании в выхлопных газах отсутствуют соединения серы, а содержание соединений азота на 90% ниже, чем при сжигании бензина.

Диметиловый эфир можно использовать без специальных фильтров, но необходимо внести кардинальные изменения в конструкцию автомобиля (топливная система, зажигание двигателя.

Диметилэфир считается перспективным автомобильным топливом. Машины с двигателями, рассчитанными на это топливо, разрабатывают такие крупные компании, как Volvo, SAIC Motor, КАМАЗ, Nissan

Комбинированные топлива, содержащие 30% диметилового эфира, могут использоваться в транспортных средствах, оснащенных двигателями, работающими на сжиженном нефтяном газе, без каких-либо изменений.

Жидкое топливо можно производить из различного сырья: природного газа, угольной пыли, биомассы и, прежде всего, из остатков целлюлозно-бумажного производства, которые при низком давлении превращаются в жидкость.

Биометанол из одноклеточных водорослей

Это вещество аналог обычного метанола, который широко используется для производства многих химических соединений (уксусная кислота, формальдегид), а также используется в качестве антифриза и растворителя.

Впервые вопрос о производстве этого вида биотоплива был поднят в 1980-х годах, когда группа ученых предложила получать жидкое вещество путем биохимической трансформации морского фитопланктона, выращивание которого будет осуществляться в специальных резервуарах.

Биометанол имеет ряд потенциальных преимуществ:

  • высокая энергоэффективность – 14 для производства метана, 7 для производства метанола;
  • отличная урожайность фитопланктона – до 100 тонн с гектара в год;
  • неприхотливые одноклеточные организмы, для выращивания которых не нужны плодородные пресноводные почвы;
  • сохранение сельскохозяйственных ресурсов, так как фитопланктон выращивают в прудах или морских заливах.

Хотя промышленное производство биометанола еще не налажено, в настоящее время ведутся исследования и разработки технологий для развития производства этого вида альтернативного топлива.

Биодизель как альтернатива транспортному горючему

это жидкое биотопливо для двигателей, состоящее из смеси сложных эфиров жирных кислот. Вещество безопасно для человека и животных, почти полностью разлагается в почве за 28 дней, а также имеет относительно высокую температуру вспышки (<100.

Биодизель снижает процент выбросов вредных газов, а также продлевает срок службы двигателя, так как он содержит смазочные компоненты.

Топливо используется для заправки двигателей автомобилей как самостоятельно, так и в сочетании с обычным топливом. Следует учитывать лишь непродолжительный срок хранения биологической субстанции: через три месяца начинается распад биологической субстанции с полной потерей свойств.

В отношении биодизеля страны ЕС приняли специальный стандарт EN14214. В некоторых странах также действует стандарт EN590, который позволяет добавлять 5% биодизеля к другим видам топлива.

Тип # 3: газообразный

Основными видами газообразного биотоплива являются биогаз и биоводород.

Биогаз как замена природного газа

Биогаз – практически полный аналог природного газа: он содержит 13-50% CO2, 49-87% метана, а также примеси H2 и H2S. Если это вещество очистить от углекислого газа, можно получить биометан.

Газообразное биотопливо производится из биомассы путем ферментации водорода или метана. Последний вызывается тремя типами микроорганизмов: сначала сырье подвергается воздействию бактерий гидролиза, которые затем заменяются кислотообразующими и метанообразующими микробами.

Производство биогаза может осуществляться на промышленных и кустарных установках. Наиболее распространенный метод производства – авиационное сбраживание в варочных котлах

В качестве сырья можно использовать самые разные материалы: силос, навоз, водоросли, сточные воды, экскременты, фекальные остатки, бытовые отходы. Исходное вещество доводится до однородного состояния, после чего с помощью вилочного погрузчика подается в реактор.

Там поддерживается комфортная температура + 35-38 ° C, необходимая для осуществления процесса метанового брожения.

Сырье постоянно перемешивается, а полученный газообразный продукт сбрасывается в газометр (накопитель), откуда попадает в электрогенератор.

Подробнее о получении биогаза из навоза и организации биогазовой установки читайте в статьях:

  1. Как сделать биотопливо своими руками из навоза в домашних условиях
  2. Биогазовая установка для частного дома своими руками: советы по устройству и пример самодельной обустройства

Биоводород, полученный химическим методом

Своеобразное газообразное биотопливо, являющееся аналогом обычного водорода, получают из биомассы биохимическими или термохимическими методами.

В термохимическом методе подготовленное сырье (например, древесные отходы) нагревается до температуры 500-800 ° C без доступа кислорода, при этом выделяются газы H2, CO, CH4.

Биофтолиз – перспективный метод получения биоводорода. В этом случае газ производится из водорослей, которые попадают в морскую воду в сточные воды

В биохимическом процессе сырье содержится в комфортных условиях при нормальном давлении и температуре около 30 ° C.

В биомассу вводятся специальные микроорганизмы Enterobacter cloacae, Rodobacter speriodes, которые разлагают исходный продукт с выделением водорода. Для ускорения производства можно добавлять ферменты с использованием полисахаридов.

Выводы и полезные видео по теме

На видео ниже вы можете увидеть процесс производства популярного вида биотоплива – древесных брикетов:

Типы биотоплива различаются не только агрегатным состоянием, но и своими характеристиками. При выборе таких материалов необходимо учитывать предполагаемое использование, эффективность, функциональные свойства и стоимость.

У вас есть опыт работы с альтернативными видами топлива? Или вы хотите задать вопросы о биотопливе? Пожалуйста, комментируйте публикацию и участвуйте в обсуждениях. Блок обратной связи расположен ниже.

Источник – https://sovet-ingenera.com/eco-energy/bio-fuel/vidy-biotopliva.html
Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все об инженерных системах
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: