Biokütuste liigid: tahkete, vedelate ja gaasiliste kütuste omaduste võrdlus

Alternatiiviks traditsioonilistele energiaressurssidele on erinevad biokütused, mille tootmisel kasutatakse taimset või loomset toorainet, tööstusjäätmeid ja organismide elutegevuse tulemusi.

Pakume mõista sellise kütuse kasutamise eeliseid ja puudusi, selgitada välja tootmisomadused, funktsionaalsed omadused ning hinnata ka erinevate bioloogiliste kütuste liikide kasutamise efektiivsust. Esitatud teave aitab teil navigeerida alternatiivsete energiaallikate valikul.

Mis on biokütus

Energeetikasektoris on kõige lootustandvamaks suunaks taastuvate ressursside, sealhulgas bioloogilise kütuse kasutamisega seotud tehnoloogiad.

Kõige tavalisem bioloogilise kütuse liik on tavaline küttepuu. 38% maailma elanikkonnast kasutab neid kütmiseks ja toiduvalmistamiseks

Selle tootmise tooraineks võite võtta taimset/loomset päritolu biomassi, sh tööstusjäätmeid või loomseid jäätmeid.

Selliste ainete töötlemine toimub termokeemiliste või bioloogiliste meetoditega, viimasel juhul saadakse kütust erinevat tüüpi mikroorganismide abil.

Bioloogiliste kütuste kasutamise osakaal kasvab pidevalt, mis aitab kaasa fossiilsete süsivesinike ressursside säästmisele (+)

Paljudes riikides on spetsiaalsed programmid biokütuste osakaalu suurendamiseks riiklikus ja piirkondlikus energiatarbimises. Paljudes osariikides on selle energiaallika kasutamiseks kehtestatud ka kohustuslikud standardid.

Biokütuste eelised ja puudused

Bioloogilistel kütustel on oma positiivsed ja negatiivsed küljed. Huvi seda tüüpi tooraine kasutamise vastu on tingitud selle vaieldamatutest eelistest.

Need sisaldavad:

• Eelarve kulu. Kuigi praegu on biokütuse hinnad peaaegu samad, mis bensiini oma, peetakse bioloogilisi aineid tulusamaks kütuseliigiks, kuna need tekitavad põletamisel vähem heitmeid. Biokütus sobib kasutamiseks erinevates tingimustes ja seda saab kohandada erineva konstruktsiooniga mootoritele. Teine eelis on mootori töö optimeerimine, mis püsib tänu vähesele tahma- ja heitgaasidele kauem puhas.
• Liikuvus. Bioloogiline kütus erineb teistest alternatiivsetest energiaallikatest oma kaasaskantavuse poolest. Päikese- ja tuuleenergiapaigaldised sisaldavad tavaliselt raskeid akusid, mistõttu kasutatakse neid enamasti püsivalt, samas kui biokütuseid saab ilma suurema vaevata ühest piirkonnast teise transportida.
• Taastuv energiaallikas. Kuigi teadlased usuvad, et olemasolevad toornaftavarud kestavad vähemalt mitusada aastat, on fossiilsed varud endiselt piiratud. Taimedest ja loomsetest jäätmetest valmistatud biokütused kuuluvad taastuvate ressursside hulka, mida ei ähvarda lähitulevikus kaduda.
• Maa atmosfääri kaitsmine. Traditsiooniliste süsivesinike suur puudus on CO kõrge protsent₂, mis põlemisel vabaneb. See gaas tekitab meie planeedi atmosfääris kasvuhooneefekti, luues tingimused globaalseks soojenemiseks. Bioloogiliste ainete põletamisel väheneb süsihappegaasi kogus 65%-ni. Lisaks tarbivad biokütuste tootmisel kasutatavad põllukultuurid vingugaasi, vähendades selle osakaalu õhus.
• Majanduslik julgeolek. Süsivesinike varud jaotuvad ebaühtlaselt, nii et mõned osariigid on sunnitud ostma naftat või maagaasi, kulutades suuri summasid omandamiseks, transportimiseks ja ladustamiseks. Erinevat tüüpi bioloogilist kütust saab toota peaaegu igas riigis. Kuna selle tootmine ja töötlemine eeldab uute ettevõtete ja seega ka töökohtade loomist, on see kasulik riigi majandusele ja avaldab positiivset mõju inimeste heaolule.

Tehnoloogia täiustamine ja uute meetodite väljatöötamine võivad suurendada biokütuste positiivset mõju. Seega vähendab planktonit ja vetikaid kasutavate tehnoloogiate arendamine oluliselt selle hinda.

Samal ajal on biokütuste tootmine teaduse ja tehnoloogia praeguses arenguetapis seotud mitmete raskuste ja ebamugavustega. Esiteks on need looduslikud piirangud taimede kasvatamisel.

Biomassi tootmiseks kasutatavate põllukultuuride kasvatamiseks tuleb arvesse võtta mitmeid tegureid, nimelt:

• Veekasutus. Põllumajandustaimed tarbivad palju vett, mis on piiratud ressurss, eriti kuivadel aladel.
• Invasiivsus. Kütuse saamiseks kasvatatavad põllukultuurid on sageli agressiivsed.Nad lämmatavad välja autentse taimestiku, mis võib kahjustada piirkonna bioloogilist mitmekesisust ja ökosüsteemi.
• Väetised. Paljud taimed vajavad kasvamiseks täiendavaid toitaineid, mis võivad kahjustada teisi põllukultuure või üldist ökosüsteemi.
• Kliima. Teatud kliimavööndid (näiteks kõrb või tundra) ei sobi biokütusel kasutatavate põllukultuuride kasvatamiseks.

Põllumajanduslike taimede aktiivne kasvatamine on seotud ka põllumajandusressursside ammendumisega.Põllumajandustehnoloogia reeglite eiramine võib kaasa tuua kasulike mullakomponentide sisalduse vähenemise ja sellest tulenevalt nende ammendumise, mis raskendab mulla kasulike komponentide sisaldust. toidu probleem.

Ökosüsteem on häiritud. Biomassi tootmine nõuab tavaliselt põllumajanduslike alade laiendamist.

Sageli puhastatakse sel eesmärgil territoorium, mis toob kaasa mikroökosüsteemi (näiteks metsade) hävimise, taimede ja loomade surma.

Biokütuste tootmiseks kasvatatakse juba praegu suurt hulka põllukultuure. Biomassi tootmiseks kasutatakse üle 50% Euroopas toodetud rapsiseemnetest, üle kolmandiku Ameerika teraviljast ja ligi pool Brasiilias kasvatatavast suhkruroost.

Probleemid tekivad monokultuuride kasvatamisega. Suurema biomassisaagi saamiseks külvavad tootjad sageli konkreetse taimega. See tava ei ole põllumajandusmaa puhul eriti hea, kuna monokultuur põhjustab keskkonnamuutusi.

Ühte tüüpi taimedega hõivatud põllud on tavaliselt nakatatud spetsiaalset tüüpi kahjuritega.Katse nendega võidelda insektitsiidide ja pestitsiidide abil viib ainult nende ainete suhtes resistentsuse väljakujunemiseni.

Ülalkirjeldatud probleemide vältimiseks soovitavad teadlased mitte unarusse jätta põllukultuuride bioloogilist mitmekesisust, kombineerides põldudel mitut taime, ning kasutada ka kohalikke taimesorte.

Alternatiivsete kütuste põlvkonnad

Biomassi jaoks kasutatav taimse tooraine lai valik jaguneb tavaliselt mitmeks põlvkonnaks.

Esimene põlvkond. Sellesse kategooriasse kuuluvad põllukultuurid, mis sisaldavad suures koguses tärklist, suhkruid ja rasvu. Need on sellised populaarsed taimed nagu mais, suhkrupeet, rapsiseemned ja sojaoad.

Kuna nende põllukultuuride kasvatamine kahjustab kliimat ja nende turult kõrvaldamine mõjutab toiduainete hindu, püüavad teadlased neid asendada teist tüüpi biomassiga.

Peaaegu igat tüüpi kaasaegseid vedelkütuseid (biodiislikütus, etanool) toodetakse praegu esimese põlvkonna toorainete hulka kuuluvatest põllumajandusettevõtetest.

Teine põlvkond. Biomassi rühma kuuluvad puit, rohi ja põllumajandusjäätmed (koored, kestad). Biokütuse tootmine sellisest toorainest on kulukas, kuid võimaldab lahendada toiduks mittekasutatavate jääkide taaskasutamise probleemi samaaegse põlevate materjalide tootmisega.

Sellesse sorti kuuluvate põllukultuuride eripäraks on ligniini ja tselluloosi olemasolu neis. Tänu neile saab biomassi põletada ja gaasistada, samuti pürolüüsida vedelkütuse tootmiseks.

Teise põlvkonna biomassi peamiseks puuduseks peetakse ebapiisavat tootlust pinnaühiku kohta, mistõttu tuleb selliste põllukultuuride kasvatamiseks eraldada märkimisväärseid maaressursse.

Kolmas põlvkond. Biokütuse tootmise tooraineks on vetikad, mida kasvatatakse tööstuslikus mastaabis, näiteks avatud veehoidlates.

Kõige lootustandvamaks võimaluseks peetakse üherakulistest vetikatest saadavat biokütust. Sellised taimed võtavad kiiresti kaalus juurde ja nad ei vaja nende kasvatamiseks viljakat maad.

Sellel praktikal on palju lubadusi, kuid praegu selliseid tehnoloogiaid alles arendatakse. Teadlased viivad läbi ka uuringuid, et luua tehnikaid, mis võimaldavad saada neljanda ja isegi viienda põlvkonna biokütuseid.

Kolme tüüpi biokütuseid

Sõltuvalt aine agregatsiooniastmest eristatakse kolme peamist biokütuste tüüpi:

1. Tahke: küttepuud, turvas, looma- ja põllumajandusjäätmed.
2. Vedelik: biodiisel, dimetüüleeter, bioetanool, biobutanool.
3. Gaasiline: biogaas, metaan, biovesinik.

Igal aineliigil on oma eripärad, mida arutatakse allpool.

Tüüp nr 1: raske

Kõige populaarsemad tahked bioloogilised kütused on puit, turvas ja loomsed jäätmed.

Puit (küttepuud, laastud, saepuru)

Iidne biokütuse liik on tuntud küttepuud, mida on pikka aega kasutatud majade kütmiseks ja toidu valmistamiseks. Seni on neid erinevates riikides aktiivselt kasutatud soojuse/elektri tootmiseks, eelkõige töötab puidul suur Austria soojuselektrijaam, mille võimsus on 66 megavatti.

Samal ajal on sellistel toorainetel puudusi. Küttepuude energiaväärtus on suhteliselt madal: põletamisel settib osa ainest tahmana, mistõttu tuleb kaminaid ja ahjusid regulaarselt puhastada.Lisaks kulub puiduvarude täiendamiseks teatud aeg – uued puud kasvavad alles 15-20 aasta pärast.

Suurepärane alternatiiv tavaküttepuidule on pelletid (graanulid), mille valmistamiseks kasutatakse ebakvaliteetset puitu: puukoor, hakkepuit, pressitud saepuru, lits.

Puidust, turbast ja erinevatest jäätmetest saadud pelletid on erinevat värvi. Heledaid kasutatakse kaminate ja ahjude kütmiseks, tumedaid aga suure kooresisaldusega tahkeküttekatelde jaoks.

Kütusegraanulite tootmiseks jahvatatakse tooraine tolmuks, mis seejärel kuivatatakse ja pressitakse kõrgel temperatuuril. Tänu puidus sisalduvale ligniinile moodustub kleepuv mass, millest moodustuvad väikesed silindrid pikkusega 5-70 mm ja läbimõõduga 6-10 mm.

Kaasaegne alternatiiv traditsioonilistele küttepuudele on nelja-, kuue- või kaheksanurkne kütusebrikett. Sellel keskkonnasõbralikul materjalil on kõrge soojusülekanne

Graanulite tootmise saate ise paika panna, valmistades vajutage kütusebriketi jaoks.

Populaarsete biokütuste tüüpide hulgas on hakkpuit, mis on sageli Euroopa soojuselektrijaamades energiaallikas. Nende toorainete tootmine toimub raieplatsidel või spetsiaalsetel purustamismasinatega varustatud tootmisliinidel.

Raba- ja metsakütuse turvas

See on levinud biokütuse tüüp, mida on kodu- ja tööstuslikel eesmärkidel kasutatud sajandeid. Turvas on sootingimustes täielikult lagunemata samblakiht, mida kaevandatakse paljudes maailma riikides: Venemaal, Valgevenes, Kanadas, Rootsis, Indoneesias jt.

Turvast, mis sisaldab 50-60% süsinikku, peetakse populaarseks gaasi kandvaks materjaliks. Seda väärtuslikku toorainet saab kasutada mitte ainult kütusena, vaid ka väetisena või soojusisolaatorina.

Tootmisprotsessi hõlbustamiseks töödeldakse biomassi tavaliselt kaevandamiskohas. Protsess seisneb tooraine puhastamises (sõelumises) kõrvalistest lisanditest, millele järgneb kuivatamine ja vormimine brikettideks või graanuliteks.

Kütus põllumajandusjäätmetest

Põllumajandustootmises koguneb reeglina suur hulk erinevaid taimseid jäätmeid: taimede väliskestad, pähklikoored, põhk.

Selliseid tooraineid saab ka pressida ja granuleerida, toota kütusegraanuleid, mille omadused praktiliselt ei erine puidu biomassist valmistatud pelletitest.

Loomset päritolu biokütused

Koos küttepuudega hakati iidsetel aegadel kasutama loomset päritolu kütust, nimelt sõnnikut - koduloomade kuivatatud sõnnikut. Kaasaegsed tehnoloogiad selliste toorainete kuivatamiseks ja töötlemiseks võimaldavad saada tahkeid biokütuse sorte, millel puudub täielikult ebameeldiv lõhn.

Pikka aega kasutasid rändrahvad kütusena hobuste, kaamelite ja veiste kuivatatud sõnnikut. Praegu toodetakse biokütust koduloomade jäätmetest brikettide või pelletitena

Kuna praegu kogutakse loomajäätmeid tööstuslikus mastaabis, lahendab nendest kütuse tootmine samaaegselt ka nende kõrvaldamise küsimuse.

Tüüp nr 2: vedelik

Vedelaid biokütuseid, mis on ohutud ja keskkonnasõbralikud, kasutatakse enamasti bensiini ja muude sarnaste toodete asendajana.Levinumad valikud on bioetanool, biometanool, biobutanool, biodiislikütus ja dimetüüleeter.

Bioetanool taimekultuuridest

See on tavaline vedel biokütus, mida kasutatakse autode kütusena. Kuigi puhast ainet kütusena ei kasutata, aitab selle lisamine bensiinile parandada mootori jõudlust, suurendada selle võimsust, kontrollida mootori soojenemist ja vähendada heitgaase.

Paljud bensiinijaamad Euroopas, Aasias, Põhja- ja Lõuna-Ameerikas pakuvad lisaks traditsioonilisele kütusele ka erinevat tüüpi biokütuseid, eelkõige bioetanooli sisaldavaid segusid.

Bioetanooli hindasid ka kaminahuvilised. Sellel ainel on hea soojusülekanne, pealegi ei teki põlemisel tahma ega suitsu ning eralduva süsinikdioksiidi hulk on minimaalne.

Tänu nendele omadustele saab kütust kasutada isegi kortermajade kollete kütmiseks. Lisateavet kaminate biokütuse kohta leiate aadressilt see artikkel.

Bioetanooli toodetakse esimese põlvkonna tärklist või suhkrut sisaldavast toorainest. Teravilja, maisi, suhkruroogu ja peet töödeldakse alkoholkääritustehnoloogia abil.

Biobutanool autode tankimiseks

Biobutanool on butanooli bioloogiliselt saadud analoog. Iseloomuliku lõhnaga värvitu vedelik, seda kasutatakse laialdaselt keemiatoormena tööstuses, samuti saab seda kasutada transpordikütusena.

Butanooli energiamahukus on lähedane bensiini omale, mis võimaldab viimast kütuseelementides osaliselt asendada. Erinevalt bioetanoolist saab biobutanooli kasutada iseseisvalt, ilma traditsioonilisi kütusetüüpe lisamata.

Selle bioaine tootmise tooraineks on väga erinevad taimed: peet, maniokk, nisu, mais.

Dimetüüleeter (C₂H₆O)

See on ka keskkonnasõbralik kütus. Selle põletamisel ei leidu heitgaasides väävliühendeid ning lämmastikuühendite sisaldus on 90% madalam kui bensiini põletamisel.

Dimetüüleetrit saab kasutada ilma spetsiaalsete filtriteta, kuid auto konstruktsioonis (jõusüsteem, mootori süüde) tuleb teha põhimõttelisi muudatusi.

Dimetüüleetrit peetakse autokütuse paljulubavaks võimaluseks. Selle kütuse jaoks mõeldud mootoritega autosid arendavad sellised suured ettevõtted nagu Volvo, SAIC Motor, KAMAZ, Nissan

LPG mootoritega autodes saate ilma muudatusteta kasutada kombineeritud kütust, mis sisaldab 30% dimetüüleetrit.

Vedelkütust saab toota erinevatest toorainetest: maagaasist, söetolmust, biomassist ning eelkõige tselluloosi- ja paberitootmise jääkidest, mis muudetakse madalal rõhul vedelikuks.

Biometanool üherakulistest vetikatest

See aine on tavalise metanooli analoog, mida kasutatakse laialdaselt mitmete keemiliste ühendite (äädikhape, formaldehüüd) tootmiseks ning seda kasutatakse ka antifriisina ja lahustina.

Seda tüüpi biokütuste tootmise küsimus tõstatati esmakordselt 1980. aastatel, kui teadlaste rühm tegi ettepaneku toota mere fütoplanktoni biokeemilise muundamise teel vedelat ainet, mida kasvatataks spetsiaalsetes reservuaarides.

Biometanoolil on mitmeid potentsiaalseid eeliseid:

• kõrge energiatõhusus — 14 metaani tootmiseks, 7 metanooli tootmiseks;
• suurepärane fütoplanktoni tootlikkus — kuni 100 tonni hektari kohta aastas;
• vähenõudlikud üherakulised organismid, mille kasvatamiseks ei ole vaja magevett ja viljakat mulda;
• põllumajandusressursside säilitamine, kuna fütoplanktonit kasvatatakse tiikides või merelahtedes.

Kuigi biometanooli tööstuslikku tootmist ei ole veel loodud, on seda tüüpi alternatiivkütuste tootmise arendamiseks käimas järjekindel tehnoloogiate uurimine ja arendamine.

Biodiisel kui alternatiiv transpordikütusele

See on vedel mootori biokütus, mis koosneb rasvhapete estrite segust. Aine on inimestele ja loomadele ohutu, laguneb maapinnas peaaegu täielikult 28 päevaga ning sellel on ka suhteliselt kõrge (<100) leekpunkt.

Biodiisel vähendab kahjulike gaaside heitkoguste protsenti ja pikendab ka mootori eluiga, kuna sisaldab määrdekomponente.

Kütust kasutatakse autode mootorite tankimiseks nii iseseisvalt kui ka kombineerituna tavakütusega. Arvesse tuleks võtta ainult bioloogilise aine lühikest säilivusaega: kolme kuu pärast hakkab bioloogiline aine lagunema koos omaduste täieliku kadumisega.

Biodiisli jaoks on EL-i riikides vastu võetud spetsiaalne standard EN14214. Mitmes riigis kehtib ka EN590 standard, mis lubab teistele kütustele lisada 5% biodiislit.

Tüüp nr 3: gaasiline

Gaasiliste bioloogiliste kütuste peamised liigid on biogaas ja biovesinik.

Biogaas maagaasi asendajana

Biogaas on peaaegu täielik maagaasi analoog: see sisaldab 13-50% CO_2, 49-87% metaani, samuti H lisandeid₂ ja H₂S.Kui see aine süsinikdioksiidist puhastada, võib saada biometaani.

Gaasiline biokütus toodetakse biomassist vesiniku või metaaniga kääritamise teel. Viimast põhjustavad kolme tüüpi mikroorganismid: esiteks puutub tooraine kokku hüdrolüütiliste bakteritega, mis seejärel asenduvad hapet moodustavate ja metaani moodustavate mikroobidega.

Biogaasi tootmist saab teostada tööstus- ja käsitööseadmetega. Kõige tavalisem tootmismeetod on aeroobne kääritamine metaanipaakides.

Toorainena võib kasutada mitmesuguseid materjale: silo, sõnnik, vetikad, reovesi, allapanu, fekaalijäägid, olmejäätmed. Lähteaine viiakse homogeensesse olekusse, misjärel asetatakse see laadija abil reaktorisse.

Seal hoitakse mugavat temperatuuri +35-38°C, mis on vajalik metaani käärimise protsessiks.

Toorainet segatakse pidevalt, samal ajal kui tekkiv gaasiline toode juhitakse gaasihoidikusse (hoidla), kust see siseneb elektrigeneraatorisse.

Rohkem infot sõnnikust biogaasi saamise ja biogaasijaama rajamise kohta on kirjutatud artiklites:

1. Kuidas kodus sõnnikust oma kätega biokütust valmistada
2. Eramu biogaasijaam ise: soovitused seadme kohta ja näide omatehtud toote paigutusest

Keemilisel meetodil saadud biovesinik

Teatud tüüpi gaasilist biokütust, mis on tavapärase vesiniku analoog, saadakse biomassist biokeemiliste või termokeemiliste meetodite abil.

Termokeemilisel meetodil kuumutatakse valmistatud toorainet (näiteks puidujäätmed) ilma hapnikuta temperatuurini 500–800°C, mis vabastab H-gaase.₂,CO,CH₄.

Paljutõotav meetod biovesiniku tootmiseks on bioftolüüs. Sel juhul toodetakse gaasi vetikate abil, mis asetatakse merevette, kanalisatsiooni

Biokeemilise meetodiga hoitakse toorainet mugavates tingimustes normaalrõhul ja temperatuuril ligikaudu 30°C.

Biomassi viiakse spetsiaalsed mikroorganismid Enterobacter cloacae ja Rodobacter speriodid, mis lagundavad algprodukti, vabastades vesiniku. Tootmise kiirendamiseks polüsahhariidide abil võib lisada ensüüme.

Järeldused ja kasulik video sellel teemal

Allolevas videos näete populaarse biokütuse - puitbriketi - valmistamise protsessi:

Bioloogilise kütuse tüübid erinevad mitte ainult nende agregatsiooni oleku, vaid ka omaduste poolest. Selliste materjalide valimisel on vaja arvestada nende kasutusotstarve, tõhusus, funktsionaalsed omadused ja maksumus.

Kas teil on kogemusi alternatiivkütuste kasutamisega? Või soovite küsida küsimusi biokütuste kohta? Palun kommenteerige postitust ja osalege aruteludes. Tagasisideplokk asub allpool.