Druhy biopalív: porovnanie vlastností tuhých, kvapalných a plynných palív

Alternatívou k tradičným zdrojom energie sú rôzne druhy biopalív, pri výrobe ktorých sa využívajú rastlinné alebo živočíšne suroviny, priemyselné odpady a výsledky životnej činnosti organizmov.

Ponúkame porozumieť výhodám a nevýhodám používania takéhoto paliva, zistiť výrobné vlastnosti, funkčné vlastnosti a tiež zhodnotiť efektívnosť použitia rôznych druhov biologického paliva. Uvedené informácie vám pomôžu orientovať sa pri výbere alternatívnych zdrojov energie.

Čo je biopalivo

Najperspektívnejším smerom v energetike sú technológie, ktoré zahŕňajú využívanie obnoviteľných zdrojov, medzi ktoré patrí biologické palivo.

Najbežnejším typom biologického paliva je obyčajné palivové drevo. Na vykurovanie a varenie ich používa 38 % svetovej populácie

Ako surovinu na jeho výrobu môžete odobrať biomasu rastlinného/živočíšneho pôvodu vrátane priemyselného odpadu alebo živočíšneho odpadu.

Spracovanie takýchto látok sa vykonáva termochemickými alebo biologickými metódami, v druhom prípade sa palivo získava pomocou rôznych druhov mikroorganizmov.

Podiel využívania biologických palív neustále rastie, čo prispieva k zachovaniu zdrojov fosílnych uhľovodíkov (+)

Mnohé krajiny majú špeciálne programy na rozšírenie podielu biopalív na národnej a regionálnej spotrebe energie. Množstvo štátov má aj povinné normy na využívanie tohto zdroja energie.

Výhody a nevýhody biopalív

Biologické palivá majú svoje pozitívne aj negatívne stránky. Záujem o používanie tohto druhu suroviny je spôsobený jeho nepochybnými výhodami.

Tie obsahujú:

• Rozpočtové náklady. Hoci v súčasnosti sú ceny biopalív takmer rovnaké ako cena benzínu, biologické látky sa považujú za výhodnejší typ paliva, pretože pri spaľovaní produkujú menej emisií. Biopalivo je vhodné na použitie v rôznych podmienkach a je možné ho prispôsobiť motorom rôznych konštrukcií. Ďalšou výhodou je optimalizácia chodu motora, ktorý vďaka malému množstvu sadzí a výfukových plynov zostane dlhšie čistý.
• Mobilita. Biologické palivo sa líši od iných alternatívnych zdrojov energie svojou prenosnosťou. Solárne a veterné zariadenia zvyčajne obsahujú ťažké batérie, takže sa najčastejšie používajú trvalo, zatiaľ čo biopalivá možno prepravovať z jedného regiónu do druhého bez väčších problémov.
• Obnoviteľný zdroj energie. Hoci vedci veria, že existujúce ložiská ropy vydržia najmenej niekoľko stoviek rokov, zásoby fosílnych palív sú stále obmedzené. Biopalivá, vyrobené z rastlinného a živočíšneho odpadu, patria medzi obnoviteľné zdroje, ktorým nehrozí, že v dohľadnej dobe zaniknú.
• Ochrana zemskej atmosféry. Hlavnou nevýhodou tradičných uhľovodíkov je vysoké percento CO₂, ktorý sa pri horení uvoľňuje. Tento plyn vytvára v atmosfére našej planéty skleníkový efekt, čím vytvára podmienky pre globálne otepľovanie. Pri spaľovaní biologických látok sa množstvo oxidu uhličitého zníži na 65 %. Okrem toho plodiny používané pri výrobe biopalív spotrebúvajú oxid uhoľnatý, čím sa znižuje jeho podiel v ovzduší.
• Ekonomická bezpečnosť. Zásoby uhľovodíkov sú rozdelené nerovnomerne, takže niektoré štáty sú nútené nakupovať ropu alebo zemný plyn, pričom míňajú veľké množstvo peňazí na získavanie, prepravu a skladovanie. Rôzne druhy biologického paliva možno vyrábať takmer v každej krajine. Keďže jeho výroba a spracovanie si bude vyžadovať vytvorenie nových podnikov, a teda aj pracovných miest, bude to prínosom pre národné hospodárstvo a bude to mať pozitívny vplyv na blahobyt ľudí.

Zlepšenie technológie a vývoj nových metód môže zvýšiť pozitívne účinky biopalív. Vývoj technológií využívajúcich planktón a riasy teda výrazne zníži jeho cenu.

Zároveň je v súčasnej fáze rozvoja vedy a techniky výroba biopalív spojená s množstvom ťažkostí a nepríjemností. V prvom rade ide o prirodzené obmedzenia pri pestovaní rastlín.

Pri pestovaní plodín používaných na výrobu biomasy je potrebné vziať do úvahy množstvo faktorov, a to:

• Použitie vody. Poľnohospodárske rastliny spotrebujú veľa vody, čo je obmedzený zdroj, najmä v suchých oblastiach.
• Invazívnosť. Plodiny pestované ako palivo sú často agresívne.Udusia autentickú flóru, ktorá môže utrpieť biodiverzitu a ekosystém regiónu.
• Hnojivá. Mnoho rastlín potrebuje na svoj rast ďalšie živiny, ktoré môžu poškodiť iné plodiny alebo celkový ekosystém.
• Klíma. Niektoré klimatické zóny (napríklad púšť alebo tundra) nie sú vhodné na pestovanie plodín na výrobu biopalív.

S aktívnym pestovaním poľnohospodárskych rastlín súvisí aj vyčerpávanie poľnohospodárskych zdrojov.Nedodržiavanie pravidiel agrotechniky môže viesť k zníženiu obsahu užitočných pôdnych zložiek a v dôsledku toho k ich vyčerpaniu, čo bude zhoršovať potravinový problém.

Ekosystém je narušený. Produkcia biomasy si zvyčajne vyžaduje rozširovanie poľnohospodárskych plôch.

Na tento účel sa územie často čistí, čo vedie k zničeniu mikroekosystému (napríklad lesov), k smrti rastlín a zvierat.

Na výrobu biopalív sa už pestuje veľké množstvo plodín. Viac ako 50 % repky vyprodukovanej v Európe, viac ako tretina amerického obilia a takmer polovica cukrovej trstiny vypestovanej v Brazílii sa využíva na produkciu biomasy.

Problémy vznikajú pri pestovaní monokultúr. Aby výrobcovia získali väčšie výnosy biomasy, často osádzajú pôdu špecifickou rastlinou. Tento postup nie je veľmi vhodný pre poľnohospodársku pôdu, pretože monokultúra vedie k zmenám životného prostredia.

Polia obsadené jedným druhom rastlín sú zvyčajne napadnuté špeciálnymi druhmi škodcov.Pokus bojovať proti nim pomocou insekticídov a pesticídov vedie len k vytvoreniu rezistencie voči týmto látkam.

Aby sa predišlo vyššie popísaným problémom, vedci radia nezanedbávať biodiverzitu plodín kombinovaním viacerých rastlín na poliach a tiež využívať miestne odrody flóry.

Generácie alternatívnych palív

Široká škála rastlinných surovín používaných na biomasu je zvyčajne rozdelená do niekoľkých generácií.

Prvá generácia. Táto kategória zahŕňa poľnohospodárske plodiny, ktoré obsahujú vysoké percento škrobu, cukrov a tukov. Sú to také obľúbené rastliny ako kukurica, cukrová repa, repka a sója.

Keďže pestovanie týchto plodín poškodzuje klímu a ich stiahnutie z trhu ovplyvňuje ceny potravín, vedci sa ich snažia nahradiť inými druhmi biomasy.

Takmer všetky druhy moderných kvapalných palív (bionafta, etanol) sa v súčasnosti vyrábajú z poľnohospodárskych rastlín patriacich do prvej generácie surovín.

Druhá generácia. Do skupiny biomasy patrí drevo, tráva a poľnohospodársky odpad (škrupiny, plevy). Výroba biopaliva z takýchto surovín je nákladná, ale umožňuje riešiť otázku recyklácie nepotravinových zvyškov so súčasnou výrobou horľavých materiálov.

Charakteristickým znakom plodín zahrnutých v tejto odrode je prítomnosť lignínu a celulózy v nich. Vďaka nim možno biomasu spaľovať a splyňovať, ako aj podrobiť pyrolýze na výrobu kvapalného paliva.

Za hlavnú nevýhodu biomasy druhej generácie sa považuje nedostatočná návratnosť na jednotku plochy, a preto sa na takéto plodiny musia vyčleniť značné zdroje pôdy.

Tretia generácia. Surovinou na výrobu biopaliva sú riasy, ktoré sa v priemyselnom meradle pestujú napríklad v otvorených nádržiach.

Za najsľubnejšiu možnosť sa považujú biopalivá získané z jednobunkových rias. Takéto rastliny rýchlo priberajú na váhe a na pestovanie nevyžadujú úrodnú pôdu.

Táto prax má veľký prísľub, no v súčasnosti sa takéto technológie iba vyvíjajú. Vedci tiež vykonávajú výskum na vytvorenie techník, ktoré umožňujú získať biopalivá štvrtej a dokonca piatej generácie.

Tri druhy biopalív

V závislosti od stavu agregácie látky existujú tri hlavné typy biopalív:

1. Pevné: palivové drevo, rašelina, živočíšny a poľnohospodársky odpad.
2. Kvapalina: bionafta, dimetyléter, bioetanol, biobutanol.
3. Plynný: bioplyn, metán, biovodík.

Každý typ látky má svoje špecifiká, o ktorých bude reč nižšie.

Typ #1: tvrdý

Medzi najpopulárnejšie pevné druhy biologického paliva patrí drevo, rašelina a živočíšny odpad.

Drevo (palivové drevo, štiepky, piliny)

Starovekým typom biopaliva je známe palivové drevo, ktoré sa už dlho používa na vykurovanie domov a varenie jedla. Doteraz sa aktívne využívajú v rôznych krajinách na výrobu tepla/elektriny, najmä veľká rakúska tepelná elektráreň s výkonom 66 megawattov funguje na drevo.

Zároveň majú takéto suroviny nevýhody. Energetická hodnota palivového dreva je pomerne nízka: pri spaľovaní sa časť látky usadzuje vo forme sadzí, preto je potrebné krby a kachle pravidelne čistiť.Okrem toho je potrebný určitý čas na doplnenie zásob dreva - nové stromy vyrastú až po 15-20 rokoch.

Výbornou alternatívou ku klasickému palivovému drevu sú pelety (granule), na výrobu ktorých sa používa nekvalitné drevo: kôra, drevná štiepka, lisované piliny, sučka.

Pelety získané z dreva, rašeliny a rôznych odpadov majú rôzne farby. Svetlé sa používajú na podpaľovanie krbov a kachlí, tmavé s vysokým obsahom kôry sú určené do kotlov na tuhé palivá.

Na výrobu palivových peliet sa suroviny melú na prach, ktorý sa potom suší a lisuje pri vysokých teplotách. Vďaka lignínu obsiahnutému v dreve vzniká lepkavá hmota, z ktorej vznikajú malé valčeky s dĺžkou 5-70mm a priemerom 6-10mm.

Modernou alternatívou k tradičnému palivovému drevu sú štvor-, šesť- alebo osemhranné palivové brikety. Tento ekologický materiál má vysoký prenos tepla

Výrobu peliet si môžete nastaviť sami výrobou lis na palivové brikety.

Drevná štiepka patrí medzi obľúbené druhy biopalív, ktoré často slúžia ako zdroj energie v európskych tepelných elektrárňach. Výroba týchto surovín sa vykonáva na miestach ťažby dreva alebo na špeciálnych výrobných linkách vybavených drvičmi.

Močiarna a lesná palivová rašelina

Ide o bežný typ biopaliva, ktorý sa už po stáročia používa na domáce a priemyselné účely. Rašelina je vrstva machu, ktorá sa v močiarnych podmienkach úplne nerozložila a ťaží sa v mnohých krajinách sveta: v Rusku, Bielorusku, Kanade, Švédsku, Indonézii a ďalších.

Rašelina, obsahujúca 50-60% uhlíka, sa považuje za obľúbený plynotvorný materiál. Túto cennú surovinu možno využiť nielen ako palivo, ale aj ako hnojivo či tepelný izolant.

Na uľahčenie výrobného procesu sa biomasa zvyčajne spracúva na mieste ťažby. Proces pozostáva z čistenia (preosievania) surovín od cudzích inklúzií, po ktorom nasleduje sušenie a formovanie do brikiet alebo granúl.

Palivo z poľnohospodárskeho odpadu

V poľnohospodárskej výrobe sa spravidla hromadí veľké množstvo rôznych rastlinných odpadov: vonkajšie škrupiny rastlín, orechové škrupiny, slama.

Takéto suroviny možno tiež lisovať a granulovať, čím vznikajú palivové pelety, ktorých vlastnosti sa prakticky nelíšia od peliet vyrobených z drevnej biomasy.

Biopalivá živočíšneho pôvodu

Spolu s palivovým drevom sa v dávnych dobách začalo používať palivo živočíšneho pôvodu, a to trus - sušený trus domácich zvierat. Moderné technológie na sušenie a spracovanie takýchto surovín umožňujú získať pevné odrody biopalív, ktoré sú úplne bez nepríjemného zápachu.

Kočovné národy dlho používali ako palivo sušený hnoj od koní, tiav a dobytka. V súčasnosti sa biopalivo vyrába z odpadu domácich zvierat vo forme brikiet alebo peliet

Keďže živočíšny odpad sa v súčasnosti hromadí v priemyselnom meradle, výroba paliva z neho súčasne rieši otázku jeho likvidácie.

Typ #2: kvapalina

Kvapalné biopalivá, ktoré sú bezpečné a ekologické, sa väčšinou používajú ako náhrada benzínu a iných podobných produktov.Medzi najbežnejšie možnosti patrí bioetanol, biometanol, biobutanol, bionafta a dimetyléter.

Bioetanol z rastlinných plodín

Ide o bežné kvapalné biopalivo používané na pohon automobilov. Hoci sa čistá látka nepoužíva ako palivo, jej pridanie do benzínu pomáha zlepšovať výkon motora, zvyšovať jeho výkon, regulovať zahrievanie motora a znižovať emisie výfukových plynov.

Mnohé čerpacie stanice v Európe, Ázii, Severnej a Južnej Amerike ponúkajú nielen tradičné palivo, ale aj rôzne druhy biopalív, predovšetkým zmesi s obsahom bioetanolu

Bioetanol ocenili aj milovníci krbov. Táto látka má dobrý prenos tepla, navyše pri horení nevznikajú sadze ani dym a množstvo uvoľneného oxidu uhličitého je minimalizované.

Vďaka týmto vlastnostiam je možné palivo použiť aj na zapálenie ohnísk v bytových domoch. Prečítajte si viac o biopalivách do krbov v tento článok.

Bioetanol sa vyrába zo surovín prvej generácie s obsahom škrobu alebo cukru. Obilniny, kukurica, cukrová trstina a repa sa spracúvajú technológiou alkoholovej fermentácie.

Biobutanol na tankovanie paliva do áut

Biobutanol je biologicky odvodený analóg butanolu. Bezfarebná kvapalina s charakteristickým zápachom sa široko používa ako chemická surovina v priemysle a môže sa použiť aj ako palivo v doprave.

Energetická náročnosť butanolu je blízka benzínu, čo umožňuje jeho čiastočnú náhradu v palivových článkoch. Na rozdiel od bioetanolu sa biobutanol môže používať samostatne, bez pridania tradičných druhov paliva.

Surovinou na výrobu tejto biolátky je široká škála rastlín: repa, maniok, pšenica, kukurica.

Dimetyléter (C₂H₆O)

Je to tiež ekologické palivo. Pri jeho spaľovaní sa vo výfukových plynoch nenachádzajú žiadne zlúčeniny síry a obsah zlúčenín dusíka je o 90 % nižší ako pri spaľovaní benzínu.

Dimetyléter je možné použiť bez špeciálnych filtrov, ale zásadné zmeny je potrebné vykonať v konštrukcii auta (napájací systém, zapaľovanie motora).

Dimetyléter sa považuje za sľubnú možnosť pre automobilové palivo. Autá s motormi určenými na toto palivo vyvíjajú také veľké spoločnosti ako Volvo, SAIC Motor, KAMAZ, Nissan

Bez akýchkoľvek úprav môžete použiť kombinované palivo s obsahom 30% dimetyléteru v automobiloch, ktoré sú vybavené motormi na LPG.

Kvapalné palivo je možné vyrábať z rôznych surovín: zemný plyn, uhoľný prach, biomasa a predovšetkým zo zvyškov výroby buničiny a papiera, ktoré sa pod nízkym tlakom premieňajú na kvapalinu.

Biometanol z jednobunkových rias

Táto látka je analógom bežného metanolu, ktorý sa široko používa na výrobu mnohých chemických zlúčenín (kyselina octová, formaldehyd) a používa sa aj ako nemrznúca zmes a rozpúšťadlo.

Otázka výroby tohto typu biopaliva sa prvýkrát objavila v 80. rokoch 20. storočia, keď skupina vedcov navrhla výrobu kvapalnej látky biochemickou transformáciou morského fytoplanktónu, ktorá by sa pestovala v špeciálnych nádržiach.

Biometanol má množstvo potenciálnych výhod:

• vysoká energetická účinnosť — 14 na výrobu metánu, 7 na výrobu metanolu;
• vynikajúca produktivita fytoplanktónu — do 100 ton na hektár za rok;
• nenáročné jednobunkové organizmy, na pestovanie ktorých nie je potrebná sladká voda a úrodná pôda;
• zachovanie poľnohospodárskych zdrojov, keďže fytoplanktón sa pestuje v rybníkoch alebo morských zálivoch.

Hoci priemyselná výroba biometanolu ešte nie je zavedená, v súčasnosti prebieha vytrvalý výskum a vývoj technológií na rozvoj výroby tohto typu alternatívneho paliva.

Bionafta ako alternatíva dopravného paliva

Ide o kvapalné motorové biopalivo pozostávajúce zo zmesi esterov mastných kyselín. Látka je bezpečná pre ľudí a zvieratá, takmer úplne sa rozloží v zemi za 28 dní a má tiež relatívne vysoký (<100) bod vzplanutia.

Bionafta znižuje percento škodlivých emisií plynov a tiež predlžuje životnosť motora, pretože obsahuje mazacie zložky.

Palivo sa používa na tankovanie motorov automobilov, a to samostatne aj v kombinácii s klasickým palivom. Treba brať do úvahy len krátku trvanlivosť biologickej látky: po troch mesiacoch sa biologická látka začne rozkladať s úplnou stratou vlastností.

Pre bionaftu bola v krajinách EÚ prijatá špeciálna norma EN14214. V mnohých krajinách je v platnosti aj norma EN590, ktorá umožňuje pridávanie 5 % bionafty do iných palív.

Typ #3: plynný

Medzi hlavné typy plynných biologických palív patrí bioplyn a biovodík.

Bioplyn ako náhrada zemného plynu

Bioplyn je takmer úplným analógom zemného plynu: obsahuje 13-50% CO_2, 49-87% metánu, ako aj H nečistoty₂ a H₂S.Ak sa táto látka čistí z oxidu uhličitého, možno získať biometán.

Plynné biopalivo sa vyrába z biomasy vodíkovou alebo metánovou fermentáciou. Ten je spôsobený tromi typmi mikroorganizmov: po prvé, surovina je vystavená hydrolytickým baktériám, ktoré sú potom nahradené mikróbmi tvoriacimi kyselinu a metán.

Výroba bioplynu sa môže vykonávať pomocou priemyselných a remeselných zariadení. Najbežnejšou výrobnou metódou je aeróbna digescia v digestoroch.

Ako suroviny možno použiť rôzne materiály: siláž, hnoj, riasy, odpadové vody, stelivo, zvyšky výkalov, domový odpad. Východisková látka sa uvedie do homogénneho stavu, potom sa pomocou nakladača umiestni do reaktora.

Tam sa udržiava príjemná teplota +35-38°C, potrebná pre proces fermentácie metánu.

Surovina sa neustále mieša, pričom vzniknutý plynný produkt sa vypúšťa do plynojemu (zásobníka), odkiaľ vstupuje do elektrického generátora.

Bližšie informácie o získavaní bioplynu z hnoja a zriadení bioplynovej stanice sú napísané v článkoch:

1. Ako vyrobiť biopalivo vlastnými rukami z hnoja doma
2. Urobte si svoj vlastný bioplyn pre súkromný dom: odporúčania pre zariadenie a príklad usporiadania domáceho produktu

Biovodík získaný chemickou metódou

Druh plynného biopaliva, ktorý je analógom konvenčného vodíka, sa získava z biomasy pomocou biochemických alebo termochemických metód.

Pri termochemickej metóde sa pripravené suroviny (napríklad drevný odpad) zohrievajú na teplotu 500–800 °C bez kyslíka, čím sa uvoľňujú plyny H₂,CO,CH₄.

Sľubným spôsobom výroby biovodíka je bioftolýza. V tomto prípade sa plyn vyrába pomocou rias, ktoré sú umiestnené v morskej vode, odpadových vodách

Biochemickou metódou sa suroviny uchovávajú v komfortných podmienkach pri normálnom tlaku a teplote približne 30°C.

Do biomasy sú vnášané špeciálne mikroorganizmy Enterobacter cloacae a Rodobacter speriodes, ktoré rozkladajú pôvodný produkt a uvoľňujú vodík. Na urýchlenie výroby pomocou polysacharidov sa môžu pridať enzýmy.

Závery a užitočné video na túto tému

Vo videu nižšie môžete vidieť proces výroby obľúbeného typu biopaliva - drevených brikiet:

Druhy biologického paliva sa líšia nielen stavom agregácie, ale aj vlastnosťami. Pri výbere takýchto materiálov je potrebné vziať do úvahy ich zamýšľané použitie, účinnosť, funkčné vlastnosti a cenu.

Máte skúsenosti s používaním alternatívneho paliva? Alebo sa chcete opýtať na otázky týkajúce sa biopalív? Prosím komentujte príspevok a zapájajte sa do diskusií. Blok spätnej väzby sa nachádza nižšie.