Biodegvielu veidi: cietā, šķidrā un gāzveida kurināmā raksturlielumu salīdzinājums

Alternatīva tradicionālajiem energoresursiem ir dažāda veida biodegviela, kuras ražošanā tiek izmantotas augu vai dzīvnieku izcelsmes izejvielas, rūpniecības atkritumi un organismu dzīvībai svarīgās darbības rezultāti.

Piedāvājam izprast šādas degvielas izmantošanas priekšrocības un trūkumus, noskaidrot ražošanas īpatnības, funkcionālās īpašības, kā arī izvērtēt dažādu bioloģiskās degvielas veidu izmantošanas efektivitāti. Sniegtā informācija palīdzēs orientēties alternatīvo energoresursu avotu izvēlē.

Kas ir biodegviela

Perspektīvākais virziens enerģētikas sektorā ir tehnoloģijas, kas ietver atjaunojamo resursu izmantošanu, kas ietver bioloģisko degvielu.

Visizplatītākais bioloģiskā kurināmā veids ir parastā malka. 38% pasaules iedzīvotāju tos izmanto apkurei un ēdiena gatavošanai

Kā izejvielu tā ražošanai varat ņemt augu/dzīvnieku izcelsmes biomasu, tostarp rūpnieciskos vai dzīvnieku izcelsmes atkritumus.

Šādu vielu apstrādi veic ar termoķīmiskām vai bioloģiskām metodēm, pēdējā gadījumā degvielu iegūst, izmantojot dažāda veida mikroorganismus.

Bioloģiskās degvielas izmantošanas īpatsvars pastāvīgi pieaug, kas veicina fosilo ogļūdeņražu resursu saglabāšanu (+)

Daudzās valstīs ir īpašas programmas, lai palielinātu biodegvielas īpatsvaru valsts un reģionālā enerģijas patēriņā. Vairākās valstīs ir arī obligāti standarti šī enerģijas avota izmantošanai.

Biodegvielas priekšrocības un trūkumi

Bioloģiskajai degvielai ir savas pozitīvās un negatīvās puses. Interesi par šāda veida izejvielu izmantošanu izraisa tā neapšaubāmās priekšrocības.

Tie ietver:

• Budžeta izmaksas. Lai gan šobrīd biodegvielas cenas ir gandrīz tādas pašas kā benzīna pašizmaksa, bioloģiskās vielas tiek uzskatītas par izdevīgāku degvielas veidu, jo tās degot rada mazāk izmešu. Biodegviela ir piemērota lietošanai dažādos apstākļos, un to var pielāgot dažādu konstrukciju dzinējiem. Vēl viena priekšrocība ir dzinēja darbības optimizācija, kas ilgāk saglabājas tīra nelielā kvēpu un izplūdes gāzu daudzuma dēļ.
• Mobilitāte. Bioloģiskā degviela no citiem alternatīviem enerģijas avotiem atšķiras ar savu pārnesamību. Saules un vēja instalācijās parasti ir iekļautas smagas baterijas, tāpēc tās visbiežāk tiek izmantotas pastāvīgi, savukārt biodegvielu no viena reģiona uz citu var transportēt bez lielas apgrūtinājumiem.
• Atjaunojamais enerģijas avots. Lai gan pētnieki uzskata, ka esošās jēlnaftas atradnes ilgs vismaz vairākus simtus gadu, fosilās rezerves joprojām ir ierobežotas. No augiem un dzīvnieku atkritumiem ražotā biodegviela ir viens no atjaunojamajiem resursiem, kam pārskatāmā nākotnē nedraud izzušana.
• Zemes atmosfēras aizsardzība. Liels tradicionālo ogļūdeņražu trūkums ir lielais CO procentuālais daudzums₂, kas izdalās sadedzinot. Šī gāze mūsu planētas atmosfērā rada siltumnīcas efektu, radot apstākļus globālajai sasilšanai. Sadedzinot bioloģiskās vielas, oglekļa dioksīda daudzums tiek samazināts līdz 65%. Turklāt biodegvielas ražošanā izmantotās kultūras patērē oglekļa monoksīdu, samazinot tā īpatsvaru gaisā.
• Ekonomiskā drošība. Ogļūdeņražu rezerves tiek sadalītas nevienmērīgi, tāpēc daži štati ir spiesti iegādāties naftu vai dabasgāzi, tērējot lielas naudas summas iegādei, transportēšanai un uzglabāšanai. Gandrīz jebkurā valstī var ražot dažāda veida bioloģisko degvielu. Tā kā tā ražošanai un pārstrādei būs jāveido jauni uzņēmumi un attiecīgi arī darbavietas, tas nāks par labu valsts ekonomikai un pozitīvi ietekmēs cilvēku labklājību.

Tehnoloģiju uzlabošana un jaunu metožu izstrāde var uzlabot biodegvielas pozitīvo ietekmi. Tādējādi tehnoloģiju attīstība, izmantojot planktonu un aļģes, būtiski samazinās tā cenu.

Tajā pašā laikā pašreizējā zinātnes un tehnikas attīstības stadijā biodegvielas ražošana ir saistīta ar vairākām grūtībām un neērtībām. Pirmkārt, tie ir dabiski ierobežojumi augu audzēšanā.

Lai audzētu biomasas ražošanā izmantotās kultūras, jāņem vērā vairāki faktori, proti:

• Ūdens lietošana. Lauksaimniecības augi patērē daudz ūdens, kas ir ierobežots resurss, īpaši sausās vietās.
• Invazivitāte. Degvielai audzētās kultūras bieži ir agresīvas.Tie izslāpē autentisko floru, kas var izraisīt reģiona bioloģiskā daudzveidības un ekosistēmas ciešanas.
• Mēslošanas līdzekļi. Daudziem augiem augšanai ir nepieciešamas papildu barības vielas, kas var kaitēt citām kultūrām vai vispārējai ekosistēmai.
• Klimats. Noteiktas klimatiskās zonas (piemēram, tuksnesis vai tundra) nav piemērotas biodegvielas kultūru audzēšanai.

Aktīvā lauksaimniecības augu audzēšana ir saistīta arī ar lauksaimniecības resursu izsīkšanu, lauksaimniecības tehnikas noteikumu neievērošana var izraisīt augsnes derīgo komponentu satura samazināšanos un līdz ar to to izsīkumu, kas pasliktinās pārtikas problēma.

Ekosistēma ir traucēta. Biomasas ražošanai parasti nepieciešama lauksaimniecības platību paplašināšana.

Bieži vien šim nolūkam teritorija tiek iztīrīta, kas noved pie mikroekosistēmas (piemēram, mežu) iznīcināšanas, augu un dzīvnieku bojāejas.

Biodegvielas ražošanai jau tagad tiek audzēts liels daudzums labības. Biomasas ražošanai tiek izmantoti vairāk nekā 50% Eiropā saražotā rapša, vairāk nekā trešdaļa Amerikas graudu un gandrīz puse no Brazīlijā audzētajām cukurniedrēm.

Problēmas rodas ar monokultūru audzēšanu. Lai iegūtu lielāku biomasas ražu, ražotāji nereti sēj ar konkrētu augu. Šī prakse nav īpaši piemērota lauksaimniecības zemēm, jo ​​monokultūra izraisa izmaiņas vidē.

Laukus, ko aizņem viena veida augi, parasti inficē īpaši kaitēkļu veidi.Mēģinājums tos apkarot ar insekticīdu un pesticīdu palīdzību tikai noved pie rezistences veidošanās pret šiem līdzekļiem.

Lai izvairītos no iepriekš aprakstītajām problēmām, zinātnieki iesaka neatstāt novārtā kultūraugu bioloģisko daudzveidību, kombinējot vairākus augus laukos, kā arī izmantot vietējās floras šķirnes.

Alternatīvo degvielu paaudzes

Plašais biomasai izmantoto augu izejvielu klāsts parasti iedalās vairākās paaudzēs.

Pirmā paaudze. Šajā kategorijā ietilpst lauksaimniecības kultūras, kas satur lielu cietes, cukuru un tauku procentu. Tie ir tādi populāri augi kā kukurūza, cukurbietes, rapsis un sojas pupas.

Tā kā šo kultūru audzēšana kaitē klimatam un to izņemšana no tirgus ietekmē pārtikas cenas, zinātnieki cenšas tos aizstāt ar cita veida biomasu.

Gandrīz visi mūsdienu šķidrās degvielas veidi (biodīzeļdegviela, etanols) šobrīd tiek ražoti no pirmās paaudzes izejvielu lauksaimniecības iekārtām.

Otrā paaudze. Biomasas grupā ietilpst koksne, zāle un lauksaimniecības atkritumi (čaumalas, sēnalas). Biodegvielas ražošana no šādām izejvielām ir dārga, taču ļauj atrisināt nepārtikas atlieku pārstrādes jautājumu ar vienlaikus degošu materiālu ražošanu.

Šajā šķirnē iekļauto kultūru iezīme ir lignīna un celulozes klātbūtne tajos. Pateicoties tiem, biomasu var sadedzināt un gazificēt, kā arī pakļaut pirolīzei, lai iegūtu šķidro kurināmo.

Otrās paaudzes biomasas galvenais trūkums tiek uzskatīts par nepietiekamu atdevi uz platības vienību, tāpēc šādiem kultūraugiem ir jāatvēl ievērojami zemes resursi.

Trešā paaudze. Izejviela biodegvielas ražošanai ir aļģes, kuras audzē rūpnieciskā mērogā, piemēram, atklātos rezervuāros.

Visdaudzsološākā iespēja tiek uzskatīta par biodegvielu, kas iegūta no vienšūnu aļģēm. Šādi augi ātri pieņemas svarā, un to audzēšanai nav nepieciešama auglīga zeme.

Šī prakse ir daudzsološa, taču šobrīd šādas tehnoloģijas tikai tiek izstrādātas. Zinātnieki arī veic pētījumus, lai radītu metodes, kas ļauj iegūt ceturtās un pat piektās paaudzes biodegvielu.

Trīs veidu biodegvielas

Atkarībā no vielas agregācijas stāvokļa ir trīs galvenie biodegvielu veidi:

1. Ciets: malka, kūdra, dzīvnieku un lauksaimniecības atkritumi.
2. Šķidrums: biodīzelis, dimetilēteris, bioetanols, biobutanols.
3. Gāzveida: biogāze, metāns, bioūdeņradis.

Katram vielas veidam ir sava specifika, kas tiks aplūkota turpmāk.

1. veids: grūti

Populārākie cietie bioloģiskā kurināmā veidi ir koksne, kūdra un dzīvnieku atkritumi.

Koksne (malka, skaidas, zāģskaidas)

Sens biodegvielas veids ir labi zināmā malka, ko jau izsenis izmanto māju apsildīšanai un ēdiena gatavošanai. Līdz šim tos dažādās valstīs aktīvi izmanto siltuma/elektrības ražošanai, jo īpaši ar koksni strādā liela Austrijas termoelektrostacija ar jaudu 66 megavati.

Tajā pašā laikā šādām izejvielām ir trūkumi. Malkas enerģētiskā vērtība ir salīdzinoši zema: degot daļa vielas nogulsnējas sodrēju veidā, tāpēc kamīni un krāsnis ir regulāri jātīra.Turklāt koksnes krājumu papildināšanai nepieciešams zināms laiks – jauni koki izaugs tikai pēc 15-20 gadiem.

Lieliska alternatīva parastajai malkai ir granulas (granulas), kuru ražošanai tiek izmantota nestandarta koksne: miza, šķelda, presētas zāģu skaidas, kuce.

Granulām, kas iegūtas no koka, kūdras un dažādiem atkritumiem, ir dažādas krāsas. Gaišos izmanto kamīnu un krāšņu kurināšanai, savukārt tumšās, ar augstu mizas saturu, paredzētas cietā kurināmā katliem.

Lai ražotu degvielas granulas, izejvielas tiek samaltas putekļos, ko pēc tam žāvē un presē augstā temperatūrā. Pateicoties koksnē esošajam lignīnam, veidojas lipīga masa, no kuras veidojas nelieli cilindri 5-70 mm garumā un 6-10 mm diametrā.

Mūsdienīga alternatīva tradicionālajai malkai ir četru, sešu vai astoņstūru kurināmā briketes. Šim videi draudzīgajam materiālam ir augsta siltuma pārnese

Granulu ražošanu varat izveidot pats, izgatavojot nospiediet degvielas briketes.

Koksnes šķelda ir viens no populārākajiem biodegvielas veidiem, kas bieži kalpo kā enerģijas avots Eiropas termoelektrostacijās. Šo izejvielu ražošana tiek veikta mežizstrādes vietās vai īpašās ražošanas līnijās, kas aprīkotas ar smalcināšanas iekārtām.

Purvu un meža kurināmā kūdra

Tas ir izplatīts biodegvielas veids, kas gadsimtiem ir izmantots sadzīves un rūpnieciskiem mērķiem. Kūdra ir sūnu slānis, kas purva apstākļos nav pilnībā sadalījies, un to iegūst daudzās pasaules valstīs: Krievijā, Baltkrievijā, Kanādā, Zviedrijā, Indonēzijā un citās.

Kūdra, kas satur 50-60% oglekļa, tiek uzskatīta par populāru gāzi nesošu materiālu. Šo vērtīgo izejvielu var izmantot ne tikai kā degvielu, bet arī kā mēslojumu vai siltumizolatoru.

Lai atvieglotu ražošanas procesu, biomasu parasti pārstrādā ieguves vietā. Process sastāv no izejvielu attīrīšanas (sijāšanas) no svešiem ieslēgumiem, kam seko žāvēšana un formēšana briketēs vai granulās.

Degviela no lauksaimniecības atkritumiem

Lauksaimnieciskajā ražošanā, kā likums, uzkrājas liels skaits dažādu augu atkritumu: augu ārējās čaulas, riekstu čaumalas, salmi.

Šādas izejvielas var arī presēt un granulēt, ražojot degvielas granulas, kuru īpašības praktiski neatšķiras no granulām, kas izgatavotas no koksnes biomasas.

Dzīvnieku izcelsmes biodegviela

Kopā ar malku senatnē cilvēki sāka izmantot dzīvnieku izcelsmes degvielu, proti, mēslus - žāvētus mājdzīvnieku mēslus. Mūsdienu tehnoloģijas šādu izejvielu žāvēšanai un apstrādei ļauj iegūt cietas biodegvielas šķirnes, kurām pilnībā nav nepatīkamas smakas.

Ilgu laiku nomadu tautas kā degvielu izmantoja žāvētus zirgu, kamieļu un liellopu kūtsmēslus. Šobrīd biodegvielu ražo no mājdzīvnieku atkritumiem brikešu vai granulu veidā

Tā kā pašlaik lopkopības atkritumi tiek uzkrāti rūpnieciskā mērogā, degvielas ražošana no tiem vienlaikus atrisina jautājumu par to apglabāšanu.

2. veids: šķidrums

Šķidrā biodegviela, kas ir droša un videi draudzīga, pārsvarā tiek izmantota kā benzīna un citu līdzīgu produktu aizvietotājs.Visizplatītākās iespējas ir bioetanols, biometanols, biobutanols, biodīzeļdegviela un dimetilēteris.

Bioetanols no augu kultūrām

Tā ir izplatīta šķidrā biodegviela, ko izmanto automašīnu degvielai. Lai gan tīrā viela netiek izmantota kā degviela, tās pievienošana benzīnam palīdz uzlabot dzinēja veiktspēju, palielināt tā jaudu, kontrolēt dzinēja sildīšanu un samazināt izplūdes gāzu emisijas.

Daudzas degvielas uzpildes stacijas Eiropā, Āzijā, Ziemeļamerikā un Dienvidamerikā piedāvā ne tikai tradicionālo degvielu, bet arī dažāda veida biodegvielu, galvenokārt bioetanolu saturošus maisījumus.

Bioetanolu novērtēja arī kamīnu mīļotāji. Šai vielai ir laba siltuma pārnese, turklāt tai degot neveidojas ne sodrēji, ne dūmi, kā arī tiek samazināts izdalītā oglekļa dioksīda daudzums.

Pateicoties šīm īpašībām, degvielu var izmantot pat daudzdzīvokļu māju pavardu kurināšanai. Vairāk par biodegvielu kamīniem lasiet šeit Šis raksts.

Bioetanolu ražo no pirmās paaudzes izejvielām, kas satur cieti vai cukuru. Graudaugi, kukurūza, cukurniedres un bietes tiek apstrādāti, izmantojot spirta fermentācijas tehnoloģiju.

Biobutanols automašīnu uzpildei

Biobutanols ir bioloģiski iegūts butanola analogs. Bezkrāsains šķidrums ar raksturīgu smaržu, to plaši izmanto kā ķīmisko izejvielu rūpniecībā, kā arī var izmantot kā transporta degvielu.

Butanola enerģijas intensitāte ir tuva benzīna energointensitātei, kas ļauj to daļēji aizstāt kurināmā elementos. Atšķirībā no bioetanola, biobutanolu var lietot neatkarīgi, nepievienojot tradicionālos degvielas veidus.

Izejvielas šīs biovielas ražošanai ir visdažādākie augi: bietes, manioka, kvieši, kukurūza.

Dimetilēteris (C₂H₆O)

Tā ir arī videi draudzīga degviela. To sadedzinot, izplūdes gāzēs nav sēra savienojumu, un slāpekļa savienojumu saturs ir par 90% mazāks nekā dedzinot benzīnu.

Dimetilēteri var izmantot bez īpašiem filtriem, taču ir jāveic principiālas izmaiņas automašīnas konstrukcijā (barošanas sistēma, dzinēja aizdedze).

Dimetilēteris tiek uzskatīts par daudzsološu variantu automašīnu degvielai. Automašīnas ar šai degvielai paredzētiem dzinējiem izstrādā tādi lieli uzņēmumi kā Volvo, SAIC Motor, KAMAZ, Nissan

Automašīnās, kas aprīkotas ar sašķidrinātas naftas gāzes dzinējiem, bez jebkādām modifikācijām varat izmantot kombinēto degvielu, kas satur 30% dimetilētera.

Šķidro degvielu var ražot no dažādām izejvielām: dabasgāzes, ogļu putekļiem, biomasas un, galvenais, no celulozes un papīra ražošanas atliekām, kuras zemā spiedienā pārvēršas šķidrumā.

Biometanols no vienšūnu aļģēm

Šī viela ir parastā metanola analogs, ko plaši izmanto vairāku ķīmisku savienojumu (etiķskābes, formaldehīda) ražošanai, kā arī izmanto kā antifrīzu un šķīdinātāju.

Jautājums par šāda veida biodegvielas ražošanu pirmo reizi tika aktualizēts pagājušā gadsimta astoņdesmitajos gados, kad zinātnieku grupa ierosināja ražot šķidru vielu, bioķīmiski pārveidojot jūras fitoplanktonu, kas tiktu kultivēta īpašos rezervuāros.

Biometanolam ir vairākas iespējamās priekšrocības:

• augsta energoefektivitāte — 14 metāna ražošanai, 7 metanola ražošanai;
• lieliska fitoplanktona produktivitāte — līdz 100 tonnām uz hektāru gadā;
• mazprasīgi vienšūnu organismi, kuras audzēšanai nav nepieciešams saldūdens un auglīgas augsnes;
• lauksaimniecības resursu saglabāšana, jo fitoplanktonu audzē dīķos vai jūras līčos.

Lai gan biometanola rūpnieciskā ražošana vēl nav izveidota, šobrīd notiek neatlaidīga tehnoloģiju izpēte un izstrāde, lai attīstītu šāda veida alternatīvās degvielas ražošanu.

Biodīzeļdegviela kā alternatīva transporta degvielai

Šī ir šķidra motora biodegviela, kas sastāv no taukskābju esteru maisījuma. Viela ir droša cilvēkiem un dzīvniekiem, gandrīz pilnībā sadalās zemē 28 dienu laikā, kā arī tai ir salīdzinoši augsta (<100) uzliesmošanas temperatūra.

Biodīzeļdegviela samazina kaitīgo gāzu emisiju procentuālo daudzumu un arī pagarina dzinēja kalpošanas laiku, jo tajā ir eļļošanas komponenti.

Degvielu izmanto automašīnu dzinēju uzpildīšanai gan neatkarīgi, gan kombinācijā ar parasto degvielu. Jāņem vērā tikai bioloģiskās vielas īsais glabāšanas laiks: pēc trim mēnešiem bioloģiskā viela sāk sadalīties, pilnībā zaudējot īpašības.

Biodīzeļdegvielai ES valstīs ir pieņemts īpašs standarts EN14214. Vairākās valstīs ir spēkā arī EN590 standarts, kas ļauj citām degvielām pievienot 5% biodīzeļdegvielas.

3. tips: gāzveida

Galvenie gāzveida bioloģiskās degvielas veidi ir biogāze un bioūdeņradis.

Biogāze kā dabasgāzes aizstājējs

Biogāze ir gandrīz pilnīgs dabasgāzes analogs: tā satur 13-50% CO_2, 49-87% metāna, kā arī H piemaisījumi₂ un H₂S.Ja šo vielu attīra no oglekļa dioksīda, var iegūt biometānu.

Gāzveida biodegvielu ražo no biomasas, fermentējot ūdeņradi vai metānu. Pēdējo izraisa trīs veidu mikroorganismi: pirmkārt, izejviela tiek pakļauta hidrolītisko baktēriju iedarbībai, kuras pēc tam aizstāj skābi veidojošie un metānu veidojošie mikrobi.

Biogāzes ražošanu var veikt, izmantojot rūpnieciskās un amatniecības iekārtas. Visizplatītākā ražošanas metode ir aerobā pārstrāde metāna tvertnēs.

Kā izejvielas var izmantot dažādus materiālus: skābbarību, kūtsmēslus, aļģes, notekūdeņus, pakaišus, fekāliju atliekas, sadzīves atkritumus. Izejvielu ieved viendabīgā stāvoklī, pēc tam to ar iekrāvēju ievieto reaktorā.

Tur tiek uzturēta komfortabla +35-38°C temperatūra, kas nepieciešama metāna fermentācijas procesam.

Izejviela tiek pastāvīgi sajaukta, savukārt iegūtais gāzveida produkts tiek izvadīts gāzes turētājā (uzglabāšanas blokā), no kurienes tas nonāk elektriskajā ģeneratorā.

Plašāka informācija par biogāzes iegūšanu no kūtsmēsliem un biogāzes stacijas ierīkošanu rakstīta rakstos:

1. Kā mājās pagatavot biodegvielu no kūtsmēsliem ar savām rokām
2. Biogāzes stacija "dari pats" privātmājai: ieteikumi ierīcei un pašdarināta produkta sakārtošanas piemērs

Bioūdeņradis iegūts ar ķīmisku metodi

Gāzveida biodegvielu, kas ir tradicionālā ūdeņraža analogs, iegūst no biomasas, izmantojot bioķīmiskas vai termoķīmiskas metodes.

Termoķīmiskajā metodē sagatavotās izejvielas (piemēram, koksnes atlikumus) bez skābekļa karsē līdz 500–800°C temperatūrai, kas izdala H gāzes.₂,CO,CH₄.

Daudzsološa metode bioūdeņraža iegūšanai ir bioftolīze. Šajā gadījumā gāze tiek ražota, izmantojot aļģes, kuras ievieto jūras ūdenī, notekūdeņos

Ar bioķīmisko metodi izejvielas tiek turētas komfortablos apstākļos normālā spiedienā un aptuveni 30°C temperatūrā.

Biomasā tiek ievadīti īpaši mikroorganismi Enterobacter cloacae un Rodobacter speriodi, kas sadala sākotnējo produktu, izdalot ūdeņradi. Lai paātrinātu ražošanu, izmantojot polisaharīdus, var pievienot fermentus.

Secinājumi un noderīgs video par tēmu

Zemāk esošajā video varat redzēt populāra biodegvielas veida - koksnes brikešu - izgatavošanas procesu:

Bioloģiskās degvielas veidi atšķiras ne tikai pēc to agregācijas stāvokļa, bet arī pēc īpašībām. Izvēloties šādus materiālus, ir jāņem vērā to paredzētais pielietojums, efektivitāte, funkcionālās īpašības un izmaksas.

Vai jums ir pieredze alternatīvās degvielas izmantošanā? Vai arī vēlaties uzdot jautājumus par biodegvielu? Lūdzu, komentējiet ziņu un piedalieties diskusijās. Atsauksmes bloks atrodas zemāk.