التركيب الأساسي للوقود الحيوي

أحد الحلول العديدة للمساعدة في كبح ظاهرة الاحتباس الحراري هو إيجاد مصادر بديلة للطاقة. يمكن أن تدعم الألواح الشمسية وتوربينات الرياح احتياجات الكهرباء العالمية ، بما في ذلك السيارات الكهربائية ، ولكن التيار الاعتماد على الوقود الأحفوري لتشغيل السيارات والشاحنات والطائرات والمولدات والمحركات الأخرى يجب أن يكون موجهة. يستخدم الوقود الحيوي مثل وقود الديزل الحيوي وقودًا سائلًا تم إنشاؤه من مواد نباتية قد تحل محل حرق الوقود الأحفوري.

الوقود الحفري مشتقة من البترول غير المكرر. هذا الزيت الخام مادة تكونت من بقايا الحياة النباتية والحيوانية التي ظلت تحت ضغط هائل لملايين السنين.

الأنواع الثلاثة الرئيسية للوقود الأحفوري هي البترول والفحم والغاز الطبيعي ، ولا يوجد أي منها قابل للتجديد. هذا يعني أن الوقود الأحفوري الموجود اليوم قد يتم استنفاده في يوم من الأيام. للتحضير لظهور استنفاد الوقود الأحفوري ، تم إنشاء الوقود الحيوي ويتم إنشاؤه.

الوقود الحيوي مستمدة من مواد نباتية حية أو حية مؤخرًا مثل الذرة أو العشب ، وهو عشب معمر يمكن أن ينمو من 8 أقدام إلى 10 أقدام. تسمى هذه المادة السائبة الكتلة الحيوية وتعتبر مصدرًا متجددًا للطاقة حيث يمكن إعادة نمو المادة النباتية.

ينتج عن حرق الوقود الأحفوري ثاني أكسيد الكربون ، ومن المعروف منذ فترة طويلة أن ثاني أكسيد الكربون الإضافي هذا يزيد من تأثير الاحتباس الحراري الطبيعي للغلاف الجوي للأرض.

باختصار ، تأثير الدفيئة هو طاقة الشمس التي تصل إلى الأرض ، وتسخنها ، ثم يعاد إشعاعها في الغلاف الجوي. تمتص غازات الدفيئة مثل ثاني أكسيد الكربون أو الميثان هذه الطاقة وتعيد إشعاع بعضها إلى الأرض. يساعد هذا في تدفئة الغلاف الجوي إلى متوسط ​​درجة حرارة عالمية تبلغ حوالي 16 درجة مئوية (59 درجة فهرنهايت) ، وهو قادر على دعم الحياة.

يعمل الوقود الأحفوري على تسريع تأثير الاحتباس الحراري عن طريق وضع المزيد من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي ، وهذا يرفع درجة حرارة الكوكب ، وهو التأثير المعروف باسم الاحتباس الحرارى. يمكن أن يتسبب هذا التحول في درجة الحرارة في تغير المناخ حيث يصبح مناخ الأرض المعتاد غير متوازن.

ينتج عن حرق الوقود الحيوي أيضًا ثاني أكسيد الكربون وكميات صغيرة من أول أكسيد الكربون والجسيمات الأخرى تمامًا مثل الوقود الأحفوري. لا يكمن الاختلاف في محتويات الاحتراق كثيرًا ، ولكن في أن الكتلة الحيوية ، في نموها الأخير ، استخدمت ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي أثناء عملية التمثيل الضوئي.

الافتراض هو أن الوقود الحيوي المحترق يحل محل ثاني أكسيد الكربون الأصلي المأخوذ عن طريق التمثيل الضوئي. لذلك، الوقود الحيوي تعتبر يكون صافي انبعاثات ثاني أكسيد الكربون صفرًا على مدى حياتهم.

يتكون الوقود الأحفوري من الهيدروكربونات في كل من الأشكال التسلسلية والعطرية ، لكن الوقود الحيوي يتكون من سلاسل هيدروكربونية مع مجموعات أكسجين مرتبطة. قد يشمل تركيبها الكيميائي الأحماض والكحول والإسترات.

الوقود الحيوي هو أكثر من نهج انتقالي إلى انبعاثات الكربون الصفرية لأن احتراق الكتلة الحيوية لا يزال ينتج قد يؤدي ثاني أكسيد الكربون والجسيمات والأكسجين المضاف إلى تكوين سموم مثل الفورمالديهايد أثناء الاحتراق عملية.

الوقود الحيوي له أجيال. الجيل الأول من إنتاج الوقود الحيوي هو الوقود الذي يعتمد على المحاصيل النباتية مثل الذرة أو قصب السكر. الجيل الثاني من النفايات الحيوانية أو النباتية ، والجيل الثالث من الوقود الحيوي مشتق من الطحالب.

توجد أنواع مختلفة من الوقود الحيوي ، ويتم استخدام العديد منها حاليًا في مزيج مع الوقود الأحفوري البنزين أو الديزل. فيما يلي أنواع الوقود الحيوي الشائعة المستخدمة حاليًا وتعريفاتها وتكوينها وإنتاجها واستخداماتها.

التعريف الأساسي للديزل الحيوي هو وقود ذو لون ذهبي إلى بني غامق مخصص كبديل للديزل. يتكون وقود الديزل الحيوي في الغالب من الدهون الثلاثية المصنفة على أنها استرات. تتم معالجة الإسترات من خلال الأسترة التبادلية. تتفاعل الزيوت البيولوجية من الدهون النباتية والحيوانية - بما في ذلك الزيوت المستخدمة من الطهي - مع الكحوليات قصيرة السلسلة ومحفزًا في ظروف التسخين.

Tranesterification يحول الإسترات ، الأحماض الدهنية طويلة السلسلة ، إلى وقود الديزل الحيوي والجلسرين. على الرغم من وجود خليط ، فإن الصيغة الكيميائية الأساسية للديزل الحيوي هي C₁₇ح₃₄ا₂، مع مجموعة استر –CO₂CH₃ في نهاية سلسلة الكربون الطويلة.

تستخدم وقود الديزل الحيوي في المحركات المصممة لوقود الديزل. ينتج وقود الديزل الحيوي كمية أقل من الكبريت في عملية الاحتراق ولكنه يوفر طاقة أقل من الديزل الذي يعتمد على البترول. هناك حاجة إلى الحد الأدنى من تعديلات المحرك لاستخدام وقود الديزل الحيوي ؛ عادة ، فقط تركيب الخراطيم والأختام المطاطية الاصطناعية في نظام الوقود لأن الوقود الحيوي يحط من المطاط الطبيعي.

في درجات الحرارة المنخفضة ، يصبح التركيز العالي للوقود الحيوي شديد اللزوجة بحيث لا يعمل في المحرك ولن يكون كذلك مناسب لدرجات حرارة أقل من 13 درجة مئوية (55 درجة فهرنهايت) حيث قد يؤدي تآكل أجزاء المحرك تحدث. مزيج من أقل من 20 في المائة من الوقود الحيوي و 80 في المائة أو أكثر من الديزل يبحر حول هذا القلق بشأن اللزوجة.

يمكن شراء وقود الديزل الحيوي من محطات وقود معينة ويتم توزيعه بشكل شائع على هيئة B100 أو 100٪ وقود حيوي أو B20 ، وهو مزيج من 20٪ وقود حيوي و 80٪ ديزل. تقل المسافة المقطوعة بالميل فوق تصنيف B20 للديزل الحيوي. هذا الانخفاض يلغي أي مكسب يمتلكه الديزل على البنزين ، خاصة عند السفر بسرعات أعلى.

التعريف الأساسي للإيثانول هو سائل عديم اللون ينتج عن التخمير الطبيعي للسكريات. يتكون الإيثانول من مجموعة الكربون والهيدروجين والهيدروكسيد ، وهو مشتق من الذرة وبنجر السكر وقصب السكر. العملية المستخدمة هي التخمير. العملية الأكثر اقتصادا هي طحن الذرة إلى قوام يشبه الدقيق قبل التخمير.

بعد عملية التخمير ، يتم تقطير الإيثانول (تنقيته) إلى تركيز عالٍ. الصيغة الكيميائية لجزيء الإيثانول هي C₂ح₅أوه.

يمكن استخدام الإيثانول في المحركات المصممة للبنزين. يمكن لأي سيارة تُباع في الولايات المتحدة أن تعمل بمزيج من 10 في المائة من الإيثانول و 90 في المائة من البنزين الخالي من الرصاص. يتم خلط معظم البنزين المباع الآن بالإيثانول.

يساعد الإيثانول على حرق البنزين بشكل كامل ؛ هذا يزيد من إنتاجية الطاقة ، لكن لديه القدرة على المساهمة بمزيد من ملوثات الضباب الدخاني في البيئة.

التعريف الأساسي للميثانول هو سائل عديم اللون مقطر من مادة نباتية أو عن طريق أكسدة الميثان. يتكون الميثانول من الكربون والهيدروجين وهيدروكسيد. إنه أبسط أنواع الكحولات بصيغة كيميائية CH₃أوه. يعتبر إنتاج الميثانول أقل تكلفة من إنتاج الإيثانول ويمكن اشتقاقه من أي مادة نباتية أو من غاز مكب النفايات أو انبعاثات محطات توليد الطاقة.

يتم إنتاج الميثانول من خلال تفاعل تخليقي من أول أكسيد الكربون والهيدروجين. قد تتولد هذه المكونات من حرق الفحم أو الغاز أو الكتلة الحيوية. استخدام مخلفات إحدى العمليات ، مثل الغازات الناتجة عن احتراق الفحم ، لبداية نواتج عملية أخرى العملية ، مثل إنشاء الميثانول ، هي إعادة تدوير صناعية وستقلل من إطلاق الملوثات في أجواء.

يمكن استخدام الميثانول في المحركات التي تعمل بالبنزين. تشمل مزايا استخدام الميثانول كوقود انخفاض حجم السموم والجسيمات الناتجة عن الاحتراق مقارنة بالبنزين. يمكن خلط ما يصل إلى 15 بالمائة من الميثانول من حيث الحجم في محركات البنزين دون أي تعديل للمحرك.

على الرغم من أن الميثانول أقل تكلفة بشكل ملحوظ ، فإن تقليل المسافة المقطوعة بالغاز يلغي فعالية التكلفة. كما أنه من الصعب إزالة الماء من الميثانول ، وقد يؤدي ذلك إلى تآكل خراطيم وموانع تسرب المحرك.

التعريف الأساسي للبوتانول الحيوي هو وقود سائل عديم اللون مصنوع من نباتات معينة ، معظمها من الذرة. يتكون التركيب الأساسي للبيوتانول من الكربون والهيدروجين والأكسجين. وهو عبارة عن كحول رباعي الكربون (كحول بوتيل) مع صيغة كيميائية لـ C₄ح₁₀س.

يُشتق البيوبوتانول بشكل أساسي من تخمير لقيم الذرة. في تخمير السكريات البسيطة من المواد الأولية ، يتم إنتاج البيوتانول والإيثانول والأسيتون. يؤدي فصل هذه المنتجات الثانوية إلى زيادة تكلفة الإنتاج ، على الرغم من أن أي مصنع معالجة ينتج الإيثانول يمكنه أيضًا إنتاج البيوتانول.

يعتبر البيوبوتانول أقل تآكلًا ويوفر طاقة أكثر بنسبة 25 بالمائة تقريبًا من الإيثانول ويمكن مزجه بالبنزين للمساعدة في تقليل غازات الاحتباس الحراري. يمكن خلط البوتانول بالبنزين قبل النقل بينما يجب نقل الإيثانول بشكل منفصل وخلطه عند مخرج الوقود.

يوفر Biobutanol طاقة أقل من البنزين ، ولكنه يحتوي على مركبات سامة أقل بشكل ملحوظ عند الاحتراق. يمكن لأي سيارة تعمل بالبنزين أن تعمل بمزيج البيوبوتانول. سيقبل معظم مصنعي السيارات مزيجًا من البيوبوتانول مع البنزين بنسبة تصل إلى 15 في المائة دون أي تعديلات على المحرك.

التعريف الأساسي للوقود الحيوي للطحالب هو وقود سائل أخضر فاتح مصنوع من الطحالب. مثل النباتات ، تقوم الطحالب بتحويل ضوء الشمس إلى طاقة عن طريق التمثيل الضوئي. هناك أكثر من 100000 سلالة متنوعة وراثيًا من الطحالب ، من الطحالب الصغيرة في البرك إلى عشب البحر الكبير في المحيط.

تحتوي الطحالب على نسبة عالية من الدهون أو الجزيئات الدهنية المحتوية على الزيت. يجب استخراج هذه الدهون ويمكن تحويلها إلى وقود حيوي. هناك العديد من أنواع الطحالب ، ولكن الصيغة الكيميائية للوقود الحيوي للطحالب هي C₁₀₆ح₂₆₃ا₁₁₀ن₁₆.

تعتبر كلوريلا وسبيرولينا أكثر ملاءمة للتخليق الحيوي من الطحالب الأخرى ، ولكنها معدلة وراثيًا تخلق الطحالب كائنات حية ذات محتوى دهني أعلى يمكن أن تزيد من إنتاج الطاقة بنسبة تصل إلى 40 نسبه مئويه.

يمكن استزراع الطحالب في أحواض كبيرة مفتوحة أو أنظمة تشبه أحواض السباحة. أنظمة الحلقة المغلقة ليست مفتوحة للهواء ويجب ضخ ثاني أكسيد الكربون فيها. باستخدام CO₂ من المداخن إعادة تدوير نفايات منتج من عملية واحدة للحصول على وقود لأخرى. نمو الطحالب وفير ، ويمكن جمع المنتج في المتوسط ​​كل خمسة أيام.

من أجل فصل الدهون ، يجب أن تكون الطحالب مسحوقًا جافًا. في كثير من الأحيان ، يتطلب تجفيف الطحالب طاقة أكثر من الطاقة التي يوفرها الوقود عند الاحتراق كوقود قابل للاستخدام. يتم تطوير تقنية جديدة تتخطى عملية التجفيف ولديها طحالب في حالة تعليق سائل بينما تقوم نفثات المذيبات باستخراج الدهون.

مثل الزيت النباتي ، تحتوي الطحالب على دهون ، ويمكن تحويل وقود الطحالب إلى وقود ديزل حيوي. يمكن استخدامه في أي محرك ديزل.

يمكن إنشاء خلطات تتراوح من B5 ، وقود حيوي بنسبة 5 بالمائة في 95 بالمائة ديزل ، إلى B50 ، و 50 بالمائة وقود حيوي و 50 بالمائة ديزل. كان مزيج B30 أكثر كفاءة بقليل من وقود الديزل في دراسة واحدة ، وفي دراسات أخرى ، كان ثاني أكسيد الكربون₂ كانت الانبعاثات أعلى من الوقود الأحفوري.

يحتاج الوقود الحيوي إلى نمو النبات كأساس له. في عالم يتزايد عدد سكانه باستمرار - من المتوقع أن يصل إلى 9.6 مليار بحلول عام 2050 - قد لا يكون استخدام الأراضي الخصبة لزراعة النباتات للوقود في مصلحة البشر ومع ذلك ، إذا تم استخدام مناطق من الأراضي المشوهة ، مثل الأراضي الزراعية المهجورة ، فسيؤدي ذلك إلى تعويض هذا القلق.

من بين أنواع الوقود الحيوي المدرجة ، فإن وقود الديزل الحيوي هو الأكثر ديمقراطية. يمكن للمستهلك ، من خلال شركة ناشئة ومساحة غير مكلفة ، إنتاج وقود حيوي في فناء منزله الخلفي. يمكن جمع زيت الطهي المستخدم من المطاعم المحلية ، وتصفيته ثم وضعه في وعاء لإعادة الأسترة.

لا تزال تكلفة الوقود الحيوي مرتفعة عند مقارنتها بالوقود الأحفوري. ومع ذلك ، هذا أيضًا بسبب الدعم الحكومي للوقود الأحفوري. يمكن أن يصل دعم الوقود الأحفوري في الولايات المتحدة إلى تريليونات الدولارات سنويًا. إذا تم دعم الوقود المتجدد بهذا المعدل ، فيمكن خفض تكاليف الإنتاج ، ويمكن أن يتنافس الوقود الحيوي المتجدد مع الوقود الأحفوري.