Основен състав на биогоривото

Едно от многото решения за ограничаване на глобалното затопляне е намирането на алтернативни източници на енергия. Слънчевите панели и вятърните турбини могат да поддържат световните нужди от електроенергия, включително електрическите автомобили, но сегашните трябва да се разчита на изкопаеми горива за задвижване на автомобили, камиони, самолети, генератори и други двигатели адресирани. Биогоривото като биодизел използва течно гориво, създадено от растителен материал, което може да замени изгарянето на изкопаеми горива.

Изкопаеми горива са получени от нерафиниран нефт. Този суров нефт е вещество, образувано от останки от растителен и животински живот, което е било държано под огромен натиск в продължение на милиони години.

Трите основни вида изкопаеми горива са нефт, въглища и природен газ, като никой от тях не е възобновяем. Това означава, че съществуващите днес изкопаеми горива може един ден да бъдат изчерпани. За да се подготвят за появата на изчерпване на изкопаемите горива, биогоривата са създадени и се създават.

Биогорива са получени от жив или наскоро жив растителен материал като царевица или тревна трева, многогодишна трева, която може да нарасне от 8 фута до 10 фута височина. Този насипен материал се нарича биомаса и се счита за възобновяем източник на енергия, тъй като растителният материал може да бъде прераснал.

Изгарянето на изкопаеми горива произвежда въглероден диоксид и отдавна е известно, че този допълнителен въглероден диоксид увеличава естествения парников ефект на земната атмосфера.

Накратко, парниковият ефект е слънчевата енергия, достигаща Земята, затопляйки я, след което отново се излъчва в атмосферата. Парниковите газове като въглероден диоксид или метан абсорбират тази енергия и излъчват част от нея обратно на Земята. Това помага да се затопли атмосферата до средна глобална температура от около 16 градуса по Целзий (59 градуса по Фаренхайт), способна да поддържа живота.

Изкопаемите горива ускоряват парниковия ефект чрез поставяне на повече въглероден диоксид в атмосферата и това повишава температурата на планетата, ефект, известен като глобално затопляне. Тази смяна на температурата може да причини климатични промени, тъй като обичайният климат на Земята става небалансиран.

Изгарянето на биогорива също произвежда въглероден диоксид, малки количества въглероден окис и други частици, точно както го правят изкопаемите горива. Разликата е не толкова в съдържанието на изгаряне, но в това, че биомасата, при скорошния им растеж, използва атмосферен въглероден диоксид по време на фотосинтезата.

Предполага се, че изгореното биогориво замества първоначалния въглероден диоксид, взет чрез фотосинтеза. Следователно, биогорива се считат за имат нетна емисия на въглероден диоксид нула през живота им.

Изкопаемите горива се състоят от въглеводороди както във вериги, така и в ароматни форми, но биогоривото се състои от въглеводородни вериги с прикрепени кислородни групи. Техният химичен състав може да включва киселини, алкохоли и естери.

Биогоривото е по-скоро преходен подход към нулеви въглеродни емисии, тъй като изгарянето на биомаса все още произвежда въглеродният диоксид, частиците и с добавения кислород, дори могат да създадат токсини като формалдехид при горенето процес.

Биогоривото има поколения. Първото поколение производство на биогорива е гориво на основата на растителни култури като царевица или захарна тръстика. Второто поколение е от животински или растителни отпадъци, а третото поколение биогориво се получава от водорасли.

Съществуват различни видове биогорива и в момента много от тях се използват в смеси с изкопаеми горива бензин или дизел. По-долу са дадени общи биогорива, които се използват в момента и техните дефиниции, състав и производство и употреба.

Основната дефиниция за биодизел е гориво от златист до тъмнокафяв цвят, предназначено като заместител на дизела. Съставът на биодизела е предимно триглицериди, които са класифицирани като естери. Естерите се обработват чрез трансестерификация. Биологичните масла от растителни и животински мазнини - това включва отработени масла от готвене - реагират с късоверижни алкохоли и катализатор при нагрявани условия.

Транстерификацията превръща естерите, дълговерижните мастни киселини в биодизел и глицерин. Въпреки че е смес, основната химическа формула на биодизела е С₁₇Н₃₄О₂, с естерната група –CO₂CH₃ в края на дългата въглеродна верига.

Биодизелите се използват в двигатели, предназначени за дизелово гориво. Биодизелът произвежда по-малко сяра в процеса на изгаряне, но доставя по-малко енергия от дизела на петролна основа. Необходими са минимални модификации на двигателя, за да се използва биодизел; обикновено само монтирането на маркучи и уплътнения от синтетичен каучук в горивната система, тъй като биогоривото разгражда естествения каучук.

При ниски температури висока концентрация на биогориво става твърде вискозна, за да работи в двигател и не би била подходящ за температури под 13 градуса по Целзий (55 градуса по Фаренхайт), тъй като корозията на частите на двигателя може възникне. Смеси от по-малко от 20 процента биогориво и 80 или повече процента дизелово гориво заобикалят този проблем с вискозитета.

Биодизелът може да бъде закупен на определени бензиностанции и обикновено се разпространява като B100, 100% биогориво или B20, смес от 20% биогориво и 80% дизел. Пробегът на газ намалява над B20 рейтинг на биодизел. Това намаление нулира всяка печалба, която дизелът има спрямо бензина, особено при пътуване с по-висока скорост.

Основната дефиниция на етанол е безцветна течност, получена от естествената ферментация на захари. Етанолът се състои от въглерод, водород и хидроксидна група и се получава от царевица, захарно цвекло и захарна тръстика. Използваният процес е ферментация. По-икономичният процес е смилането на царевицата на консистенция, подобна на брашно, преди ферментация.

След процеса на ферментация етанолът се дестилира (пречиства) до висока концентрация. Химичната формула на етаноловата молекула е С₂Н₅ОХ.

Етанолът може да се използва в двигатели, предназначени за бензин. Всяко превозно средство, продавано в САЩ, може да работи със смес от 10 процента етанол и 90 процента безоловен бензин. Повечето продавани бензини сега се смесват с етанол.

Етанолът помага на бензина да изгаря по-пълно; това повишава енергийния добив, но има потенциал да допринася повече замърсители на смог в околната среда.

Основната дефиниция на метанол е безцветна течност, дестилирана от растителен материал или чрез окисляване на метан. Метанолът се състои от въглерод, водород и хидроксид. Това е най-простият алкохол с химическа формула СН₃ОХ. Метанолът е по-евтин за производство от етанол и може да бъде получен от всякакъв растителен материал или от депонирания газ или емисии от електроцентрали.

Метанолът се получава чрез реакция на синтез на въглероден окис и водород. Тези компоненти могат да се генерират от изгарянето на въглища, газ или биомаса. Използване на отпадъчния продукт от един процес, като газовете от изгарянето на въглища, за изходни продукти на друг Процесът, подобно на създаването на метанол, е промишлено рециклиране и ще намали отделянето на замърсители в атмосфера.

Метанолът може да се използва в бензинови двигатели. Предимствата на използването на метанол като гориво включват по-малък обем токсини и частици от изгарянето, отколкото бензин. До 15 процента метанол по обем могат да се смесват в бензинови двигатели без модификация на двигателя.

Въпреки че метанолът е значително по-евтин, намаляването на пробега на газ отменя ефективността на разходите. Също така е трудно да се отстрани водата от метанола и това може да корозира маркучите и уплътненията на двигателя.

Основната дефиниция на биобутанол е безцветно течно гориво, произведено от определени растения, най-вече царевица. Основният състав на бутанола се състои от въглерод, водород и кислород. Това е четиривъглероден алкохол (бутилов алкохол) с химическа формула С₄Н₁₀О.

Биобутанолът се получава предимно от ферментацията на царевична суровина. При ферментацията на прости захари от суровина се получават бутанол, етанол и ацетон. Разделянето на тези странични продукти увеличава производствените разходи, въпреки че всяко преработвателно предприятие, което произвежда етанол, може да произвежда и бутанол.

Биобутанолът е по-малко корозивен и осигурява близо 25 процента повече енергия от етанола и може да се смесва с бензин, за да помогне за намаляване на парниковите газове. Бутанолът може да се смесва с бензин преди транспортиране, докато етанолът трябва да се транспортира отделно и да се смесва на изхода за гориво.

Биобутанолът осигурява по-малко енергия от бензина, но има значително по-малко токсични съединения при изгаряне. Всяка кола, която работи на бензин, може да работи със смес от биобутанол. Повечето производители на автомобили ще приемат смес от биобутанол с бензин до 15 процента, без модификации на двигателя.

Основната дефиниция на биогориво за водорасли е светлозелено течно гориво, направено от водорасли. Подобно на растенията, водораслите превръщат слънчевата светлина в енергия чрез фотосинтеза. Има над 100 000 генетично разнообразни щамове водорасли, от малки протозои в езера до големи водорасли в океана.

Водораслите имат висока концентрация на липиди или мастни, съдържащи масло молекули. Тези липиди трябва да бъдат извлечени и могат да бъдат превърнати в биогориво. Има много видове водорасли, но общата химическа формула на биогоривата на водорасли е С₁₀₆Н₂₆₃О₁₁₀н₁₆.

Хлорелата и спирулината са по-подходящи за биосинтеза от другите водорасли, но генетично модифицирани водораслите създават организми с по-високо съдържание на липиди, което може да увеличи енергийния добив с до 40 процента.

Водораслите могат да се отглеждат в големи открити езера или подобни на басейна системи. Системите със затворен контур не са отворени за въздуха и трябва да се изпомпва въглероден диоксид. Използване на CO₂ от димните кутии могат да рециклират отпадъчния продукт от един процес за гориво на друг. Растежът на водораслите е изобилен и продуктът може да се събира средно на всеки пет дни.

За да се отделят липидите, водораслите трябва да бъдат сух прах. Често изсушаването на водорасли отнема повече енергия, отколкото енергията, която би осигурило горивото при изгаряне като използваемо гориво. Разработва се нова технология, която прескача процеса на сушене и има водорасли в състояние на течна суспензия, докато струи от разтворител извличат липидите.

Подобно на растителното масло, водораслите съдържат липиди и водорасловото гориво може да се превърне в биодизел. Може да се използва във всеки дизелов двигател.

Могат да се създадат смеси, вариращи от B5, 5% биогориво в 95% дизел, до B50, 50% биогориво и 50% дизел. Сместа B30 е малко по-ефективна от дизеловото гориво в едно проучване, а в други проучвания - CO₂ емисиите са по-високи, отколкото при изкопаемите горива.

Биогоривото се нуждае от растежа на растенията като своя основа. В свят на постоянно нарастващо население - очаква се да достигне 9,6 милиарда до 2050 г. - използването на плодородна земя за отглеждане на растения за гориво може да не е в интерес на хората. Ако обаче се използват райони с опорочена земя, като изоставени земеделски земи, това би компенсирало тази загриженост.

От изброените биогорива биодизелът е най-демократичният. Потребителят би могъл, с евтино стартиране и пространство, да създаде биогориво в задния си двор. Използваното олио за готвене може да се събере от местните ресторанти, да се филтрира и след това да се постави в контейнер за трансестерификация.

Цената на биогоривата остава висока в сравнение с изкопаемите горива. Това обаче се дължи и на държавните субсидии за изкопаеми горива. Субсидиите за изкопаеми горива в САЩ могат да бъдат от порядъка на трилиони долари годишно. Ако възобновяемите горива се субсидират по този темп, производствените разходи могат да бъдат намалени и възобновяемите биогорива биха могли да се конкурират с изкопаемите горива.