Základní složení biopaliva

Jedním z mnoha řešení, která pomáhají omezovat globální oteplování, je najít alternativní zdroje energie. Solární panely a větrné turbíny mohou podporovat globální potřeby elektřiny, včetně elektromobilů, ale aktuální spoléhání se na fosilní paliva pro pohon automobilů, nákladních automobilů, letadel, generátorů a dalších motorů řešit. Biopalivo, jako je bionafta, používá kapalné palivo vyrobené z rostlinného materiálu, které může nahradit spalování fosilních paliv.

Fosilní paliva jsou odvozeny z nerafinované ropy. Tato ropa je látka vytvořená ze zbytků rostlinného a živočišného života, která je po miliony let držena pod obrovským tlakem.

Tři hlavní typy fosilních paliv jsou ropa, uhlí a zemní plyn, z nichž žádný není obnovitelný. To znamená, že fosilní paliva, která dnes existují, mohou být jednoho dne vyčerpána. V rámci přípravy na příchod vyčerpání fosilních paliv byla a jsou vytvářena biopaliva.

Biopaliva jsou odvozeny z živého nebo nedávno žijícího rostlinného materiálu, jako je kukuřice nebo trávník, vytrvalá tráva, která může dorůst do výšky 8 stop až 10 stop. Tento sypký materiál se nazývá biomasa a je považován za obnovitelný zdroj energie, protože rostlinný materiál může být znovu pěstován.

Spalování fosilních paliv produkuje oxid uhličitý a je známo, že tento extra oxid uhličitý zvyšuje přirozený skleníkový efekt zemské atmosféry.

Stručně řečeno, skleníkový efekt je sluneční energie, která se dostává na Zemi, zahřívá ji a poté znovu vyzařuje do atmosféry. Skleníkové plyny, jako je oxid uhličitý nebo metan, tuto energii absorbují a část z nich znovu vyzařují zpět na Zemi. To pomáhá ohřát atmosféru na průměrnou globální teplotu asi 16 stupňů Celsia (59 stupňů Fahrenheita), která je schopná podporovat život.

Fosilní paliva urychlují skleníkový efekt umístěním více oxidu uhličitého do atmosféry, což zvyšuje teplotu planety, což je účinek známý jako globální oteplování. Tento teplotní posun může způsobit změnu klimatu, protože obvyklé klima Země se stává nevyváženým.

Při spalování biopaliv se také vyrábí oxid uhličitý, malé množství oxidu uhelnatého a další částice, stejně jako fosilní paliva. Rozdíl není ani tak v obsahu spalování, ale v tom, že biomasa při svém nedávném růstu využívala během fotosyntézy atmosférický oxid uhličitý.

Předpokládá se, že spálené biopalivo nahradí původní oxid uhličitý přijatý fotosyntézou. Proto, biopaliva jsou považovány za mít čistou emise oxidu uhličitého nulovou po celou dobu jejich životnosti.

Fosilní paliva sestávají z uhlovodíků v řetězové i aromatické formě, ale biopalivo sestává z uhlovodíkových řetězců s připojenými kyslíkovými skupinami. Jejich chemické složení může zahrnovat kyseliny, alkoholy a estery.

Biopalivo představuje spíše přechodný přístup k nulovým emisím uhlíku, protože spalování biomasy stále produkuje oxid uhličitý, částice a přidaný kyslík, mohou dokonce při spalování vytvářet toxiny, jako je formaldehyd proces.

Biopalivo má generace. První generací výroby biopaliv je palivo založené na rostlinných plodinách, jako je kukuřice nebo cukrová třtina. Druhá generace pochází ze živočišného nebo rostlinného odpadu a třetí generace biopaliva pochází z řas.

Existují různé typy biopaliv a mnoho z nich se v současné době používá ve směsích s benziny nebo naftou z fosilních paliv. Níže jsou uvedena běžně používaná biopaliva a jejich definice, složení, výroba a použití.

Základní definice bionafty je palivo zlaté až tmavě hnědé barvy určené jako náhrada za naftu. Složení bionafty je většinou triglyceridy, které jsou klasifikovány jako estery. Estery se zpracovávají transesterifikací. Biologické oleje z rostlinných a živočišných tuků - to zahrnuje použité oleje z vaření - reagují s alkoholy s krátkým řetězcem a katalyzátorem za zahřátí.

Tranesterifikace převádí estery, mastné kyseliny s dlouhým řetězcem, na bionaftu a glycerin. I když jde o směs, základní chemický vzorec bionafty je C₁₇H₃₄Ó₂, s esterovou skupinou –CO₂CH₃ na konci dlouhého uhlíkového řetězce.

Biodiesely se používají v motorech určených pro naftu. Bionafta produkuje při spalování méně síry, ale dodává méně energie než nafta na bázi ropy. K použití bionafty jsou nutné minimální úpravy motoru; obvykle pouze instalace hadic a těsnění ze syntetického kaučuku do palivového systému, protože biopalivo degraduje přírodní kaučuk.

Při nízkých teplotách je vysoká koncentrace biopaliva příliš viskózní na to, aby fungovala v motoru, a nebyla by vhodné pro teploty pod 13 stupňů Celsia (55 stupňů Fahrenheita), protože může dojít ke korozi částí motoru nastat. Směsi méně než 20 procent biopaliva a 80 nebo více procent nafty obcházejí tento problém viskozity.

Bionaftu lze zakoupit na určitých čerpacích stanicích a běžně se distribuuje jako B100, 100% biopalivo nebo B20, což je směs 20% biopaliva a 80% nafty. Počet najetých plynů klesá nad B20 u bionafty. Toto snížení zruší jakýkoli zisk, který má nafta nad benzínem, zejména při jízdě vyšší rychlostí.

Základní definice ethanolu je bezbarvá kapalina vyrobená přirozenou fermentací cukrů. Ethanol se skládá z uhlíku, vodíku a hydroxidové skupiny a pochází z kukuřice, cukrové řepy a cukrové třtiny. Použitý proces je fermentace. Ekonomičtějším postupem je drcení kukuřice na mouku podobnou konzistenci před kvašením.

Po fermentačním procesu se ethanol destiluje (čistí) na vysokou koncentraci. Chemický vzorec pro molekulu ethanolu je C.₂H₅ACH.

Ethanol lze použít v motorech určených pro benzín. Jakékoli vozidlo prodávané ve Spojených státech může být poháněno směsí 10 procent ethanolu a 90 procent bezolovnatého benzínu. Většina nyní prodávaného benzínu je smíchána s ethanolem.

Ethanol pomáhá úplnějšímu spalování benzínu; to zvyšuje energetický výnos, ale má potenciál přispívat do životního prostředí více smogových znečišťujících látek.

Základní definicí methanolu je bezbarvá kapalina destilovaná z rostlinného materiálu nebo oxidací metanu. Methanol se skládá z uhlíku, vodíku a hydroxidu. Je to nejjednodušší z alkoholů s chemickým vzorcem CH₃ACH. Výroba metanolu je levnější než ethanolu a lze ji odvodit z jakéhokoli rostlinného materiálu nebo z emisí skládkového plynu nebo elektráren.

Methanol se vyrábí syntézní reakcí oxidu uhelnatého a vodíku. Tyto komponenty mohou být generovány spalováním uhlí, plynu nebo biomasy. Využití odpadního produktu z jednoho procesu, jako jsou plyny ze spalování uhlí, pro počáteční produkty jiného Proces, jako je tvorba methanolu, je průmyslová recyklace a sníží uvolňování znečišťujících látek do EU atmosféra.

Metanol lze použít v benzínových motorech. Mezi výhody používání methanolu jako paliva patří menší objem toxinů a částic ze spalování než benzín. V benzinových motorech lze míchat až 15 procent objemových methanolu bez jakékoli úpravy motoru.

Ačkoli je metanol výrazně levnější, snižování počtu ujetých kilometrů plynu ruší nákladovou efektivitu. Je také obtížné odstranit vodu z methanolu, což může způsobit korozi hadic a těsnění motoru.

Základní definicí biobutanolu je bezbarvé kapalné palivo vyrobené z určitých rostlin, většinou kukuřice. Základní složení butanolu se skládá z uhlíku, vodíku a kyslíku. Je to čtyřuhlíkový alkohol (butylalkohol) s chemickým vzorcem C₄H₁₀Ó.

Biobutanol se primárně získává fermentací kukuřičné suroviny. Při fermentaci jednoduchých cukrů ze suroviny se vyrábí butanol, ethanol a aceton. Oddělení těchto vedlejších produktů zvyšuje výrobní náklady, ačkoli jakýkoli zpracovatelský závod, který vyrábí ethanol, může také vyrábět butanol.

Biobutanol je méně korozivní a poskytuje téměř o 25 procent více energie než ethanol a lze jej smíchat s benzínem, který pomáhá snižovat skleníkové plyny. Butanol může být před přepravou smíchán s benzínem, zatímco ethanol musí být přepravován samostatně a smíchán na výstupu paliva.

Biobutanol poskytuje méně energie než benzín, ale při spalování má podstatně méně toxických sloučenin. Každé auto, které pracuje na benzín, může běžet na směs biobutanolu. Většina výrobců automobilů přijme směs biobutanolu s benzínem až do 15 procent bez jakýchkoli úprav motoru.

Základní definicí řasového biopaliva je světle zelené kapalné palivo vyrobené z řas. Stejně jako rostliny, řasy přeměňují sluneční světlo na energii fotosyntézou. Existuje více než 100 000 geneticky rozmanitých kmenů řas, od malých prvoků v rybnících až po velké řasy v oceánu.

Řasy mají vysokou koncentraci lipidů nebo mastných molekul obsahujících olej. Tyto lipidy je třeba extrahovat a lze je přeměnit na biopalivo. Existuje mnoho druhů řas, ale obecný chemický vzorec řasového biopaliva je C.₁₀₆H₂₆₃Ó₁₁₀N₁₆.

Chlorella a spirulina jsou pro biosyntézu vhodnější než jiné řasy, ale geneticky modifikované řasy vytvářejí organismy s vyšším obsahem lipidů, které by mohly zvýšit energetický výnos až o 40 procent.

Řasy lze pěstovat ve velkých otevřených rybnících nebo systémech podobných bazénu. Systémy uzavřené smyčky nejsou otevřeny do vzduchu a musí být čerpán oxid uhličitý. Pomocí CO₂ z komínů může recyklovat odpadní produkt z jednoho procesu na palivo jiného. Růst řas je bohatý a produkt lze shromažďovat v průměru každých pět dní.

Pro oddělení lipidů musí být řasy suchým práškem. Sušení řas často vyžaduje více energie než energie, kterou by palivo poskytlo, pokud by bylo spalováno jako použitelné palivo. Vyvíjí se nová technologie, která přeskakuje proces sušení a má řasy ve stavu kapalné suspenze, zatímco trysky rozpouštědla extrahují lipidy.

Stejně jako rostlinný olej obsahují řasy lipidy a řasové palivo lze přeměnit na bionaftu. Může být použit v jakémkoli vznětovém motoru.

Lze vytvořit směsi, které se pohybují od B5, 5% biopaliva v 95% nafty, po B50, 50% biopaliva a 50% nafty. Směs B30 byla v jedné studii o něco účinnější než motorová nafta a v jiných studiích CO₂ emise byly vyšší než u fosilních paliv.

Biopalivo jako základ potřebuje růst rostlin. Ve světě stále rostoucí populace - očekává se, že do roku 2050 dosáhne 9,6 miliardy - nemusí být využití úrodné půdy k pěstování rostlin na palivo v nejlepším zájmu lidí. Pokud by se však využily oblasti znehodnocené půdy, například opuštěné zemědělské půdy, vyrovnalo by to obavy.

Z uvedených biopaliv je nejdemokratičtější bionafta. Spotřebitel by mohl s levným start-upem a prostorem vytvořit biopalivo ve své zahradě. Použitý kuchyňský olej lze sbírat v místních restauracích, filtrovat a poté vložit do nádoby pro transesterifikaci.

Náklady na biopaliva zůstávají vysoké ve srovnání s fosilními palivy. Je to však také z důvodu vládních dotací na fosilní paliva. Dotace na fosilní paliva ve Spojených státech se mohou pohybovat v řádu bilionů dolarů ročně. Pokud by obnovitelná paliva byla dotována tímto tempem, mohly by se snížit výrobní náklady a obnovitelná biopaliva by mohla konkurovat fosilním palivům.