Grundlæggende sammensætning af biobrændstof

En af mange løsninger til at dæmme op for den globale opvarmning er at finde alternative energikilder. Solpaneler og vindmøller kan understøtte globale elbehov, inklusive elbiler, men den nuværende afhængighed af fossile brændstoffer til at drive biler, lastbiler, fly, generatorer og andre motorer skal være adresseret. Biobrændstof såsom biodiesel bruger et flydende brændstof skabt af plantemateriale, der kan erstatte afbrænding af fossile brændstoffer.

Fossile brændstoffer stammer fra uraffineret råolie. Denne råolie er et stof dannet af resterne af plante- og dyreliv, der har været holdt under et enormt pres i millioner af år.

De tre hovedtyper af fossile brændstoffer er olie, kul og naturgas, hvoraf ingen er vedvarende. Dette betyder, at de fossile brændstoffer, der findes i dag, måske en dag er opbrugt. For at forberede sig på udtømningen af ​​fossile brændstoffer er der blevet og er ved at blive biobrændstoffer skabt.

Biobrændstoffer stammer fra levende eller nyligt levende plantemateriale som majs eller switchgrass, et flerårigt græs, der kan vokse 8 fod til 10 fod højt. Dette bulkmateriale kaldes biomasse og betragtes som en vedvarende energikilde, da plantematerialet kan genudvides.

Afbrænding af fossile brændstoffer producerer kuldioxid, og denne ekstra kuldioxid har længe været kendt for at øge den naturlige drivhuseffekt af jordens atmosfære.

Kort fortalt er drivhuseffekten solens energi, der når jorden, opvarmes og derefter stråles ud i atmosfæren. Drivhusgasser som kuldioxid eller metan absorberer denne energi og udstråler noget af den tilbage til jorden. Dette hjælper med at opvarme atmosfæren til en gennemsnitlig global temperatur på ca. 16 grader Celsius (59 grader Fahrenheit), der er i stand til at understøtte livet.

Fossile brændstoffer fremskynder drivhuseffekten ved at placere mere kuldioxid i atmosfæren, og dette hæver temperaturen på planeten, en effekt kendt som global opvarmning. Dette temperaturskift kan forårsage klimaændringer, da Jordens sædvanlige klima bliver ubalanceret.

Brændende biobrændstoffer producerer også kuldioxid, små mængder kulilte og andre partikler, ligesom fossile brændstoffer gør. Forskellen er ikke så meget i forbrændingsindholdet, men at biomassen i deres nylige vækst brugte atmosfærisk kuldioxid under fotosyntese.

Antagelsen er, at det brændte biobrændstof erstatter den originale kuldioxid, der er optaget ved fotosyntese. Derfor, biobrændstoffer betragtes som har en netto kuldioxidemission på nul over deres levetid.

Fossile brændstoffer består af kulbrinter i både kæde- og aromatiske former, men biobrændstof består af carbonhydridkæder med tilknyttede iltgrupper. Deres kemiske sammensætning kan omfatte syrer, alkoholer og estere.

Biobrændstof er mere en overgangstilgang til nul kulstofemissioner, da forbrænding af biomasse stadig producerer kuldioxid, partikler og med tilsat ilt, kan endda skabe toksiner såsom formaldehyd i forbrændingen behandle.

Biobrændstof har generationer. Den første generation af biobrændstofproduktion er brændstof baseret på planteafgrøder som majs eller sukkerrør. Anden generation stammer fra animalsk eller vegetabilsk affald, og den tredje generation af biobrændstof stammer fra alger.

Der findes forskellige typer biobrændstoffer, og mange bruges i øjeblikket i blandinger med de fossile brændstoffer benzin eller diesel. Nedenfor er almindelige biobrændstoffer, der i øjeblikket er i brug, og deres definitioner, sammensætning og produktion og anvendelser.

Den grundlæggende definition af biodiesel er et brændstof med gylden til mørk brun farve beregnet som erstatning for diesel. Sammensætningen af ​​biodiesel er for det meste triglycerider, der er klassificeret som estere. Estrene behandles ved transesterificering. Biologiske olier fra vegetabilske og animalske fedtstoffer - dette inkluderer brugte olier fra madlavning - reagerer med kortkædede alkoholer og en katalysator under opvarmede forhold.

Tranesterificering omdanner estere, langkædede fedtsyrer til biodiesel og glycerin. Selvom en blanding er den grundlæggende kemiske formel for biodiesel C₁₇H₃₄O₂, med estergruppen –CO₂CH₃ i slutningen af ​​den lange kulstofkæde.

Biodiesler bruges i motorer designet til dieselolie. Biodiesel producerer mindre svovl i forbrændingsprocessen, men leverer mindre energi end oliebaseret diesel. Der kræves minimale motorændringer for at bruge biodiesel; normalt kun installation af slanger og tætninger af syntetisk gummi i brændstofsystemet, når biobrændstoffet nedbryder naturgummi.

Ved lave temperaturer bliver en høj koncentration af biobrændstof for tyktflydende til at arbejde i en motor og ville det ikke være egnet til temperaturer under 13 grader Celsius (55 grader Fahrenheit), da korrosion af motordele kan være forekomme. Blandinger på mindre end 20 procent biobrændstof og 80 eller flere procent diesel omgiver denne viskositetsbekymring.

Biodiesel kan købes på visse brændstofstationer og distribueres almindeligvis som B100, 100 procent biobrændstof eller B20, en blanding af 20 procent biobrændstof og 80 procent diesel. Gas kilometertal falder over en B20-vurdering af biodiesel. Dette fald annullerer enhver gevinst, som diesel har over benzin, især når man kører med højere hastigheder.

Den grundlæggende ethanoldefinition er en farveløs væske produceret ved naturlig gæring af sukker. Ethanol består af kulstof, brint og en hydroxidgruppe, og den stammer fra majs, sukkerroer og sukkerrør. Den anvendte proces er gæring. Den mere økonomiske proces er at male majsen til mellignende konsistens inden gæring.

Efter fermenteringsprocessen destilleres (oprenses) ethanolen til en høj koncentration. Den kemiske formel for ethanolmolekylet er C₂H₅OH.

Ethanol kan bruges i motorer designet til benzin. Ethvert køretøj, der sælges i USA, kan køre på en blanding af 10 procent ethanol og 90 procent blyfri benzin. De fleste benzin, der sælges nu, blandes med ethanol.

Ethanol hjælper benzin med at brænde mere fuldstændigt; dette øger energiudbyttet, men det har potentialet til at bidrage med mere smogforurenende stoffer i miljøet.

Den grundlæggende methanol-definition er en farveløs væske destilleret fra plantemateriale eller ved oxiderende metan. Methanol består af kulstof, brint og et hydroxid. Det er den enkleste af alkoholer med en kemisk formel CH₃OH. Methanol er billigere at producere end ethanol og kan stamme fra ethvert plantemateriale eller fra lossepladsgas eller kraftværksemissioner.

Methanol produceres gennem en syntesereaktion af kulilte og brint. Disse komponenter kan genereres ved forbrænding af kul, gas eller biomasse. Brug af affaldsproduktet fra en proces, ligesom gasserne fra forbrænding af kul, til startprodukterne til en anden processen er, ligesom skabelsen af ​​methanol, industriel genanvendelse og vil reducere frigivelsen af ​​forurenende stoffer i EU stemning.

Methanol kan bruges i benzindrevne motorer. Fordelene ved at bruge methanol som brændstof inkluderer et lavere volumen toksiner og partikler fra forbrænding end benzin. Op til 15 procent volumen methanol kan blandes i benzinmotorer uden nogen modifikation af motoren.

Selvom methanol er betydeligt billigere, annullerer reduktionen i gas kilometertal omkostningseffektiviteten. Det er også vanskeligt at fjerne vand fra methanol, og dette kan korrodere motorslanger og tætninger.

Den grundlæggende definition af biobutanol er et farveløst flydende brændstof fremstillet af visse planter, hovedsagelig majs. Den basale sammensætning af butanol består af kulstof, brint og ilt. Det er en 4-carbonalkohol (butylalkohol) med en kemisk formel C₄H₁₀O.

Biobutanol stammer primært fra gæring af majsråmateriale. I fermenteringen af ​​enkle sukkerarter fra råmaterialet produceres butanol, ethanol og acetone. Adskillelsen af ​​disse biprodukter øger produktionsomkostningerne, selvom ethvert forarbejdningsanlæg, der producerer ethanol, også kan producere butanol.

Biobutanol er mindre ætsende og giver næsten 25 procent mere energi end ethanol og kan blandes med benzin for at reducere drivhusgasser. Butanol kan blandes med benzin inden transport, mens ethanol skal transporteres separat og blandes ved brændstofudløbet.

Biobutanol giver mindre energi end benzin, men har betydeligt færre giftige forbindelser ved forbrænding. Enhver bil, der kører på benzin, kan køre på en biobutanolblanding. De fleste bilproducenter accepterer en biobutanolblanding med benzin op til 15 procent uden ændringer af motoren.

Den grundlæggende definition af biobrændstof for alger er et lysegrønt flydende brændstof fremstillet af alger. Ligesom planter omdanner alger sollys til energi ved fotosyntese. Der er over 100.000 genetisk forskellige algerstammer, fra bittesmå protozoer i damme til store tang i havet.

Alger har en høj koncentration af lipider eller fede, olieholdige molekyler. Disse lipider skal ekstraheres og kan omdannes til biobrændstof. Der er mange typer alger, men en generel kemisk formel for biobrændstof for alger er C₁₀₆H₂₆₃O₁₁₀N₁₆.

Chlorella og spirulina er mere velegnede til biosyntese end andre alger, men genetisk modificerede alger skaber organismer med et højere lipidindhold, der kan øge energiudbyttet med op til 40 procent.

Alger kan dyrkes i store åbne damme eller pool-lignende systemer. Systemer med lukket sløjfe er ikke åbne for luften, og kuldioxid skal pumpes ind. Brug af CO₂ fra røgstabler kan genbruge affaldsprodukt fra en proces til brændstof til en anden. Algevækst er rigelig, og produktet kan indsamles i gennemsnit hver femte dag.

For at adskille lipiderne skal algerne være et tørt pulver. Ofte tager tørring af alger mere energi end den energi, brændstoffet ville give, når det forbrændes som et anvendeligt brændstof. Der udvikles ny teknologi, der springer over tørringsprocessen og har alger i flydende suspension, mens stråler med opløsningsmiddel ekstraherer lipiderne.

Ligesom vegetabilsk olie indeholder alger lipider, og algenbrændstof kan omdannes til biodiesel. Det kan bruges i enhver dieselmotor.

Blandinger kan oprettes, der spænder fra B5, en 5 procent biobrændstof i 95 procent diesel, til B50, 50 procent biobrændstof og 50 procent diesel. B30-blandingen var lidt mere effektiv end diesel i en undersøgelse og i andre undersøgelser CO₂ emissionerne var højere end for fossile brændstoffer.

Biobrændstof har brug for plantevækst som base. I en verden med stadigt stigende befolkning - forventes at nå 9,6 milliarder i 2050 - ved at bruge frugtbar jord til at dyrke planter til brændstof er det måske ikke i menneskers bedste interesse. Men hvis der blev brugt områder med nedbrydet jord, såsom forladte landbrugsjord, ville det opveje denne bekymring.

Af de nævnte biobrændstoffer er biodiesel den mest demokratiske. En forbruger kunne med en billig opstart og plads skabe biobrændstof i deres baghave. Brugt madolie kunne opsamles fra lokale restauranter, filtreres og derefter placeres i en beholder til omesterificering.

Omkostningerne ved biobrændstoffer er fortsat høje sammenlignet med fossile brændstoffer. Dette skyldes dog også statsstøtte til fossile brændstoffer. Fossile brændstofsubsidier i USA kan være i størrelsesordenen billioner dollars om året. Hvis vedvarende brændstoffer blev subsidieret i denne takt, kunne produktionsomkostningerne sænkes, og vedvarende biobrændstoffer kunne konkurrere med fossile brændstoffer.