Grundzusammensetzung von Biokraftstoff

Eine von vielen Lösungen zur Eindämmung der globalen Erwärmung besteht darin, alternative Energiequellen zu finden. Sonnenkollektoren und Windturbinen können den weltweiten Strombedarf decken, einschließlich Elektroautos, aber der Strom Die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zum Antrieb von Autos, Lastwagen, Flugzeugen, Generatoren und anderen Motoren muss angesprochen. Biokraftstoffe wie Biodiesel verwenden einen flüssigen Kraftstoff, der aus Pflanzenmaterial hergestellt wird und die Verbrennung fossiler Kraftstoffe ersetzen kann.

Fossile Brennstoffe werden aus unraffiniertem Erdöl gewonnen. Dieses Rohöl ist eine Substanz, die aus den Überresten von Pflanzen und Tieren gebildet wird und seit Jahrmillionen einem enormen Druck ausgesetzt ist.

Die drei wichtigsten Arten fossiler Brennstoffe sind Erdöl, Kohle und Erdgas, von denen keiner erneuerbar ist. Dies bedeutet, dass die heute vorhandenen fossilen Brennstoffe eines Tages möglicherweise erschöpft sind. Um sich auf den bevorstehenden Verbrauch fossiler Brennstoffe vorzubereiten, wurden und werden Biokraftstoffe geschaffen.

Biokraftstoffe werden aus lebendem oder kürzlich lebendem Pflanzenmaterial wie Mais oder Switchgrass gewonnen, einem mehrjährigen Gras, das 2,40 bis 3,50 Meter hoch werden kann. Dieses Schüttgut wird Biomasse genannt und gilt als erneuerbare Energiequelle, da das Pflanzenmaterial nachwachsen kann.

Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entsteht Kohlendioxid, und dieses zusätzliche Kohlendioxid ist seit langem dafür bekannt, den natürlichen Treibhauseffekt der Erdatmosphäre zu verstärken.

Kurz gesagt, der Treibhauseffekt ist die Energie der Sonne, die die Erde erreicht, sie erwärmt und dann wieder in die Atmosphäre abgestrahlt wird. Treibhausgase wie Kohlendioxid oder Methan absorbieren diese Energie und strahlen einen Teil davon zur Erde zurück. Dies trägt dazu bei, die Atmosphäre auf eine durchschnittliche globale Temperatur von etwa 16 Grad Celsius (59 Grad Fahrenheit) zu erwärmen, die das Leben unterstützen kann.

Fossile Brennstoffe beschleunigen den Treibhauseffekt indem mehr Kohlendioxid in die Atmosphäre eingebracht wird und dies die Temperatur des Planeten erhöht, ein Effekt, der als bekannt ist Erderwärmung. Diese Temperaturverschiebung kann zu einem Klimawandel führen, da das übliche Klima der Erde aus dem Gleichgewicht gerät.

Bei der Verbrennung von Biokraftstoffen entstehen ebenso wie bei fossilen Kraftstoffen Kohlendioxid, geringe Mengen Kohlenmonoxid und andere Partikel. Der Unterschied liegt nicht so sehr im Verbrennungsinhalt, sondern darin, dass die Biomasse bei ihrem jüngsten Wachstum atmosphärisches Kohlendioxid während der Photosynthese verwendet.

Es wird davon ausgegangen, dass der verbrannte Biokraftstoff das ursprünglich durch die Photosynthese aufgenommene Kohlendioxid ersetzt. Deshalb, Biokraftstoffe gelten als haben eine Netto-Kohlendioxid-Emission von null über ihre Lebensdauer.

Fossile Brennstoffe bestehen aus Kohlenwasserstoffen sowohl in Ketten- als auch in aromatischer Form, aber Biokraftstoffe bestehen aus Kohlenwasserstoffketten mit angehängten Sauerstoffgruppen. Ihre chemische Zusammensetzung kann Säuren, Alkohole und Ester enthalten.

Biokraftstoff ist eher ein Übergangsansatz zu Null-Kohlenstoff-Emissionen, da die Verbrennung von Biomasse immer noch produziert Kohlendioxid, Partikel und mit dem hinzugefügten Sauerstoff können sogar Giftstoffe wie Formaldehyd bei der Verbrennung entstehen Prozess.

Biokraftstoff hat Generationen. Die erste Generation der Biokraftstoffproduktion ist Kraftstoff auf Basis von Pflanzenkulturen wie Mais oder Zuckerrohr. Die zweite Generation stammt aus tierischen oder pflanzlichen Abfällen und der Biokraftstoff der dritten Generation wird aus Algen gewonnen.

Es gibt verschiedene Arten von Biokraftstoffen, von denen viele derzeit in Mischungen mit den fossilen Kraftstoffen Benzin oder Diesel verwendet werden. Im Folgenden sind gebräuchliche Biokraftstoffe, die derzeit verwendet werden, und ihre Definitionen, Zusammensetzung, Herstellung und Verwendung aufgeführt.

Die grundlegende Definition von Biodiesel ist ein Kraftstoff mit goldener bis dunkelbrauner Farbe, der als Ersatz für Diesel gedacht ist. Biodiesel besteht hauptsächlich aus Triglyceriden, die als Ester klassifiziert werden. Die Ester werden durch Umesterung verarbeitet. Biologische Öle aus pflanzlichen und tierischen Fetten – dazu gehören auch Altöle aus der Küche – reagieren unter Erhitzen mit kurzkettigen Alkoholen und einem Katalysator.

Die Umesterung wandelt die Ester, die langkettigen Fettsäuren, in Biodiesel und Glycerin um. Obwohl es sich um eine Mischung handelt, lautet die chemische Grundformel von Biodiesel C₁₇H₃₄Ö₂, mit der Estergruppe –CO₂CH₃ am Ende der langen Kohlenstoffkette.

Biodiesel werden in Motoren verwendet, die für Dieselkraftstoff ausgelegt sind. Biodiesel produziert bei der Verbrennung weniger Schwefel, liefert aber weniger Energie als Diesel auf Erdölbasis. Für die Verwendung von Biodiesel sind minimale Motormodifikationen erforderlich; meist nur der Einbau von Synthesekautschukschläuchen und -dichtungen in das Kraftstoffsystem, da der Biokraftstoff Naturkautschuk abbaut.

Bei niedrigen Temperaturen wird eine hohe Konzentration von Biokraftstoff zu viskos, um in einem Motor zu arbeiten und wäre nicht geeignet für Temperaturen unter 13 Grad Celsius (55 Grad Fahrenheit), da Korrosion an Motorteilen möglich ist auftreten. Mischungen aus weniger als 20 Prozent Biokraftstoff und 80 oder mehr Prozent Diesel umgehen dieses Viskositätsproblem.

Biodiesel kann an bestimmten Tankstellen gekauft werden und wird üblicherweise als B100, 100 Prozent Biokraftstoff oder B20, eine Mischung aus 20 Prozent Biokraftstoff und 80 Prozent Diesel, vertrieben. Der Benzinverbrauch sinkt ab einer B20-Einstufung von Biodiesel. Diese Verringerung macht jeglichen Vorteil, den Diesel gegenüber Benzin hat, zunichte, insbesondere wenn Sie mit höheren Geschwindigkeiten fahren.

Die grundlegende Definition von Ethanol ist eine farblose Flüssigkeit, die durch die natürliche Fermentation von Zuckern hergestellt wird. Ethanol besteht aus Kohlenstoff, Wasserstoff und einer Hydroxidgruppe und wird aus Mais, Zuckerrüben und Zuckerrohr gewonnen. Das verwendete Verfahren ist die Fermentation. Das wirtschaftlichere Verfahren besteht darin, den Mais vor der Fermentation zu mehlähnlicher Konsistenz zu mahlen.

Nach dem Fermentationsprozess wird das Ethanol auf eine hohe Konzentration destilliert (gereinigt). Die chemische Formel für das Ethanolmolekül ist C₂H₅OH.

Ethanol kann in Motoren verwendet werden, die für Benzin ausgelegt sind. Jedes in den USA verkaufte Fahrzeug kann mit einer Mischung aus 10 Prozent Ethanol und 90 Prozent bleifreiem Benzin betrieben werden. Das meiste verkaufte Benzin wird heute mit Ethanol gemischt.

Ethanol hilft dabei, Benzin vollständiger zu verbrennen; Dies steigert die Energieausbeute, hat aber das Potenzial, mehr Smog-Schadstoffe in die Umwelt einzubringen.

Die grundlegende Definition von Methanol ist eine farblose Flüssigkeit, die aus Pflanzenmaterial oder durch Oxidation von Methan destilliert wird. Methanol besteht aus Kohlenstoff, Wasserstoff und einem Hydroxid. Es ist der einfachste Alkohol mit der chemischen Formel CH₃OH. Methanol ist kostengünstiger in der Herstellung als Ethanol und kann aus jedem Pflanzenmaterial oder aus Deponiegas oder Kraftwerksemissionen gewonnen werden.

Methanol wird durch eine Synthesereaktion von Kohlenmonoxid und Wasserstoff hergestellt. Diese Komponenten können durch die Verbrennung von Kohle, Gas oder Biomasse erzeugt werden. Nutzung des Abfallprodukts eines Prozesses, wie die Gase aus der Kohleverbrennung, für die Ausgangsprodukte eines anderen Prozess, wie die Herstellung von Methanol, ist ein industrielles Recycling und wird die Freisetzung von Schadstoffen in den Atmosphäre.

Methanol kann in benzinbetriebenen Motoren verwendet werden. Die Vorteile der Verwendung von Methanol als Kraftstoff umfassen eine geringere Menge an Giftstoffen und Partikeln aus der Verbrennung als Benzin. Bis zu 15 Volumenprozent Methanol können ohne Motormodifikation in Ottomotoren eingemischt werden.

Obwohl Methanol deutlich günstiger ist, macht die Reduzierung des Benzinverbrauchs die Wirtschaftlichkeit zunichte. Außerdem ist es schwierig, Wasser aus Methanol zu entfernen, und dies kann Motorschläuche und -dichtungen angreifen.

Die grundlegende Definition von Biobutanol ist ein farbloser flüssiger Brennstoff, der aus bestimmten Pflanzen, hauptsächlich Mais, hergestellt wird. Die Grundzusammensetzung von Butanol besteht aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. Es ist ein Vier-Kohlenstoff-Alkohol (Butylalkohol) mit der chemischen Formel C₄H₁₀Ö.

Biobutanol wird hauptsächlich aus der Fermentation von Maisrohstoffen gewonnen. Bei der Fermentation von Einfachzuckern aus Rohstoffen entstehen Butanol, Ethanol und Aceton. Die Abtrennung dieser Nebenprodukte erhöht die Produktionskosten, obwohl jede Verarbeitungsanlage, die Ethanol produziert, auch Butanol herstellen kann.

Biobutanol ist weniger korrosiv und liefert fast 25 Prozent mehr Energie als Ethanol und kann mit Benzin gemischt werden, um zur Reduzierung von Treibhausgasen beizutragen. Butanol kann vor dem Transport mit Benzin gemischt werden, während Ethanol separat transportiert und am Kraftstoffauslass gemischt werden muss.

Biobutanol liefert weniger Energie als Benzin, weist aber bei der Verbrennung deutlich weniger giftige Verbindungen auf. Jedes Auto, das mit Benzin betrieben wird, kann mit einem Biobutanol-Gemisch betrieben werden. Die meisten Autohersteller akzeptieren eine Biobutanol-Mischung mit Benzin bis zu 15 Prozent ohne Modifikationen am Motor.

Die grundlegende Definition von Algen-Biokraftstoff ist ein hellgrüner flüssiger Kraftstoff aus Algen. Wie Pflanzen wandeln Algen durch Photosynthese Sonnenlicht in Energie um. Es gibt über 100.000 genetisch unterschiedliche Algenstämme, von winzigen Protozoen in Teichen bis hin zu großen Seetang im Ozean.

Algen haben eine hohe Konzentration an Lipiden oder fettigen, ölhaltigen Molekülen. Diese Lipide müssen extrahiert werden und können in Biokraftstoff umgewandelt werden. Es gibt viele Arten von Algen, aber eine allgemeine chemische Formel für Algen-Biokraftstoffe ist C₁₀₆H₂₆₃Ö₁₁₀Nein₁₆.

Chlorella und Spirulina eignen sich besser für die Biosynthese als andere Algen, jedoch gentechnisch verändert Algen bilden Organismen mit einem höheren Lipidgehalt, die die Energieausbeute um bis zu 40. erhöhen können Prozent.

Algen können in großen offenen Teichen oder poolähnlichen Systemen kultiviert werden. Geschlossene Systeme sind nicht luftoffen und Kohlendioxid muss eingepumpt werden. Verwendung von CO₂ aus Schornsteinen können Abfallprodukte aus einem Prozess für den Brennstoff eines anderen recyceln. Das Algenwachstum ist reichlich und das Produkt kann durchschnittlich alle fünf Tage gesammelt werden.

Um die Lipide zu trennen, müssen die Algen ein trockenes Pulver sein. Das Trocknen von Algen erfordert oft mehr Energie, als der Brennstoff liefern würde, wenn er als nutzbarer Brennstoff verbrannt würde. Es wird eine neue Technologie entwickelt, die den Trocknungsprozess überspringt und Algen im Zustand einer flüssigen Suspension hat, während Lösungsmittelstrahlen die Lipide extrahieren.

Algen enthalten wie Pflanzenöl Lipide, und Algenkraftstoff kann in Biodiesel umgewandelt werden. Es kann in jedem Dieselmotor verwendet werden.

Es können Mischungen erstellt werden, die von B5, einem 5 Prozent Biokraftstoff in 95 Prozent Diesel, bis zu B50, 50 Prozent Biokraftstoff und 50 Prozent Diesel, reichen. Die B30-Mischung war in einer Studie etwas effizienter als Dieselkraftstoff, und in anderen Studien war der CO .-Gehalt₂ Die Emissionen waren höher als bei fossilen Brennstoffen.

Biokraftstoff braucht Pflanzenwachstum als Basis. In einer Welt mit ständig wachsender Bevölkerung – die bis 2050 voraussichtlich 9,6 Milliarden erreichen wird – ist die Nutzung von fruchtbarem Land für den Anbau von Pflanzen als Brennstoff möglicherweise nicht im besten Interesse der Menschen. Wenn jedoch Gebiete mit entwertetem Land genutzt würden, wie zum Beispiel aufgegebenes Ackerland, würde dies diese Besorgnis ausgleichen.

Von den aufgeführten Biokraftstoffen ist Biodiesel der demokratischste. Ein Verbraucher könnte mit einem günstigen Start-up und Platz in seinem Garten Biokraftstoff herstellen. Gebrauchtes Speiseöl könnte in lokalen Restaurants gesammelt, gefiltert und dann zur Umesterung in einen Behälter gegeben werden.

Die Kosten für Biokraftstoffe bleiben im Vergleich zu fossilen Kraftstoffen hoch. Dies liegt aber auch an der staatlichen Subventionierung fossiler Brennstoffe. Die Subventionen für fossile Brennstoffe in den Vereinigten Staaten können in der Größenordnung von Billionen Dollar pro Jahr liegen. Wenn erneuerbare Kraftstoffe in dieser Höhe subventioniert würden, könnten die Produktionskosten gesenkt werden und erneuerbare Biokraftstoffe könnten mit fossilen Kraftstoffen konkurrieren.