Βασική σύνθεση βιοκαυσίμων

Μία από τις πολλές λύσεις για τον περιορισμό της υπερθέρμανσης του πλανήτη είναι να βρείτε εναλλακτικές πηγές ενέργειας. Οι ηλιακοί συλλέκτες και οι ανεμογεννήτριες μπορούν να υποστηρίξουν τις παγκόσμιες ανάγκες ηλεκτρικής ενέργειας, συμπεριλαμβανομένων των ηλεκτρικών αυτοκινήτων, αλλά το ρεύμα Η εξάρτηση από ορυκτά καύσιμα για την τροφοδοσία αυτοκινήτων, φορτηγών, αεροπλάνων, γεννητριών και άλλων κινητήρων πρέπει να απευθύνεται. Το βιοκαύσιμο όπως το βιοντίζελ χρησιμοποιεί ένα υγρό καύσιμο που δημιουργείται από φυτικό υλικό που μπορεί να αντικαταστήσει την καύση ορυκτών καυσίμων.

Ορυκτά καύσιμα προέρχονται από μη επεξεργασμένο πετρέλαιο. Αυτό το αργό πετρέλαιο είναι μια ουσία που σχηματίζεται από τα υπολείμματα της ζωής των φυτών και των ζώων που έχει τεθεί υπό τεράστια πίεση για εκατομμύρια χρόνια.

Οι τρεις κύριοι τύποι ορυκτών καυσίμων είναι το πετρέλαιο, ο άνθρακας και το φυσικό αέριο, κανένας από τους οποίους δεν είναι ανανεώσιμος. Αυτό σημαίνει ότι τα ορυκτά καύσιμα που υπάρχουν σήμερα μπορεί κάποια μέρα να εξαντληθούν. Για να προετοιμαστούν για την έλευση της εξάντλησης των ορυκτών καυσίμων, έχουν δημιουργηθεί και δημιουργούνται βιοκαύσιμα.

Βιοκαύσιμα προέρχονται από ζωντανό ή πρόσφατα ζωντανό φυτικό υλικό όπως καλαμπόκι ή χόρτο, ένα πολυετές γρασίδι που μπορεί να μεγαλώσει από 8 πόδια έως 10 πόδια. Αυτό το χύμα υλικό ονομάζεται βιομάζα και θεωρείται ανανεώσιμη πηγή ενέργειας καθώς το φυτικό υλικό μπορεί να αναγεννηθεί.

Η καύση ορυκτών καυσίμων παράγει διοξείδιο του άνθρακα και αυτό το επιπλέον διοξείδιο του άνθρακα είναι γνωστό από καιρό ότι αυξάνει το φυσικό φαινόμενο του θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα της Γης.

Εν συντομία, το φαινόμενο του θερμοκηπίου είναι η ενέργεια του ήλιου που φτάνει στη Γη, το θερμαίνει και στη συνέχεια εκπέμπεται εκ νέου στην ατμόσφαιρα. Τα αέρια του θερμοκηπίου όπως το διοξείδιο του άνθρακα ή το μεθάνιο απορροφούν αυτήν την ενέργεια και εκπέμπουν εκ νέου μέρος της στη Γη. Αυτό βοηθά στη θέρμανση της ατμόσφαιρας σε μια μέση παγκόσμια θερμοκρασία περίπου 16 βαθμούς Κελσίου (59 βαθμούς Φαρενάιτ), ικανή να υποστηρίξει τη ζωή.

Τα ορυκτά καύσιμα επιταχύνουν το φαινόμενο του θερμοκηπίου τοποθετώντας περισσότερο διοξείδιο του άνθρακα στην ατμόσφαιρα, και αυτό αυξάνει τη θερμοκρασία του πλανήτη, ένα φαινόμενο γνωστό ως παγκόσμια υπερθέρμανση. Αυτή η αλλαγή θερμοκρασίας μπορεί να προκαλέσει κλιματική αλλαγή καθώς το συνηθισμένο κλίμα της Γης γίνεται ανισορροπημένο.

Η καύση βιοκαυσίμων παράγει επίσης διοξείδιο του άνθρακα, μικρές ποσότητες μονοξειδίου του άνθρακα και άλλα σωματίδια όπως κάνουν τα ορυκτά καύσιμα. Η διαφορά δεν είναι τόσο στα περιεχόμενα καύσης, αλλά ότι η βιομάζα, στην πρόσφατη ανάπτυξή τους, χρησιμοποίησε ατμοσφαιρικό διοξείδιο του άνθρακα κατά τη φωτοσύνθεση.

Η υπόθεση είναι ότι το καύσιμο βιοκαύσιμο αντικαθιστά το αρχικό διοξείδιο του άνθρακα που λαμβάνεται από τη φωτοσύνθεση. Ως εκ τούτου, βιοκαύσιμα θεωρούνται έχουν καθαρή εκπομπή διοξειδίου του άνθρακα μηδέν κατά τη διάρκεια ζωής τους.

Τα ορυκτά καύσιμα αποτελούνται από υδρογονάνθρακες τόσο σε αλυσίδες όσο και σε αρωματικές μορφές, αλλά το βιοκαύσιμο αποτελείται από αλυσίδες υδρογονανθράκων με συνδεδεμένες ομάδες οξυγόνου. Η χημική τους σύνθεση μπορεί να περιλαμβάνει οξέα, αλκοόλες και εστέρες.

Το βιοκαύσιμο είναι περισσότερο μια προσέγγιση μετάβασης σε μηδενικές εκπομπές άνθρακα, καθώς η καύση της βιομάζας παράγει ακόμα διοξείδιο του άνθρακα, σωματίδια και με το προστιθέμενο οξυγόνο, μπορεί ακόμη και να δημιουργήσει τοξίνες όπως η φορμαλδεΰδη στην καύση επεξεργάζομαι, διαδικασία.

Το βιοκαύσιμο έχει γενιές. Η πρώτη γενιά παραγωγής βιοκαυσίμων είναι καύσιμο που βασίζεται σε φυτικές καλλιέργειες όπως καλαμπόκι ή ζαχαροκάλαμο. Η δεύτερη γενιά προέρχεται από ζωικά ή φυτικά απόβλητα και η τρίτη γενιά βιοκαύσιμο προέρχεται από φύκια.

Υπάρχουν διάφοροι τύποι βιοκαυσίμων, και πολλά χρησιμοποιούνται επί του παρόντος σε μίγματα με βενζίνη ή ντίζελ ορυκτών καυσίμων. Παρακάτω είναι κοινά βιοκαύσιμα που χρησιμοποιούνται επί του παρόντος και οι ορισμοί, η σύνθεση και η παραγωγή και οι χρήσεις τους.

Ο βασικός ορισμός του βιοντίζελ είναι ένα καύσιμο από χρυσό έως σκούρο καφέ χρώμα που προορίζεται ως υποκατάστατο του ντίζελ. Η σύνθεση του βιοντίζελ είναι κυρίως τριγλυκερίδια που ταξινομούνται ως εστέρες. Οι εστέρες υφίστανται επεξεργασία μέσω διεστεροποίησης. Τα βιολογικά έλαια από φυτικά και ζωικά λίπη - αυτό περιλαμβάνει χρησιμοποιημένα έλαια από το μαγείρεμα - αντιδρούν με αλκοόλες βραχείας αλυσίδας και καταλύτη υπό θερμαινόμενες συνθήκες.

Η μετεστεροποίηση μετατρέπει τους εστέρες, τα λιπαρά οξέα μακράς αλυσίδας, σε βιοντίζελ και γλυκερίνη. Αν και ένα μείγμα, ο βασικός χημικός τύπος βιοντίζελ είναι C₁₇Η₃₄Ο₂, με την ομάδα εστέρων –CO₂Χ.Χ.₃ στο τέλος της μακράς αλυσίδας άνθρακα.

Τα βιοντίζελ χρησιμοποιούνται σε κινητήρες σχεδιασμένους για ντίζελ. Το βιοντίζελ παράγει λιγότερο θείο στη διαδικασία καύσης αλλά αποδίδει λιγότερη ενέργεια από το πετρέλαιο με βάση το πετρέλαιο. Απαιτούνται ελάχιστες τροποποιήσεις κινητήρα για τη χρήση βιοντίζελ. Συνήθως, μόνο η τοποθέτηση συνθετικών λαστιχένιων σωλήνων και σφραγίδων στο σύστημα καυσίμου καθώς το βιοκαύσιμο υποβαθμίζει το φυσικό καουτσούκ.

Σε χαμηλές θερμοκρασίες, μια υψηλή συγκέντρωση βιοκαυσίμων καθίσταται πολύ ιξώδης για να λειτουργεί σε έναν κινητήρα και δεν θα ήταν κατάλληλο για θερμοκρασίες κάτω των 13 βαθμών Κελσίου (55 βαθμούς Φαρενάιτ), καθώς μπορεί να διαβρωθεί στα μέρη του κινητήρα συμβούν. Μίγματα με λιγότερο από 20 τοις εκατό βιοκαύσιμα και 80 ή περισσότερο τοις εκατό πετρέλαιο κυκλώνονται σε αυτήν την ανησυχία για το ιξώδες.

Το βιοντίζελ μπορεί να αγοραστεί σε ορισμένους σταθμούς καυσίμων και διανέμεται συνήθως ως B100, 100 τοις εκατό βιοκαύσιμο, ή B20, ένα μείγμα 20 τοις εκατό βιοκαυσίμων και 80 τοις εκατό ντίζελ. Η απόσταση σε μίλια αερίου μειώνεται πάνω από την βαθμολογία B20 του βιοντίζελ. Αυτή η μείωση ακυρώνει κάθε κέρδος που έχει το πετρέλαιο έναντι της βενζίνης, ειδικά όταν ταξιδεύετε με υψηλότερες ταχύτητες.

Ο βασικός ορισμός της αιθανόλης είναι ένα άχρωμο υγρό που παράγεται από τη φυσική ζύμωση των σακχάρων. Η αιθανόλη αποτελείται από άνθρακα, υδρογόνο και ομάδα υδροξειδίου και προέρχεται από καλαμπόκι, ζαχαρότευτλα και ζαχαροκάλαμο. Η διαδικασία που χρησιμοποιείται είναι η ζύμωση. Η πιο οικονομική διαδικασία είναι να αλέθουμε το καλαμπόκι σε αρωματισμένη σύσταση πριν από τη ζύμωση.

Μετά τη διαδικασία ζύμωσης, η αιθανόλη αποστάζεται (καθαρίζεται) σε υψηλή συγκέντρωση. Ο χημικός τύπος για το μόριο αιθανόλης είναι C₂Η₅Ω

Η αιθανόλη μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε κινητήρες σχεδιασμένους για βενζίνη. Κάθε όχημα που πωλείται στις Ηνωμένες Πολιτείες μπορεί να λειτουργεί με μείγμα 10% αιθανόλης και 90% αμόλυβδης βενζίνης. Η περισσότερη βενζίνη που πωλείται τώρα αναμιγνύεται με αιθανόλη.

Η αιθανόλη βοηθά στην καύση της βενζίνης πληρέστερα. Αυτό ενισχύει την ενεργειακή απόδοση, αλλά έχει τη δυνατότητα να συνεισφέρει περισσότερους ρύπους νέφους στο περιβάλλον.

Ο βασικός ορισμός της μεθανόλης είναι ένα άχρωμο υγρό που αποστάζεται από φυτικό υλικό ή με οξειδωτικό μεθάνιο. Η μεθανόλη αποτελείται από άνθρακα, υδρογόνο και υδροξείδιο. Είναι η απλούστερη αλκοόλη με χημικό τύπο CH₃Ω Η παραγωγή μεθανόλης είναι λιγότερο δαπανηρή από την αιθανόλη και μπορεί να προέλθει από οποιοδήποτε φυτικό υλικό ή από εκπομπές αερίων υγειονομικής ταφής ή ηλεκτροπαραγωγής.

Η μεθανόλη παράγεται μέσω αντίδρασης σύνθεσης μονοξειδίου του άνθρακα και υδρογόνου. Αυτά τα συστατικά μπορεί να δημιουργηθούν από την καύση άνθρακα, φυσικού αερίου ή βιομάζας. Χρησιμοποιώντας το απόβλητο μιας διαδικασίας, όπως τα αέρια από την καύση άνθρακα, για τα προϊόντα εκκίνησης μιας άλλης διαδικασία, όπως η δημιουργία μεθανόλης, είναι βιομηχανική ανακύκλωση και θα μειώσει την απελευθέρωση ρύπων στο ατμόσφαιρα.

Η μεθανόλη μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε βενζινοκινητήρες. Τα πλεονεκτήματα της χρήσης μεθανόλης ως καυσίμου περιλαμβάνουν μικρότερο όγκο τοξινών και σωματιδίων από την καύση από τη βενζίνη. Μέχρι και 15 τοις εκατό μεθανόλης κατ 'όγκο μπορούν να αναμιχθούν σε βενζινοκινητήρες χωρίς καμία τροποποίηση του κινητήρα.

Αν και η μεθανόλη είναι σημαντικά λιγότερο δαπανηρή, η μείωση των χιλιομετρικών αερίων ακυρώνει την αποτελεσματικότητα κόστους. Επίσης, είναι δύσκολο να αφαιρεθεί το νερό από τη μεθανόλη και αυτό μπορεί να διαβρώσει τους εύκαμπτους σωλήνες και τα στεγανοποιητικά του κινητήρα.

Ο βασικός ορισμός της βιοβουτανόλης είναι ένα άχρωμο υγρό καύσιμο κατασκευασμένο από ορισμένα φυτά, κυρίως καλαμπόκι. Η βασική σύνθεση της βουτανόλης αποτελείται από άνθρακα, υδρογόνο και οξυγόνο. Είναι μια αλκοόλη τεσσάρων άνθρακα (βουτυλική αλκοόλη) με χημικό τύπο C₄Η₁₀Ο.

Η βιοβουτανόλη προέρχεται κυρίως από τη ζύμωση της πρώτης ύλης καλαμποκιού. Στη ζύμωση απλών σακχάρων από πρώτες ύλες, παράγονται βουτανόλη, αιθανόλη και ακετόνη. Ο διαχωρισμός αυτών των υποπροϊόντων αυξάνει το κόστος παραγωγής, αν και κάθε μονάδα επεξεργασίας που παράγει αιθανόλη μπορεί επίσης να παράγει βουτανόλη.

Η βιοβουτανόλη είναι λιγότερο διαβρωτική και παρέχει σχεδόν 25% περισσότερη ενέργεια από την αιθανόλη και μπορεί να αναμιχθεί με βενζίνη για να βοηθήσει στη μείωση των αερίων του θερμοκηπίου. Η βουτανόλη μπορεί να αναμιχθεί με βενζίνη πριν από τη μεταφορά, ενώ η αιθανόλη πρέπει να μεταφέρεται ξεχωριστά και να αναμιγνύεται στην έξοδο καυσίμου.

Η βιοβουτανόλη παρέχει λιγότερη ενέργεια από τη βενζίνη, αλλά έχει σημαντικά λιγότερες τοξικές ενώσεις κατά την καύση. Κάθε αυτοκίνητο που λειτουργεί με βενζίνη μπορεί να λειτουργεί με ένα μείγμα βιοβουτανόλης. Οι περισσότεροι κατασκευαστές αυτοκινήτων θα δεχτούν ένα μείγμα βιοβουτανόλης με βενζίνη έως και 15% χωρίς τροποποιήσεις στον κινητήρα.

Ο βασικός ορισμός των βιοκαυσίμων φυκών είναι ένα ανοιχτό πράσινο υγρό καύσιμο από φύκια. Όπως τα φυτά, τα φύκια μετατρέπουν το φως του ήλιου σε ενέργεια μέσω της φωτοσύνθεσης. Υπάρχουν πάνω από 100.000 γενετικά διαφορετικά στελέχη από φύκια, από μικροσκοπικά πρωτόζωα σε λίμνες έως μεγάλα φύκια στον ωκεανό.

Τα φύκια έχουν υψηλή συγκέντρωση λιπιδίων ή λιπαρών μορίων που περιέχουν λάδι. Αυτά τα λιπίδια πρέπει να εξαχθούν και μπορούν να μετατραπούν σε βιοκαύσιμα. Υπάρχουν πολλοί τύποι φυκών, αλλά ένας γενικός χημικός τύπος βιοκαυσίμων φυκών είναι C₁₀₆Η₂₆₃Ο₁₁₀Ν₁₆.

Το Chlorella και η σπιρουλίνα είναι πιο κατάλληλα για βιοσύνθεση από άλλα φύκια, αλλά γενετικά τροποποιημένα Τα φύκια δημιουργούν οργανισμούς με υψηλότερη περιεκτικότητα σε λιπίδια που θα μπορούσαν να αυξήσουν την ενεργειακή απόδοση έως και 40 τοις εκατό.

Τα φύκια μπορούν να καλλιεργηθούν σε μεγάλες ανοιχτές λίμνες ή σε συστήματα που μοιάζουν με πισίνα. Τα συστήματα κλειστού βρόχου δεν είναι ανοικτά στον αέρα και το διοξείδιο του άνθρακα πρέπει να αντλείται. Χρησιμοποιώντας CO₂ από τις καπνοδόχους μπορούν να ανακυκλώνουν τα απόβλητα από τη μία διαδικασία για το καύσιμο μιας άλλης. Η ανάπτυξη των φυκών είναι άφθονη και το προϊόν μπορεί να συλλέγεται κατά μέσο όρο κάθε πέντε ημέρες.

Για να διαχωριστούν τα λιπίδια, τα φύκια πρέπει να είναι μια ξηρή σκόνη. Συχνά, η ξήρανση των φυκών απαιτεί περισσότερη ενέργεια από την ενέργεια που θα παρέχει το καύσιμο όταν καίγεται ως χρησιμοποιήσιμο καύσιμο. Αναπτύσσεται νέα τεχνολογία που παραλείπει τη διαδικασία ξήρανσης και έχει φύκια σε κατάσταση υγρού εναιωρήματος ενώ πίδακες διαλύτη εκχυλίζουν τα λιπίδια.

Όπως και το φυτικό έλαιο, τα φύκια περιέχουν λιπίδια και τα καύσιμα φύκια μπορούν να μετατραπούν σε βιοντίζελ. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε οποιονδήποτε κινητήρα ντίζελ.

Μπορούν να δημιουργηθούν μίγματα που κυμαίνονται από B5, 5% βιοκαύσιμο σε 95% ντίζελ, έως B50, 50% βιοκαύσιμο και 50% ντίζελ. Το μείγμα B30 ήταν ελαφρώς πιο αποδοτικό από το καύσιμο ντίζελ σε μία μελέτη, και σε άλλες μελέτες, το CO₂ οι εκπομπές ήταν υψηλότερες από ό, τι για τα ορυκτά καύσιμα.

Το βιοκαύσιμο χρειάζεται την ανάπτυξη των φυτών ως βάση του. Σε έναν κόσμο συνεχώς αυξανόμενου πληθυσμού - που αναμένεται να φθάσει τα 9,6 δισεκατομμύρια έως το 2050 - η χρήση εύφορης γης για την καλλιέργεια φυτών για καύσιμα μπορεί να μην είναι προς το συμφέρον των ανθρώπων. Ωστόσο, εάν χρησιμοποιήθηκαν περιοχές με υποτιμημένες εκτάσεις, όπως εγκαταλελειμμένες καλλιεργήσιμες εκτάσεις, θα αντισταθμίσει αυτή την ανησυχία.

Από τα βιοκαύσιμα που αναφέρονται, το βιοντίζελ είναι το πιο δημοκρατικό. Ένας καταναλωτής θα μπορούσε, με μια φθηνή εκκίνηση και χώρο, να δημιουργήσει βιοκαύσιμα στην αυλή του. Το χρησιμοποιημένο μαγειρικό λάδι θα μπορούσε να συλλεχθεί από τοπικά εστιατόρια, να φιλτραριστεί και στη συνέχεια να τοποθετηθεί σε ένα δοχείο για μετεστεροποίηση.

Το κόστος των βιοκαυσίμων παραμένει υψηλό σε σύγκριση με τα ορυκτά καύσιμα. Ωστόσο, αυτό οφείλεται επίσης στις κρατικές επιδοτήσεις ορυκτών καυσίμων. Οι επιδοτήσεις ορυκτών καυσίμων στις Ηνωμένες Πολιτείες μπορεί να είναι της τάξης των τρισεκατομμυρίων δολαρίων ετησίως. Εάν επιδοτούταν ανανεώσιμα καύσιμα με αυτόν τον ρυθμό, το κόστος παραγωγής θα μπορούσε να μειωθεί και τα ανανεώσιμα βιοκαύσιμα θα μπορούσαν να ανταγωνιστούν τα ορυκτά καύσιμα.