Biokütuse põhikoostis

Üks paljudest lahendustest, mis aitab kliimasoojenemist ohjeldada, on alternatiivsete energiaallikate leidmine. Päikesepaneelid ja tuuleturbiinid võivad toetada ülemaailmset elektrivajadust, sealhulgas elektriautosid, kuid praegust Sõiduautode, veoautode, lennukite, generaatorite ja muude mootorite puhul tuleb tugineda fossiilkütustele adresseeritud. Biokütus nagu biodiisel kasutab taimsest materjalist valmistatud vedelkütust, mis võib asendada fossiilkütuste põletamist.

Fossiilkütused on saadud rafineerimata naftast. See toornafta on taimede ja loomade jäänustest moodustunud aine, mida on miljoneid aastaid hoitud tohutu surve all.

Kolm fossiilkütuste peamist tüüpi on nafta, kivisüsi ja maagaas, millest ükski pole taastuv. See tähendab, et täna eksisteerivad fossiilkütused võivad ühel päeval ammenduda. Valmistumiseks fossiilkütuste ammendumiseks on loodud ja luuakse biokütuseid.

Biokütused on saadud elusast või hiljuti elanud taimematerjalist, nagu mais või harilik rohi, mitmeaastane rohi, mis võib kasvada 8–10 jalga kõrgeks. Seda puistematerjali nimetatakse biomassiks ja seda peetakse taastuvaks energiaallikaks, kuna taimset materjali saab uuesti kasvatada.

Fossiilkütuste põletamine tekitab süsinikdioksiidi ja see ekstra süsinikdioksiid suurendab juba ammu Maa atmosfääri looduslikku kasvuhooneefekti.

Lühidalt öeldes on kasvuhooneefekt päikese energia, mis jõuab Maale, soojendab seda ja kiirgub seejärel atmosfääri. Kasvuhoonegaasid nagu süsinikdioksiid või metaan neelavad selle energia ja kiirgavad osa sellest tagasi Maale. See aitab soojendada atmosfääri keskmisele globaalsele temperatuurile umbes 16 kraadi Celsiuse järgi (59 kraadi Fahrenheiti), mis on võimeline toetama elu.

Fossiilkütused kiirendavad kasvuhooneefekti lisades atmosfääri rohkem süsinikdioksiidi ja see tõstab planeedi temperatuuri, mida tuntakse kui Globaalne soojenemine. See temperatuuri muutus võib põhjustada kliimamuutusi, kuna Maa tavaline kliima muutub tasakaalust välja.

Biokütuste põletamine tekitab ka fossiilkütuste korral süsinikdioksiidi, väikestes kogustes vingugaasi ja muid tahkeid osakesi. Erinevus pole mitte niivõrd põlemissisalduses, vaid selles, et biomass kasutas nende hiljutises kasvus fotosünteesi käigus atmosfääri süsinikdioksiidi.

Eeldatakse, et põlenud biokütus asendab fotosünteesi käigus võetud algset süsinikdioksiidi. Seetõttu biokütused peetakse süsinikdioksiidi netoheide on null nende eluea jooksul.

Fossiilkütused koosnevad süsivesinikest nii ahelas kui ka aromaatsel kujul, kuid biokütus koosneb süsivesinikeahelatest, millel on seotud hapnikurühmad. Nende keemiline koostis võib sisaldada happeid, alkohole ja estreid.

Biokütus on pigem üleminekulähedane lähenemisviis süsinikdioksiidi heitkoguste vähendamisele, kuna biomassi põlemisel ikka tekib süsinikdioksiid, tahked osakesed ja lisatud hapnik võib põletamisel tekitada isegi toksiine nagu formaldehüüd protsess.

Biokütusel on põlvkondi. Esimese põlvkonna biokütuste tootmine on taimekultuuridel, näiteks maisil või suhkrurool, põhinev kütus. Teine põlvkond pärineb loomsetest või taimsetest jäätmetest ning kolmanda põlvkonna biokütus on saadud vetikatest.

Biokütuseid on erinevat tüüpi ja paljusid kasutatakse praegu fossiilkütuste bensiini või diislikütuse segudes. Allpool on toodud praegu kasutusel olevad tavalised biokütused ning nende määratlused, koostis, tootmine ja kasutusviisid.

Biodiisli põhimääratlus on kuldse kuni tumepruuni värvi kütus, mis on ette nähtud diislikütuse asendajaks. Biodiisli koostis on enamasti triglütseriidid, mis liigitatakse estriteks. Estreid töödeldakse ümberesterdamise teel. Taimsetest ja loomsetest rasvadest pärinevad bioloogilised õlid - sealhulgas toiduvalmistamisel saadud kasutatud õlid - reageerivad kuumutatud tingimustes lühikese ahelaga alkoholide ja katalüsaatoriga.

Ümberesterdamine muudab estrid, pika ahelaga rasvhapped biodiisliks ja glütseriiniks. Ehkki segu, on biodiislikütuse keemiline põhivalem C₁₇H₃₄O₂, esterrühmaga –CO₂CH₃ pika süsinikuahela lõpus.

Biodiislit kasutatakse diislikütuse jaoks mõeldud mootorites. Biodiisel toodab põlemisprotsessis vähem väävlit, kuid annab vähem energiat kui naftapõhine diisel. Biodiisli kasutamiseks on vaja mootori minimaalseid muudatusi; tavaliselt on kütusesüsteemis ainult sünteetilisest kummist voolikute ja tihendite paigaldamine, kuna biokütus lagundab looduslikku kummi.

Madalatel temperatuuridel muutub biokütuse kõrge kontsentratsioon mootoris töötamiseks liiga viskoosseks ega oleks sobib temperatuurile alla 13 kraadi (55 kraadi Fahrenheiti), kuna mootori osade korrosioon võib olla tekkida. Segud, milles on vähem kui 20 protsenti biokütust ja 80 või enam protsenti diislikütust, ümbritsevad seda viskoossusprobleemi.

Biodiislit saab osta teatud tanklatest ja seda levitatakse tavaliselt B100, 100% biokütuse või B20 kujul, mis sisaldab 20% biokütust ja 80% diislikütust. Gaasi läbisõit väheneb üle biodiislikütuse B20 reitingu. See vähenemine tühistab diislikütusel bensiini ületava kasu, eriti suurema kiirusega sõites.

Etanooli põhiline määratlus on värvitu vedelik, mis tekib suhkrute loomulikul kääritamisel. Etanool koosneb süsinikust, vesinikust ja hüdroksiidrühmast ning see on saadud maisist, suhkrupeedist ja suhkruroost. Kasutatav protsess on kääritamine. Säästlikum protsess on maisi jahvatamine enne käärimist jahutaoliseks konsistentsiks.

Pärast kääritamisprotsessi destilleeritakse (puhastatakse) etanool kõrge kontsentratsioonini. Etanooli molekuli keemiline valem on C₂H₅OH.

Etanooli saab kasutada bensiini jaoks mõeldud mootorites. Kõik Ameerika Ühendriikides müüdavad sõidukid võivad töötada 10% etanooli ja 90% pliivaba bensiini segus. Enamik praegu müüdavat bensiini segatakse etanooliga.

Etanool aitab bensiinil täielikult põleda; see suurendab energiatoodangut, kuid sellel on potentsiaali lisada keskkonda rohkem sudu saasteaineid.

Metanooli põhiline määratlus on värvitu vedelik, mis on destilleeritud taimsest materjalist või metaani oksüdeerimisel. Metanool koosneb süsinikust, vesinikust ja hüdroksiidist. See on kõige lihtsam alkoholidest keemilise valemiga CH₃OH. Metanooli tootmine on odavam kui etanool ja seda võib saada mis tahes taimsest materjalist või prügilagaasi või elektrijaama heitkogustest.

Metanooli toodetakse süsinikmonooksiidi ja vesiniku sünteesireaktsiooni abil. Need komponendid võivad tekkida söe, gaasi või biomassi põletamisel. Ühe protsessi jääkaine, näiteks söe põletamisel tekkivate gaaside, kasutamine teise lähteainena protsess, nagu metanooli loomine, on tööstuslik ringlussevõtt ja see vähendab saasteainete heidet metaboliidi atmosfääri.

Metanooli saab kasutada bensiinimootoriga mootorites. Metanooli kütusena kasutamise eelised hõlmavad vähem põlemisel tekkivaid toksiine ja tahkeid osakesi kui bensiin. Bensiinimootorites võib ilma mootori muudatusteta segada kuni 15 mahuprotsenti metanooli.

Kuigi metanool on oluliselt odavam, tühistab gaasi läbisõidu vähendamine kulutõhususe. Samuti on metanoolist vett raske eemaldada ja see võib söövitada mootori voolikuid ja tihendeid.

Biobutanooli põhiline määratlus on värvitu vedelkütus, mis on valmistatud teatud taimedest, enamasti maisist. Butanooli põhikoostis koosneb süsinikust, vesinikust ja hapnikust. See on nelja süsinikuga alkohol (butüülalkohol) keemilise valemiga C₄H₁₀O.

Biobutanool saadakse peamiselt maisi lähteaine kääritamisel. Lihtsuhkrute fermenteerimisel toorainest tekivad butanool, etanool ja atsetoon. Nende kõrvalsaaduste eraldamine suurendab tootmiskulusid, ehkki iga etanooli tootev töötlemisettevõte võib toota ka butanooli.

Biobutanool on vähem söövitav ja annab ligi 25 protsenti rohkem energiat kui etanool ning seda saab segada bensiiniga, et aidata vähendada kasvuhoonegaase. Butanooli võib enne transportimist segada bensiiniga, samal ajal kui etanooli tuleb eraldi transportida ja segada kütuse väljalaskeavas.

Biobutanool annab vähem energiat kui bensiin, kuid põlemisel on oluliselt vähem toksilisi ühendeid. Iga bensiiniga sõitev auto võib sõita biobutanooli seguga. Enamik autotootjaid aktsepteerib biobutanooli segu bensiiniga kuni 15 protsenti ilma mootori muudatusteta.

Põhiline vetikate biokütuse määratlus on vetikatest valmistatud heleroheline vedelkütus. Sarnaselt taimedega muudavad vetikad fotosünteesi abil päikesevalgust energiaks. Geneetiliselt mitmekesiseid vetikatüvesid on üle 100 000, alates tiikides asuvatest pisikestest algloomadest kuni ookeani suurte pruunvetikateni.

Vetikates on kõrge lipiidide või rasvade, õli sisaldavate molekulide kontsentratsioon. Need lipiidid tuleb ekstraheerida ja neid saab muuta biokütuseks. Vetikaid on mitut tüüpi, kuid vetikate üldine biokütuse keemiline valem on C₁₀₆H₂₆₃O₁₁₀N₁₆.

Klorella ja spirulina sobivad biosünteesiks paremini kui teised vetikad, kuid geneetiliselt muundatud vetikad loovad suurema lipiidisisaldusega organisme, mis võivad suurendada energia saagist kuni 40 võrra protsenti.

Vetikaid võib kasvatada suurtes avatud tiikides või basseinitaolistes süsteemides. Suletud ahelaga süsteemid pole õhku avatud ja sisse tuleb pumbata süsinikdioksiid. Kasutades CO₂ suitsuahjudest saadud jäätmed võivad ühe protsessi jäätmed teise ringlusse võtta. Vetikate kasv on rikkalik ja toodet saab koguda keskmiselt iga viie päeva tagant.

Lipiidide eraldamiseks peavad vetikad olema kuiv pulber. Vetikate kuivatamine võtab sageli rohkem energiat kui energia, mida kütus annaks kasutatava kütusena põlemisel. Arendatakse uut tehnoloogiat, mis jätab kuivamisprotsessi vahele ja sisaldab vetikaid vedelas suspensioonis, samal ajal kui lahusti joad ekstraheerivad lipiide.

Sarnaselt taimeõliga sisaldavad vetikad lipiide ja vetikakütust saab muuta biodiisliks. Seda võib kasutada igas diiselmootoris.

Võib luua segusid, mis ulatuvad B5-st, 5-protsendilisest biokütusest 95-protsendilises diislikütuses, kuni B50-ni, 50 protsenti biokütust ja 50 protsenti diislikütust. B30 segu oli ühes uuringus veidi efektiivsem kui diislikütus ja teistes uuringutes CO₂ heitkogused olid suuremad kui fossiilkütustel.

Biokütus vajab aluseks taimekasvu. Maailmas, kus elanikkond kasvab pidevalt - eeldatavasti jõuab see 2050. aastaks 9,6 miljardini - ei pruugi viljaka maa kasutamine kütusetaimede kasvatamiseks inimeste huvides olla. Kui aga kasutataks maha halvustatud maa-alasid, näiteks mahajäetud põllumaad, korvaks see selle mure.

Loetletud biokütustest on kõige demokraatlikum biodiisel. Tarbija võiks odava idufirma ja ruumiga luua oma tagaaeda biokütust. Kasutatud toiduõli võiks kohalikest restoranidest kokku korjata, filtreerida ja seejärel üleesterdamiseks mahutisse panna.

Biokütuste maksumus on fossiilkütustega võrreldes endiselt kõrge. Kuid see on tingitud ka fossiilkütuste valitsuse toetustest. Fossiilkütuste toetused võivad USA-s ulatuda triljonite dollarite suurusjärku aastas. Kui taastuvaid kütuseid toetataks selle määraga, saaksid vähendada tootmiskulusid ja taastuvad biokütused saaksid fossiilkütustega konkureerida.