Biopolttoaineen peruskoostumus

Yksi monista ratkaisuista ilmaston lämpenemisen hillitsemiseksi on löytää vaihtoehtoisia energialähteitä. Aurinkopaneelit ja tuuliturbiinit voivat tukea maailmanlaajuista sähköntarvetta, mukaan lukien sähköautot, mutta nykyinen Autojen, kuorma-autojen, lentokoneiden, generaattoreiden ja muiden moottoreiden on luotettava fossiilisiin polttoaineisiin osoitettu. Biopolttoaine, kuten biodieseli, käyttää kasvimateriaalista tuotettua nestemäistä polttoainetta, joka voi korvata fossiilisten polttoaineiden polttamisen.

Fossiiliset polttoaineet ovat peräisin puhdistamattomasta öljystä. Tämä raakaöljy on kasvi- ja eläinjäämistä muodostunut aine, jota on pidetty valtavassa paineessa miljoonien vuosien ajan.

Kolme tärkeintä fossiilisten polttoaineiden tyyppiä ovat öljy, hiili ja maakaasu, joista yksikään ei ole uusiutuva. Tämä tarkoittaa, että nykyiset fossiiliset polttoaineet saattavat jonain päivänä olla loppuun käytetty. Valmistelemaan fossiilisten polttoaineiden ehtymistä on luotu ja ollaan luomassa biopolttoaineita.

Biopolttoaineet ovat peräisin elävästä tai äskettäin elävästä kasvimateriaalista, kuten maissi tai ruohonjuuri, monivuotinen ruoho, joka voi kasvaa 8-10 jalkaa korkeaksi. Tätä irtomateriaalia kutsutaan biomassaksi ja sitä pidetään uusiutuvana energialähteenä, koska kasvimateriaali voidaan uudistaa.

Fossiilisten polttoaineiden polttaminen tuottaa hiilidioksidia, ja tämän ylimääräisen hiilidioksidin on jo pitkään tiedetty lisäävän maapallon ilmakehän luonnollista kasvihuoneilmiötä.

Lyhyesti sanottuna kasvihuoneilmiö on auringon energia, joka saavuttaa maan, lämmittää sitä ja sitten säteilee uudelleen ilmakehään. Kasvihuonekaasut, kuten hiilidioksidi tai metaani, absorboivat tämän energian ja säteilevät osan siitä takaisin maahan. Tämä auttaa lämmittämään ilmakehän noin 16 celsiusasteeseen (59 astetta Fahrenheit), mikä pystyy tukemaan elämää.

Fossiiliset polttoaineet kiihdyttävät kasvihuoneilmiötä sijoittamalla enemmän hiilidioksidia ilmakehään, mikä nostaa planeetan lämpötilaa, mikä tunnetaan nimellä ilmaston lämpeneminen. Tämä lämpötilan muutos voi aiheuttaa ilmastonmuutoksen, kun maapallon tavallinen ilmasto epätasapainoon.

Biopolttoaineiden polttaminen tuottaa myös hiilidioksidia, pieniä määriä hiilimonoksidia ja muita hiukkasia aivan kuten fossiiliset polttoaineet. Ero ei ole niinkään palamispitoisuudessa, vaan siinä, että biomassa käytti viimeaikaisessa kasvussaan ilmakehän hiilidioksidia fotosynteesin aikana.

Oletuksena on, että palanut biopolttoaine korvaa fotosynteesin ottaman alkuperäisen hiilidioksidin. Siksi, biopolttoaineet katsotaan hiilidioksidipäästöjen netto on nolla heidän elinaikanaan.

Fossiiliset polttoaineet koostuvat hiilivedyistä sekä ketju- että aromaattimuodoissa, mutta biopolttoaine koostuu hiilivetyketjuista, joihin on kiinnittynyt happiryhmiä. Niiden kemiallinen koostumus voi sisältää happoja, alkoholeja ja estereitä.

Biopolttoaine on enemmän siirtymäkauden lähestymistapa hiilidioksidipäästöjen vähentämiseen, koska biomassan palaminen tuottaa edelleen hiilidioksidi, hiukkaset ja lisätyn hapen kanssa, voivat jopa luoda polttamiseen toksiineja, kuten formaldehydiä prosessi.

Biopolttoaineella on sukupolvia. Ensimmäisen sukupolven biopolttoaineiden tuotanto perustuu kasviviljelmiin, kuten maissiin tai sokeriruokoon, perustuvaa polttoainetta. Toinen sukupolvi on peräisin eläin- tai kasviperäisistä jätteistä ja kolmannen sukupolven biopolttoaine on peräisin levistä.

Erilaisia ​​biopolttoaineita on olemassa, ja monia käytetään tällä hetkellä sekoituksissa fossiilisten polttoaineiden bensiinin tai dieselin kanssa. Alla on yleisiä biopolttoaineita, joita tällä hetkellä käytetään, sekä niiden määritelmät, koostumus, tuotanto ja käyttötarkoitukset.

Biodieselin perusmäärittely on kultaisen tai tummanruskean värinen polttoaine, joka on tarkoitettu korvaamaan dieseliä. Biodieselin koostumus on enimmäkseen triglyseridejä, jotka luokitellaan estereiksi. Esterit prosessoidaan uudelleenesteröimällä. Kasvi- ja eläinrasvoista saadut biologiset öljyt - mukaan lukien ruoanlaitossa käytetyt öljyt - reagoivat lyhytketjuisten alkoholien ja katalyytin kanssa kuumennetuissa olosuhteissa.

Tranesteröinti muuntaa esterit, pitkäketjuiset rasvahapot biodieseliksi ja glyseriiniksi. Vaikka seos onkin, biodieselin kemiallinen peruskaava on C₁₇H₃₄O₂, esteriryhmän –CO kanssa₂CH₃ pitkän hiiliketjun päässä.

Biodieselejä käytetään dieselpolttoaineille suunnitelluissa moottoreissa. Biodieseli tuottaa vähemmän rikkiä polttoprosessissa, mutta tuottaa vähemmän energiaa kuin öljypohjainen diesel. Biodieselin käyttämiseen tarvitaan vähän moottorin muutoksia; yleensä vain synteettisten kumiletkujen ja tiivisteiden asennus polttoainejärjestelmään, kun biopolttoaine hajottaa luonnonkumia.

Alhaisissa lämpötiloissa korkea biopolttoaineen pitoisuus muuttuu liian viskoosiksi toimiakseen moottorissa eikä olisi sopii alle 13 celsiusasteeseen (55 astetta Fahrenheit), koska moottorin osien korroosio voi esiintyä. Alle 20 prosentin biopolttoaineen ja vähintään 80 prosentin dieselpolttoaineen seokset kiertävät tätä viskositeettihuolen aiheuttajaa.

Biodieseliä voi ostaa tietyiltä polttoaineasemilta, ja sitä jaetaan yleisesti B100: na, 100 prosentin biopolttoaineena tai B20: na, seoksena 20 prosenttia biopolttoainetta ja 80 prosenttia dieseliä. Kaasun mittarilukema laskee yli biodieselin B20-luokituksen. Tämä lasku mitätöi dieselin kaiken voiton bensiinin suhteen, etenkin suuremmilla nopeuksilla ajettaessa.

Etanolin perusmäärittely on väritön neste, joka syntyy sokereiden luonnollisella käymisellä. Etanoli koostuu hiilestä, vedystä ja hydroksidiryhmästä, ja se on peräisin maissista, sokerijuurikkaista ja sokeriruo'osta. Käytetty prosessi on käyminen. Taloudellisempi prosessi on jauhaa maissi jauhomaiseksi konsistenssiksi ennen käymistä.

Fermentointiprosessin jälkeen etanoli tislataan (puhdistetaan) korkeaan konsentraatioon. Etanolimolekyylin kemiallinen kaava on C₂H₅VAI NIIN.

Etanolia voidaan käyttää bensiinille suunnitelluissa moottoreissa. Mikä tahansa Yhdysvalloissa myytävä ajoneuvo voi käyttää 10 prosentin etanolin ja 90 prosentin lyijyttömän bensiinin seosta. Suurin osa nyt myydystä bensiinistä sekoitetaan etanoliin.

Etanoli auttaa bensiiniä palamaan täydellisemmin; tämä lisää energiantuottoa, mutta sillä on potentiaalia lisätä enemmän savupäästöjä ympäristöön.

Perusmetanolin määritelmä on väritön neste, joka tislataan kasvimateriaalista tai hapettamalla metaania. Metanoli koostuu hiilestä, vedystä ja hydroksidista. Se on yksinkertaisin alkoholeista, joilla on kemiallinen kaava CH₃VAI NIIN. Metanolin tuottaminen on halvempaa kuin etanolin valmistus, ja se voidaan johtaa mistä tahansa kasvimateriaalista tai kaatopaikkakaasun tai voimalaitoksen päästöistä.

Metanolia tuotetaan hiilimonoksidin ja vedyn synteesireaktiolla. Nämä komponentit voivat syntyä hiilen, kaasun tai biomassan polttamisesta. Yhden prosessin jätetuotteen, kuten hiilen poltosta peräisin olevien kaasujen, käyttö toisen aloitustuotteina Prosessi, kuten metanolin syntyminen, on teollista kierrätystä ja vähentää epäpuhtauksien päästöjä ilmapiiri.

Metanolia voidaan käyttää bensiinimoottoreissa. Metanolin polttoaineena käyttämisen etuihin kuuluu pienempi määrä toksiinien ja hiukkasten poltosta kuin bensiini. Jopa 15 tilavuusprosenttia metanolia voidaan sekoittaa bensiinimoottoreissa ilman moottorin muutoksia.

Vaikka metanoli on huomattavasti halvempaa, kaasun mittarilukeman pienentäminen kumoaa kustannustehokkuuden. Lisäksi on vaikea poistaa vettä metanolista, ja tämä voi syöpyä moottorin letkut ja tiivisteet.

Biobutanolin perusmäärittely on väritön nestemäinen polttoaine, joka on valmistettu tietyistä kasveista, enimmäkseen maissista. Butanolin peruskoostumus koostuu hiilestä, vedystä ja hapesta. Se on nelihiilinen alkoholi (butyylialkoholi), jonka kemiallinen kaava on C₄H₁₀O.

Biobutanoli on peräisin pääasiassa maissin raaka-aineen käymisestä. Käymällä yksinkertaisia ​​sokereita raaka-aineesta syntyy butanolia, etanolia ja asetonia. Näiden sivutuotteiden erottaminen lisää tuotantokustannuksia, vaikka mikä tahansa etanolia tuottava jalostuslaitos voi myös tuottaa butanolia.

Biobutanoli on vähemmän syövyttävää ja tuottaa lähes 25 prosenttia enemmän energiaa kuin etanoli, ja se voidaan sekoittaa bensiiniin kasvihuonekaasujen vähentämiseksi. Butanoli voidaan sekoittaa bensiiniin ennen kuljetusta, kun taas etanoli on kuljetettava erikseen ja sekoitettava polttoaineen poistoaukossa.

Biobutanoli tuottaa vähemmän energiaa kuin bensiini, mutta siinä on huomattavasti vähemmän myrkyllisiä yhdisteitä palamisen yhteydessä. Jokainen bensiiniä käyttävä auto voi toimia biobutanoliseoksella. Suurin osa autonvalmistajista hyväksyy biobutanoliseoksen bensiinin kanssa jopa 15 prosenttiin ilman muutoksia moottoriin.

Levien biopolttoaineiden perusmäärittely on levistä valmistettu vaaleanvihreä nestemäinen polttoaine. Kasvien tavoin levät muuntavat auringonvalon energiaksi fotosynteesin avulla. Geneettisesti monimuotoisia leväkantoja on yli 100 000 pienistä alkueläimistä altaissa suuriin merileviin meressä.

Levillä on korkea lipidien tai rasvaisten, öljyä sisältävien molekyylien pitoisuus. Nämä lipidit on uutettava ja ne voidaan muuttaa biopolttoaineeksi. Leviä on monenlaisia, mutta levien yleinen biopolttoaineen kemiallinen kaava on C₁₀₆H₂₆₃O₁₁₀N₁₆.

Klorella ja spirulina soveltuvat paremmin biosynteesiin kuin muut levät, mutta geneettisesti muunnetut levät luovat organismeja, joilla on korkeampi lipidipitoisuus, mikä voi lisätä energiantuotosta jopa 40: llä prosenttia.

Leviä voidaan viljellä suurissa avoimissa lammikoissa tai altaankaltaisissa järjestelmissä. Suljetun piirin järjestelmät eivät ole avoimia ilmalle, ja hiilidioksidia on pumpattava sisään. CO: n käyttö₂ savupiiput voivat kierrättää prosessin jätteet toisen polttoaineeksi. Leväkasvu on runsasta, ja tuotetta voidaan kerätä keskimäärin joka viides päivä.

Lipidien erottamiseksi levien on oltava kuivia jauheita. Levien kuivaus vie usein enemmän energiaa kuin energia, jonka polttoaine tuottaisi poltettaessa käyttökelpoisena polttoaineena. Kehitetään uutta tekniikkaa, joka ohittaa kuivausprosessin ja jossa levät ovat nestesuspension tilassa, kun taas liuotinsuihkut uuttavat lipidit.

Kasviöljyn tavoin levät sisältävät lipidejä, ja leväpolttoaine voidaan muuntaa biodieseliksi. Sitä voidaan käyttää missä tahansa dieselmoottorissa.

Voidaan luoda seoksia, jotka vaihtelevat B5: stä, joka on 5 prosenttia biopolttoainetta 95 prosentissa dieseliä, B50: een, 50 prosenttia biopolttoaineesta ja 50 prosenttiin dieseliä. B30-seos oli hiukan tehokkaampi kuin dieselpolttoaine yhdessä tutkimuksessa ja muissa tutkimuksissa CO₂ päästöt olivat korkeammat kuin fossiilisilla polttoaineilla.

Biopolttoaine tarvitsee perustana kasvien kasvua. Maailmassa, jossa väestö kasvaa jatkuvasti ja jonka odotetaan olevan 9,6 miljardia vuoteen 2050 mennessä, hedelmällisen maan käyttäminen kasvien kasvattamiseksi polttoaineeksi ei ehkä ole ihmisten etujen mukaista. Kuitenkin, jos halventuneen maan alueita, kuten hylättyjä viljelysmaita, hyödynnettäisiin, se korvaisi tämän huolen.

Luetelluista biopolttoaineista biodieseli on demokraattisin. Kuluttaja voisi halpojen yritysten ja tilaa myöten luoda biopolttoainetta takapihalleen. Käytetty ruokaöljy voitiin kerätä paikallisista ravintoloista, suodattaa ja sijoittaa sitten astiaan uudelleenesterointia varten.

Biopolttoaineiden kustannukset ovat edelleen korkeat verrattuna fossiilisiin polttoaineisiin. Tämä johtuu kuitenkin myös fossiilisten polttoaineiden valtiontuista. Fossiilisten polttoaineiden tuki Yhdysvalloissa voi olla biljoonia dollareita vuodessa. Jos uusiutuvia polttoaineita tuettaisiin tällä nopeudella, tuotantokustannuksia voitaisiin alentaa ja uusiutuvat biopolttoaineet voisivat kilpailla fossiilisten polttoaineiden kanssa.