Osnovni sastav biogoriva

Jedno od mnogih rješenja za suzbijanje globalnog zatopljenja je pronalazak zamjenskih izvora energije. Solarni paneli i vjetroagregati mogu podržati globalne potrebe za električnom energijom, uključujući električne automobile, ali sadašnje oslanjanje na fosilna goriva za pogon automobila, kamiona, zrakoplova, generatora i drugih motora mora biti obratio. Biogorivo poput biodizela koristi tekuće gorivo stvoreno od biljnog materijala koje može zamijeniti izgaranje fosilnih goriva.

Fosilna goriva potječu od nerafinirane nafte. Ova sirova nafta tvar je koja nastaje iz ostataka biljnog i životinjskog svijeta koja se milijunima godina drži pod silnim pritiskom.

Tri glavne vrste fosilnih goriva su nafta, ugljen i prirodni plin, od kojih nijedna nije obnovljiva. To znači da će fosilna goriva koja postoje danas jednog dana možda biti iscrpljena. Da bi se pripremili za pojavu iscrpljivanja fosilnih goriva, biogoriva su stvorena i stvaraju se.

Biogoriva potječu od živog ili nedavno živog biljnog materijala poput kukuruza ili trave, višegodišnje trave koja može narasti od 8 do 10 stopa. Ova rasuta tvar naziva se biomasa i smatra se obnovljivim izvorom energije jer se biljni materijal može ponovno izrasti.

Izgaranjem fosilnih goriva nastaje ugljični dioksid, a za taj dodatni ugljični dioksid odavno je poznato da povećava prirodni efekt staklenika u Zemljinoj atmosferi.

Ukratko, efekt staklenika je sunčeva energija koja dolazi do Zemlje, zagrijavajući je, a zatim ponovno zrači u atmosferu. Staklenički plinovi poput ugljičnog dioksida ili metana apsorbiraju tu energiju i dio zračenja ponovno zrače na Zemlju. To pomaže zagrijati atmosferu na prosječnu globalnu temperaturu od oko 16 stupnjeva Celzijusa (59 stupnjeva Fahrenheita), sposobnu za život.

Fosilna goriva ubrzavaju efekt staklenika stavljanjem više ugljičnog dioksida u atmosferu, a to podiže temperaturu planeta, učinak poznat kao globalno zatopljenje. Ovaj pomak temperature može uzrokovati klimatske promjene jer uobičajena Zemljina klima postaje neuravnotežena.

Izgaranjem biogoriva također nastaje ugljični dioksid, male količine ugljičnog monoksida i druge čestice baš kao što to čine fosilna goriva. Razlika nije toliko u sadržaju izgaranja, već u tome što je biomasa, u njihovom nedavnom rastu, koristila atmosferski ugljični dioksid tijekom fotosinteze.

Pretpostavka je da izgorjelo biogorivo zamjenjuje izvorni ugljični dioksid koji se uzima fotosintezom. Stoga, biogoriva smatraju se da imaju neto emisiju ugljičnog dioksida nula tijekom njihova životnog vijeka.

Fosilna goriva sastoje se od ugljikovodika i u lančanom i u aromatičnom obliku, ali biogorivo se sastoji od ugljikovodičnih lanaca s povezanim skupinama kisika. Njihov kemijski sastav može uključivati ​​kiseline, alkohole i estere.

Biogorivo je više prijelazni pristup nultoj emisiji ugljika budući da izgaranjem biomase i dalje nastaje ugljični dioksid, čestice i s dodanim kisikom, čak mogu stvoriti toksine poput formaldehida u izgaranju postupak.

Biogorivo ima generacije. Prva generacija proizvodnje biogoriva je gorivo temeljeno na biljnim kulturama poput kukuruza ili šećerne trske. Druga generacija potječe od životinjskog ili biljnog otpada, a treća generacija biogoriva potječe iz algi.

Postoje različite vrste biogoriva, a mnoga se trenutno koriste u mješavinama s fosilnim gorivima, benzinom ili dizelom. Ispod su uobičajena biogoriva koja se trenutno koriste i njihove definicije, sastav i proizvodnja i namjene.

Osnovna definicija biodizela je gorivo zlatne do tamno smeđe boje namijenjeno zamjeni za dizel. Sastav biodizela uglavnom su trigliceridi koji su klasificirani kao esteri. Esteri se prerađuju transesterifikacijom. Biološka ulja iz biljnih i životinjskih masti - to uključuje rabljena ulja iz kuhanja - reagiraju s kratkolančanim alkoholima i katalizatorom u zagrijanim uvjetima.

Tranesterifikacija pretvara estere, dugolančane masne kiseline u biodizel i glicerin. Iako je smjesa, osnovna kemijska formula biodizela je C₁₇H₃₄O₂s esterskom skupinom –CO₂CH₃ na kraju dugog ugljičnog lanca.

Biodizeli se koriste u motorima dizajniranim za dizel gorivo. Biodizel proizvodi manje sumpora u procesu izgaranja, ali daje manje energije od dizelskog goriva na bazi nafte. Potrebne su minimalne preinake motora kako bi se koristio biodizel; obično samo ugradnja crijeva i brtvila od sintetičke gume u sustav goriva jer biogorivo razgrađuje prirodnu gumu.

Pri niskim temperaturama visoka koncentracija biogoriva postaje previše viskozna za rad u motoru i ne bi bila prikladno za temperature niže od 13 stupnjeva Celzijusa (55 stupnjeva Fahrenheita) jer korozija na dijelovima motora može nastaju. Mješavine manje od 20 posto biogoriva i 80 ili više posto dizela zaobilaze ovu zabrinutost zbog viskoznosti.

Biodizel se može kupiti na određenim benzinskim crpkama i obično se distribuira kao B100, 100 posto biogoriva ili B20, mješavina 20 posto biogoriva i 80 posto dizela. Kilometare se smanjuju iznad B20 ocjene biodizela. Ovo smanjenje poništava svaki dobitak koji dizel ima u odnosu na benzin, posebno kada se putuje velikom brzinom.

Osnovna definicija etanola je bezbojna tekućina koja nastaje prirodnim vrenjem šećera. Etanol se sastoji od ugljika, vodika i hidroksidne skupine, a potječe od kukuruza, šećerne repe i šećerne trske. Postupak koji se koristi je fermentacija. Ekonomičniji je postupak mljevenja kukuruza u brašnu konzistenciju prije fermentacije.

Nakon postupka fermentacije etanol se destilira (pročišćava) do visoke koncentracije. Kemijska formula molekule etanola je C₂H₅OH.

Etanol se može koristiti u motorima dizajniranim za benzin. Svako vozilo koje se prodaje u Sjedinjenim Državama može raditi na mješavini od 10 posto etanola i 90 posto bezolovnog benzina. Većina benzina koji se sada prodaje miješa se s etanolom.

Etanol pomaže benzinu da potpuno sagorije; to povećava prinos energije, ali ima potencijal da doprinese više zagađivača smoga u okoliš.

Osnovna definicija metanola je bezbojna tekućina destilirana iz biljnog materijala ili oksidacijskim metanom. Metanol se sastoji od ugljika, vodika i hidroksida. To je najjednostavniji alkohol s kemijskom formulom CH₃OH. Metanol je jeftiniji za proizvodnju od etanola i može se dobiti iz bilo kojeg biljnog materijala ili iz odlagališnih plinova ili emisija iz elektrana.

Metanol se proizvodi reakcijom sinteze ugljičnog monoksida i vodika. Te se komponente mogu generirati izgaranjem ugljena, plina ili biomase. Korištenje otpadnog proizvoda jednog postupka, poput plinova izgaranja ugljena, za početne proizvode drugog Postupak, poput stvaranja metanola, je industrijska reciklaža i smanjit će ispuštanje onečišćujućih tvari u atmosfera.

Metanol se može koristiti u motorima na benzinski pogon. Prednosti upotrebe metanola kao goriva uključuju manju količinu toksina i čestica izgaranjem od benzina. Do 15 posto volumena metanola može se miješati u benzinske motore bez ikakvih preinaka motora.

Iako je metanol znatno jeftiniji, smanjenje kilometraže plina poništava isplativost. Također je teško ukloniti vodu iz metanola, a to može nagrizati crijeva i brtve motora.

Osnovna definicija biobutanola je bezbojno tekuće gorivo dobiveno od određenih biljaka, uglavnom kukuruza. Osnovni sastav butanola sastoji se od ugljika, vodika i kisika. To je alkohol s četiri ugljika (butil alkohol) s kemijskom formulom C₄H₁₀O.

Biobutanol se prvenstveno dobiva fermentacijom sirovine kukuruza. U fermentaciji jednostavnih šećera iz sirovine proizvode se butanol, etanol i aceton. Odvajanjem ovih nusproizvoda povećavaju se troškovi proizvodnje, mada bilo koje postrojenje za preradu koje proizvodi etanol može proizvesti i butanol.

Biobutanol je manje korozivan i daje gotovo 25 posto više energije od etanola, a može se miješati s benzinom kako bi se smanjilo smanjenje stakleničkih plinova. Butanol se prije transporta može miješati s benzinom, dok se etanol mora transportirati odvojeno i miješati na izlazu za gorivo.

Biobutanol daje manje energije od benzina, ali ima znatno manje toksičnih spojeva pri izgaranju. Svaki automobil koji radi na benzin može raditi na smjesi biobutanola. Većina proizvođača automobila prihvatit će mješavinu biobutanola s benzinom do 15 posto, bez izmjena na motoru.

Osnovna definicija biogoriva algi je svijetlozeleno tekuće gorivo izrađeno od algi. Poput biljaka, alge fotosintezom pretvaraju sunčevu svjetlost u energiju. Postoji preko 100 000 genetski raznolikih sojeva algi, od sitnih praživotinja u ribnjacima do velikih algi u oceanu.

Alge imaju visoku koncentraciju lipida ili masnih molekula koje sadrže ulje. Te lipide treba ekstrahirati i mogu se pretvoriti u biogorivo. Postoji mnogo vrsta algi, ali općenita kemijska formula biogoriva algi je C₁₀₆H₂₆₃O₁₁₀N₁₆.

Chlorella i spirulina prikladniji su za biosintezu od ostalih algi, ali genetski modificirani alge stvaraju organizme s većim udjelom lipida koji bi mogli povećati donos energije do 40 posto.

Alge se mogu uzgajati u velikim otvorenim ribnjacima ili sustavima sličnim bazenima. Sustavi zatvorene petlje nisu otvoreni za zrak i mora se pumpati ugljični dioksid. Korištenje CO₂ iz dimnjaka mogu reciklirati otpadni proizvod iz jednog postupka za gorivo drugog. Rast algi je bogat, a proizvod se može sakupljati u prosjeku svakih pet dana.

Da bi odvojile lipide, alge moraju biti suhi prah. Sušenje algi često uzima više energije od energije koju bi gorivo dalo kad se sagorije kao korisno gorivo. Razvija se nova tehnologija koja preskače postupak sušenja i ima alge u stanju tekuće suspenzije, dok mlazovi otapala ekstrahiraju lipide.

Poput biljnog ulja, alge sadrže lipide, a gorivo od algi može se pretvoriti u biodizel. Može se koristiti u bilo kojem dizelskom motoru.

Mogu se stvoriti mješavine koje se kreću od B5, 5 posto biogoriva u 95 posto dizela, do B50, 50 posto biogoriva i 50 posto dizela. Smjesa B30 bila je nešto učinkovitija od dizelskog goriva u jednoj studiji, a u drugim studijama CO₂ emisije su bile veće nego za fosilna goriva.

Kao osnova biogorivu potreban je rast biljaka. U svijetu sve većeg broja stanovništva - za koji se očekuje da će do 2050. doseći 9,6 milijardi - korištenje plodne zemlje za uzgoj biljaka za gorivo možda nije u najboljem interesu ljudi. Međutim, ako se koriste područja ocrnjenog zemljišta, poput napuštenih poljoprivrednih površina, to bi umanjilo tu zabrinutost.

Od navedenih biogoriva biodizel je najdemokratskiji. Potrošač bi mogao, uz jeftin start-up i prostor, stvoriti biogorivo u svom dvorištu. Upotrijebljeno ulje za kuhanje moglo se prikupiti iz lokalnih restorana, filtrirati i staviti u posudu za transesterifikaciju.

Trošak biogoriva ostaje visok u usporedbi s fosilnim gorivima. Međutim, to je i zbog državnih subvencija za fosilna goriva. Subvencije za fosilna goriva u Sjedinjenim Državama mogu iznositi bilijune dolara godišnje. Ako bi se obnovljiva goriva subvencionirala ovom stopom, troškovi proizvodnje mogli bi se smanjiti, a obnovljiva biogoriva mogla bi konkurirati fosilnim gorivima.