Composizione di base del biocarburante

Una delle tante soluzioni per aiutare a frenare il riscaldamento globale è trovare fonti energetiche alternative. I pannelli solari e le turbine eoliche possono supportare il fabbisogno globale di elettricità, comprese le auto elettriche, ma l'attuale la dipendenza dai combustibili fossili per alimentare automobili, camion, aeroplani, generatori e altri motori deve essere indirizzato. I biocarburanti come il biodiesel utilizzano un combustibile liquido creato da materiale vegetale che può sostituire la combustione di combustibili fossili.

Combustibili fossili derivano dal petrolio non raffinato. Questo petrolio greggio è una sostanza formata dai resti di piante e animali che è stata tenuta sotto tremenda pressione per milioni di anni.

I tre principali tipi di combustibili fossili sono petrolio, carbone e gas naturale, nessuno dei quali è rinnovabile. Ciò significa che i combustibili fossili che esistono oggi potrebbero un giorno esaurirsi. Per prepararsi all'avvento dell'esaurimento dei combustibili fossili, i biocarburanti sono stati e vengono creati.

Biocarburanti sono derivati ​​da materiale vegetale vivente o recentemente vivente come il mais o l'erba rampicante, un'erba perenne che può crescere da 8 piedi a 10 piedi di altezza. Questo materiale sfuso è chiamato biomassa ed è considerato una fonte di energia rinnovabile poiché il materiale vegetale può essere ricresciuto.

La combustione di combustibili fossili produce anidride carbonica e questa anidride carbonica in più è nota da tempo per aumentare l'effetto serra naturale dell'atmosfera terrestre.

In breve, l'effetto serra è l'energia del sole che raggiunge la Terra, la riscalda, quindi viene re-irradiata nell'atmosfera. I gas serra come l'anidride carbonica o il metano assorbono questa energia e ne ri-irradiano parte sulla Terra. Questo aiuta a riscaldare l'atmosfera a una temperatura globale media di circa 16 gradi Celsius (59 gradi Fahrenheit), in grado di sostenere la vita.

I combustibili fossili accelerano l'effetto serra immettendo più anidride carbonica nell'atmosfera, e questo aumenta la temperatura del pianeta, un effetto noto come il riscaldamento globale. Questo cambiamento di temperatura può causare cambiamenti climatici poiché il clima abituale della Terra diventa sbilanciato.

La combustione di biocarburanti produce anche anidride carbonica, piccole quantità di monossido di carbonio e altri particolati proprio come fanno i combustibili fossili. La differenza non è tanto nei contenuti della combustione, ma che la biomassa, nella sua recente crescita, ha utilizzato l'anidride carbonica atmosferica durante la fotosintesi.

Il presupposto è che il biocarburante bruciato sostituisca l'anidride carbonica originale assorbita dalla fotosintesi. Perciò, biocarburanti sono considerati avere un'emissione netta di anidride carbonica pari a zero nel corso della loro vita.

I combustibili fossili sono costituiti da idrocarburi sia in forma a catena che aromatica, ma i biocarburanti sono costituiti da catene di idrocarburi con gruppi di ossigeno attaccati. La loro composizione chimica può includere acidi, alcoli ed esteri.

Il biocarburante è più un approccio di transizione verso zero emissioni di carbonio poiché la combustione della biomassa produce ancora anidride carbonica, particolato e con l'aggiunta di ossigeno, può anche creare tossine come la formaldeide nella combustione processi.

Il biocarburante ha generazioni. La prima generazione di produzione di biocarburanti è il carburante basato su colture vegetali come mais o canna da zucchero. La seconda generazione proviene da rifiuti animali o vegetali e il biocarburante di terza generazione è derivato dalle alghe.

Esistono diversi tipi di biocarburanti e molti sono attualmente utilizzati in miscele con i combustibili fossili benzina o diesel. Di seguito sono riportati i biocarburanti comuni attualmente in uso e le loro definizioni, composizione, produzione e usi.

La definizione di base del biodiesel è un carburante di colore da dorato a marrone scuro inteso come sostituto del diesel. La composizione del biodiesel è principalmente costituita da trigliceridi classificati come esteri. Gli esteri vengono elaborati tramite transesterificazione. Gli oli biologici da grassi vegetali e animali - questo include oli usati da cucina - reagiscono con alcoli a catena corta e un catalizzatore in condizioni riscaldate.

La tranesterificazione converte gli esteri, gli acidi grassi a catena lunga, in biodiesel e glicerina. Sebbene sia una miscela, la formula chimica di base del biodiesel è C₁₇H₃₄oh₂, con il gruppo estere –CO₂CH₃ alla fine della lunga catena del carbonio.

I biodiesel sono utilizzati nei motori progettati per il carburante diesel. Il biodiesel produce meno zolfo nel processo di combustione ma fornisce meno energia rispetto al diesel a base di petrolio. Sono necessarie modifiche minime al motore per utilizzare il biodiesel; di solito, solo l'installazione di tubi in gomma sintetica e guarnizioni nel sistema di alimentazione poiché il biocarburante degrada la gomma naturale.

A basse temperature, un'alta concentrazione di biocarburante diventa troppo viscosa per funzionare in un motore e non sarebbe adatto a temperature inferiori a 13 gradi Celsius (55 gradi Fahrenheit) in quanto la corrosione delle parti del motore potrebbe si verificano. Miscele con meno del 20 percento di biocarburante e 80 o più percento di diesel circumnavigano questo problema di viscosità.

Il biodiesel può essere acquistato in alcune stazioni di rifornimento ed è comunemente distribuito come B100, 100% biocarburante, o B20, una miscela di 20% di biocarburante e 80% di diesel. Il consumo di carburante diminuisce al di sopra di una valutazione B20 del biodiesel. Questa diminuzione annulla qualsiasi guadagno che il diesel ha sulla benzina, specialmente quando si viaggia a velocità più elevate.

La definizione di base dell'etanolo è un liquido incolore prodotto dalla fermentazione naturale degli zuccheri. L'etanolo è composto da carbonio, idrogeno e un gruppo idrossido ed è derivato da mais, barbabietola da zucchero e canna da zucchero. Il processo utilizzato è la fermentazione. Il processo più economico consiste nel macinare il mais in una consistenza simile alla farina prima della fermentazione.

Dopo il processo di fermentazione, l'etanolo viene distillato (purificato) ad alta concentrazione. La formula chimica della molecola di etanolo è C₂H₅OH.

L'etanolo può essere utilizzato nei motori progettati per benzina. Qualsiasi veicolo venduto negli Stati Uniti può funzionare con una miscela al 10% di etanolo e al 90% di benzina senza piombo. La maggior parte della benzina venduta ora è miscelata con etanolo.

L'etanolo aiuta la benzina a bruciare più completamente; questo aumenta la resa energetica, ma ha il potenziale di contribuire a più inquinanti dello smog nell'ambiente.

La definizione di base del metanolo è un liquido incolore distillato da materiale vegetale o ossidando il metano. Il metanolo è costituito da carbonio, idrogeno e idrossido. È il più semplice degli alcoli con formula chimica CH₃OH. Il metanolo è meno costoso da produrre rispetto all'etanolo e può essere derivato da qualsiasi materiale vegetale o dai gas di discarica o dalle emissioni delle centrali elettriche.

Il metanolo viene prodotto attraverso una reazione di sintesi di monossido di carbonio e idrogeno. Questi componenti possono essere generati dalla combustione di carbone, gas o biomassa. Utilizzo del prodotto di scarto di un processo, come i gas della combustione del carbone, per i prodotti di partenza di un altro processo, come la creazione di metanolo, è il riciclaggio industriale e ridurrà il rilascio di inquinanti nel atmosfera.

Il metanolo può essere utilizzato nei motori a benzina. I vantaggi dell'utilizzo del metanolo come combustibile includono un volume inferiore di tossine e particolato dalla combustione rispetto alla benzina. Fino al 15% di metanolo in volume può essere miscelato nei motori a benzina senza alcuna modifica al motore.

Sebbene il metanolo sia significativamente meno costoso, la riduzione del chilometraggio del gas annulla l'efficacia dei costi. Inoltre, è difficile rimuovere l'acqua dal metanolo e questo può corrodere i tubi flessibili e le guarnizioni del motore.

La definizione di base del biobutanolo è un combustibile liquido incolore prodotto da alcune piante, principalmente mais. La composizione di base del butanolo è costituita da carbonio, idrogeno e ossigeno. È un alcol a quattro atomi di carbonio (alcol butilico) con una formula chimica di C₄H₁₀O.

Il biobutanolo deriva principalmente dalla fermentazione della materia prima del mais. Nella fermentazione di zuccheri semplici da materia prima si producono butanolo, etanolo e acetone. La separazione di questi sottoprodotti aumenta i costi di produzione, anche se qualsiasi impianto di lavorazione che produce etanolo può anche produrre butanolo.

Il biobutanolo è meno corrosivo e fornisce quasi il 25% di energia in più rispetto all'etanolo e può essere miscelato con la benzina per aiutare a ridurre i gas serra. Il butanolo può essere miscelato con la benzina prima del trasporto mentre l'etanolo deve essere trasportato separatamente e miscelato all'uscita del carburante.

Il biobutanolo fornisce meno energia della benzina, ma ha significativamente meno composti tossici dopo la combustione. Qualsiasi auto che funziona a benzina può funzionare con una miscela di biobutanolo. La maggior parte delle case automobilistiche accetterà una miscela di biobutanolo con benzina fino al 15% senza modifiche al motore.

La definizione di base del biocarburante alghe è un combustibile liquido verde chiaro a base di alghe. Come le piante, le alghe convertono la luce solare in energia mediante la fotosintesi. Esistono oltre 100.000 ceppi di alghe geneticamente diversi, dai piccoli protozoi negli stagni alle grandi alghe nell'oceano.

Le alghe hanno un'alta concentrazione di lipidi o molecole grasse contenenti olio. Questi lipidi devono essere estratti e possono essere convertiti in biocarburante. Esistono molti tipi di alghe, ma una formula chimica generale per i biocarburanti delle alghe è C₁₀₆H₂₆₃oh₁₁₀no₁₆.

La clorella e la spirulina sono più adatte alla biosintesi rispetto ad altre alghe, ma geneticamente modificate le alghe creano organismi con un contenuto lipidico più elevato che potrebbe aumentare la resa energetica fino a 40 per cento.

Le alghe possono essere coltivate in grandi stagni aperti o sistemi simili a piscine. I sistemi a circuito chiuso non sono aperti all'aria e l'anidride carbonica deve essere pompata. Utilizzo di CO₂ dalle ciminiere possono riciclare i prodotti di scarto di un processo per il combustibile di un altro. La crescita delle alghe è abbondante e il prodotto può essere raccolto in media ogni cinque giorni.

Per separare i lipidi, le alghe devono essere una polvere secca. Spesso, l'essiccazione delle alghe richiede più energia di quella che il combustibile fornirebbe una volta bruciato come combustibile utilizzabile. È in fase di sviluppo una nuova tecnologia che salta il processo di essiccazione e presenta le alghe allo stato di sospensione liquida mentre getti di solvente estraggono i lipidi.

Come l'olio vegetale, le alghe contengono lipidi e il carburante delle alghe può essere convertito in biodiesel. Può essere utilizzato in qualsiasi motore diesel.

Si possono creare miscele che vanno da B5, un 5% di biocarburante in 95% di diesel, a B50, 50% di biocarburante e 50% di diesel. La miscela B30 era leggermente più efficiente del carburante diesel in uno studio e in altri studi la CO₂ le emissioni erano superiori a quelle dei combustibili fossili.

Il biocarburante ha bisogno della crescita delle piante come base. In un mondo di popolazione in continua crescita - che si prevede raggiungerà i 9,6 miliardi entro il 2050 - l'utilizzo di terreni fertili per coltivare piante per il carburante potrebbe non essere nel migliore interesse degli esseri umani. Tuttavia, se venissero utilizzate aree di terra denigrata, come i terreni agricoli abbandonati, ciò compenserebbe questa preoccupazione.

Tra i biocarburanti elencati, il biodiesel è il più democratico. Un consumatore potrebbe, con una start-up e uno spazio poco costosi, creare biocarburante nel proprio giardino. L'olio da cucina usato potrebbe essere raccolto dai ristoranti locali, filtrato e quindi posto in un contenitore per la transesterificazione.

Il costo dei biocarburanti rimane elevato rispetto ai combustibili fossili. Tuttavia, ciò è dovuto anche ai sussidi governativi ai combustibili fossili. I sussidi ai combustibili fossili negli Stati Uniti possono essere dell'ordine di migliaia di miliardi di dollari all'anno. Se i combustibili rinnovabili fossero sovvenzionati a questo ritmo, i costi di produzione potrebbero essere ridotti e i biocarburanti rinnovabili potrebbero competere con i combustibili fossili.