Biodegvielas pamatsastāvs

Viens no daudzajiem risinājumiem, kas palīdz ierobežot globālo sasilšanu, ir alternatīvu enerģijas avotu meklēšana. Saules paneļi un vēja turbīnas var atbalstīt globālās vajadzības pēc elektroenerģijas, ieskaitot elektromobiļus, taču pašreizējo Automobiļu, kravas automašīnu, lidmašīnu, ģeneratoru un citu dzinēju darbībai ir jāpaļaujas uz fosilo degvielu uzrunāts. Biodegvielai, piemēram, biodīzeļdegvielai, tiek izmantota šķidrā degviela, kas izveidota no augu materiāliem, kas var aizstāt fosilā kurināmā sadedzināšanu.

Fosilais kurināmais ir iegūti no nerafinēta naftas. Šī jēlnafta ir viela, kas veidojusies no augu un dzīvnieku dzīves atliekām un kas miljoniem gadu ir bijusi pakļauta milzīgam spiedienam.

Trīs galvenie fosilā kurināmā veidi ir nafta, ogles un dabasgāze, no kuriem neviens nav atjaunojams. Tas nozīmē, ka fosilais kurināmais, kas pastāv šodien, kādu dienu var tikt izsmelts. Lai sagatavotos fosilā kurināmā izsīkšanai, tika un tiek radītas biodegvielas.

Biodegviela ir iegūti no dzīviem vai nesen dzīviem augu materiāliem, piemēram, kukurūzas vai stiebrzāles, daudzgadīgas zāles, kas var izaugt no 8 līdz 10 pēdām augsta. Šo beztaras materiālu sauc par biomasu un uzskata par atjaunojamu enerģijas avotu, jo augu materiālu var ataugt.

Dedzinot fosilo degvielu, rodas oglekļa dioksīds, un jau sen ir zināms, ka šis papildu oglekļa dioksīds palielina Zemes atmosfēras dabisko siltumnīcas efektu.

Īsāk sakot, siltumnīcas efekts ir saules enerģija, kas nonāk Zemē, to sasilda, pēc tam atkal izstaro atmosfērā. Siltumnīcas gāzes, piemēram, oglekļa dioksīds vai metāns, absorbē šo enerģiju un atkal izstaro daļu no tās uz Zemi. Tas palīdz sasildīt atmosfēru līdz vidējai globālajai temperatūrai aptuveni 16 grādiem pēc Celsija (59 grādiem pēc Fārenheita), kas spēj atbalstīt dzīvību.

Fosilais kurināmais paātrina siltumnīcas efektu ievietojot atmosfērā vairāk oglekļa dioksīda, un tas paaugstina planētas temperatūru, un šo efektu sauc par globālā sasilšana. Šī temperatūras maiņa var izraisīt klimata izmaiņas, jo Zemes parastais klimats kļūst nelīdzsvarots.

Dedzinot biodegvielu, rodas arī oglekļa dioksīds, neliels daudzums oglekļa monoksīda un citas daļiņas tāpat kā fosilais kurināmais. Atšķirība nav tik daudz sadegšanas saturā, bet gan tā, ka biomasa to nesenajā pieaugumā fotosintēzes laikā izmantoja atmosfēras oglekļa dioksīdu.

Pieņēmums ir tāds, ka sadedzinātā biodegviela aizstāj sākotnējo oglekļa dioksīdu, ko uzņem fotosintēze. Tāpēc biodegviela tiek uzskatīti par oglekļa dioksīda neto emisija ir nulle visā viņu dzīves laikā.

Fosilais kurināmais sastāv no ogļūdeņražiem gan ķēdes, gan aromātiskos veidos, bet biodegviela sastāv no ogļūdeņražu ķēdēm ar piesaistītām skābekļa grupām. To ķīmiskais sastāvs var ietvert skābes, spirtus un esterus.

Biodegviela drīzāk ir pārejas pieeja nulles oglekļa emisijām, jo ​​biomasas sadegšana joprojām rada oglekļa dioksīds, daļiņas un pievienots skābeklis degšanas laikā var pat radīt toksīnus, piemēram, formaldehīdu process.

Biodegvielai ir paaudzes. Pirmā biodegvielas ražošanas paaudze ir degviela, kuras pamatā ir augu kultūras, piemēram, kukurūza vai cukurniedres. Otrā paaudze ir no dzīvnieku vai augu atkritumiem, un trešās paaudzes biodegviela ir iegūta no aļģēm.

Pastāv dažāda veida biodegvielas, un daudzas no tām pašlaik tiek izmantotas maisījumos ar fosilo degvielu benzīnu vai dīzeļdegvielu. Zemāk ir parastās biodegvielas, kuras pašlaik tiek izmantotas, un to definīcijas, sastāvs, ražošana un izmantošana.

Biodīzeļdegvielas pamatdefinīcija ir zeltainas vai tumši brūnas krāsas degviela, kas paredzēta kā dīzeļdegvielas aizstājējs. Biodīzeļdegvielas sastāvs galvenokārt ir triglicerīdi, kas tiek klasificēti kā esteri. Esterus pārstrādā, pāresterificējot. Bioloģiskās eļļas no augu un dzīvnieku taukiem - tajā skaitā gatavošanā izmantotās eļļas - karsētos apstākļos reaģē ar īssavienojuma spirtiem un katalizatoru.

Pāresterificējot esterus, garās ķēdes taukskābes, pārvērš biodīzeļdegvielā un glicerīnā. Kaut arī maisījums, biodīzeļdegvielas ķīmiskā pamatformula ir C₁₇H₃₄O₂, ar esteru grupu –CO₂CH₃ garās oglekļa ķēdes beigās.

Biodīzeļus izmanto dzinējos, kas paredzēti dīzeļdegvielai. Biodīzeļdegviela degšanas procesā saražo mazāk sēra, bet nodrošina mazāk enerģijas nekā dīzeļdegviela uz naftas bāzes. Lai izmantotu biodīzeļdegvielu, ir nepieciešamas minimālas motora modifikācijas; parasti tikai sintētiskā kaučuka šļūteņu un blīvju uzstādīšana degvielas sistēmā, jo biodegviela noārda dabisko kaučuku.

Zemā temperatūrā augsta biodegvielas koncentrācija kļūst pārāk viskoza, lai darbotos motorā, un tā nebūtu piemērots temperatūrai, kas zemāka par 13 grādiem pēc Celsija (55 grādi pēc Fārenheita), jo var rasties motora daļu korozija rodas. Maisījumi ar mazāk nekā 20 procentiem biodegvielas un 80 vai vairāk procentiem dīzeļdegvielas apiet šo viskozitātes problēmu.

Biodīzeļdegvielu var iegādāties noteiktās degvielas uzpildes stacijās, un to parasti izplata kā B100, 100% biodegvielu vai B20, kas ir 20% biodegvielas un 80% dīzeļdegvielas maisījums. Gāzes nobraukums samazinās virs biodīzeļdegvielas B20 vērtējuma. Šis samazinājums atceļ jebkādu ieguvumu, kas dīzeļdegvielai ir vairāk nekā benzīnam, īpaši, braucot ar lielāku ātrumu.

Etanola pamata definīcija ir bezkrāsains šķidrums, ko iegūst, dabiski fermentējot cukurus. Etanolu veido ogleklis, ūdeņradis un hidroksīda grupa, un to iegūst no kukurūzas, cukurbietēm un cukurniedrēm. Izmantotais process ir fermentācija. Ekonomiskāks process ir kukurūzas sasmalcināšana miltiem līdzīgā konsistencē pirms raudzēšanas.

Pēc fermentācijas procesa etanolu destilē (attīra) līdz augstai koncentrācijai. Etanola molekulas ķīmiskā formula ir C₂H₅OH.

Etanolu var izmantot motoros, kas paredzēti benzīnam. Jebkurš transportlīdzeklis, kas tiek pārdots Amerikas Savienotajās Valstīs, var darboties ar 10% etanola un 90% bezsvina benzīna maisījumu. Lielākā daļa šobrīd pārdotā benzīna tiek sajaukti ar etanolu.

Etanols palīdz pilnīgāk degt benzīnam; tas palielina enerģijas ražu, bet tam ir potenciāls, ka vairāk smoga piesārņotāju nonāk vidē.

Metanola pamata definīcija ir bezkrāsains šķidrums, kas destilēts no augu materiāla vai oksidējot metānu. Metanols sastāv no oglekļa, ūdeņraža un hidroksīda. Tas ir vienkāršākais spirts ar ķīmisko formulu CH₃OH. Metanola ražošana ir lētāka nekā etanola ražošana, un to var iegūt no jebkura augu materiāla vai no poligona gāzes vai spēkstacijas emisijām.

Metanolu ražo, izmantojot oglekļa monoksīda un ūdeņraža sintēzes reakciju. Šīs sastāvdaļas var rasties, sadedzinot ogles, gāzi vai biomasu. Viena procesa atkritumu, piemēram, ogļu sadedzināšanas gāzu, izmantošana cita procesa sākuma produktiem process, tāpat kā metanola radīšana, ir rūpnieciskā pārstrāde, un tas samazinās piesārņojošo vielu izplūdi atmosfēru.

Metanolu var izmantot ar benzīnu darbināmos motoros. Metanola kā degvielas izmantošanas priekšrocības ir mazāks toksīnu un cieto daļiņu daudzums no degšanas nekā benzīns. Benzīna dzinējos var sajaukt līdz 15 procentiem metanola pēc tilpuma, bez motora pārveidošanas.

Lai gan metanols ir ievērojami lētāks, gāzes nobraukuma samazināšana atceļ rentabilitāti. Arī metanolā ir grūti noņemt ūdeni, un tas var korozēt motora šļūtenes un blīves.

Biobutanola pamata definīcija ir bezkrāsaina šķidrā degviela, kas izgatavota no dažiem augiem, galvenokārt no kukurūzas. Butanola pamatsastāvs sastāv no oglekļa, ūdeņraža un skābekļa. Tas ir četru oglekļa spirts (butilspirts) ar ķīmisko formulu C₄H₁₀O.

Biobutanolu galvenokārt iegūst no kukurūzas izejvielu fermentācijas. Fermentējot vienkāršos cukurus no izejvielām, rodas butanols, etanols un acetons. Šo blakusproduktu atdalīšana palielina ražošanas izmaksas, lai gan jebkura pārstrādes rūpnīca, kas ražo etanolu, var ražot arī butanolu.

Biobutanols ir mazāk kodīgs un nodrošina gandrīz par 25 procentiem vairāk enerģijas nekā etanols, un to var sajaukt ar benzīnu, lai palīdzētu samazināt siltumnīcefekta gāzes. Butanolu pirms transportēšanas var sajaukt ar benzīnu, savukārt etanols jāpārvadā atsevišķi un jāsajauc degvielas izejā.

Biobutanols nodrošina mazāk enerģijas nekā benzīns, bet sadedzinot ir ievērojami mazāk toksisko savienojumu. Jebkura automašīna, kas darbojas ar benzīnu, var darboties ar biobutanola maisījumu. Lielākā daļa automašīnu ražotāju pieņems biobutanola maisījumu ar benzīnu līdz 15 procentiem bez motora pārveidošanas.

Aļģu biodegvielas pamatdefinīcija ir gaiši zaļa šķidrā degviela, kas izgatavota no aļģēm. Tāpat kā augi, arī aļģes fotosintēzes rezultātā pārvērš saules gaismu. Ir vairāk nekā 100 000 ģenētiski daudzveidīgu aļģu celmu, sākot no maziem vienšūņiem dīķos līdz lielai brūnaļģēm okeānā.

Aļģēs ir augsta lipīdu vai taukainu, eļļu saturošu molekulu koncentrācija. Šie lipīdi ir jāekstrahē, un tos var pārveidot par biodegvielu. Ir daudz aļģu veidu, bet vispārējā aļģu biodegvielas ķīmiskā formula ir C₁₀₆H₂₆₃O₁₁₀N₁₆.

Hlorella un spirulīna ir vairāk piemērotas biosintēzei nekā citas aļģes, bet ģenētiski modificētas aļģes rada organismus ar lielāku lipīdu saturu, kas enerģijas daudzumu varētu palielināt līdz pat 40 procenti.

Aļģes var kultivēt lielos atklātos dīķos vai baseina veida sistēmās. Slēgtas cilpas sistēmas nav atvērtas gaisam, un tajā jāiepumpē oglekļa dioksīds. Izmantojot CO₂ no dūmu krāvumiem var pārstrādāt atkritumus no viena procesa par citu degvielu. Aļģu augšana ir bagātīga, un produktu var savākt vidēji ik pēc piecām dienām.

Lai atdalītu lipīdus, aļģēm jābūt sausiem pulveriem. Bieži vien aļģu žāvēšana prasa vairāk enerģijas nekā enerģija, ko degviela nodrošinātu, sadedzinot kā izmantojamu degvielu. Tiek izstrādāta jauna tehnoloģija, kas izlaiž žāvēšanas procesu un satur aļģes šķidrās suspensijas stāvoklī, kamēr šķīdinātāja strūklas ekstrahē lipīdus.

Tāpat kā augu eļļa, arī aļģes satur lipīdus, un aļģu degvielu var pārveidot par biodīzeļdegvielu. To var izmantot jebkurā dīzeļdzinējā.

Var izveidot maisījumus, sākot no B5, 5% biodegvielas ar 95% dīzeļdegvielu, līdz B50, 50% biodegvielas un 50% dīzeļdegvielas. B30 maisījums vienā pētījumā bija nedaudz efektīvāks nekā dīzeļdegviela, bet citos - CO₂ emisijas bija lielākas nekā fosilajam kurināmajam.

Biodegvielai par pamatu jābūt augu augšanai. Pasaulē, kurā arvien pieaug iedzīvotāju skaits - paredzams, ka līdz 2050. gadam tas sasniegs 9,6 miljardus, - auglīgas zemes izmantošana augu audzēšanai degvielai var nebūt cilvēku interesēs. Tomēr, ja tiktu izmantotas nomelnotas zemes platības, piemēram, pamestas lauksaimniecības zemes, tas kompensētu šīs bažas.

No uzskaitītajām biodegvielām biodīzeļdegviela ir visdemokrātiskākā. Patērētājs ar lētu starta vietu un vietu savā pagalmā varētu izveidot biodegvielu. Izmantoto cepamo eļļu varēja savākt no vietējiem restorāniem, filtrēt un pēc tam ievietot traukā pāresterificēšanai.

Biodegvielas izmaksas joprojām ir augstas, salīdzinot ar fosilo degvielu. Tomēr tas notiek arī tāpēc, ka valsts piešķir subsīdijas fosilajam kurināmajam. Fosilā kurināmā subsīdijas ASV var būt aptuveni triljoni dolāru gadā. Ja atjaunojamās degvielas tiktu subsidētas ar šādu likmi, varētu samazināt ražošanas izmaksas un atjaunojamā biodegviela varētu konkurēt ar fosilo kurināmo.