Basissamenstelling van biobrandstof

Een van de vele oplossingen om de opwarming van de aarde tegen te gaan, is het vinden van alternatieve energiebronnen. Zonnepanelen en windturbines kunnen de wereldwijde elektriciteitsbehoeften ondersteunen, inclusief elektrische auto's, maar de huidige afhankelijkheid van fossiele brandstoffen voor het aandrijven van auto's, vrachtwagens, vliegtuigen, generatoren en andere motoren moet aangepakt. Biobrandstof zoals biodiesel gebruikt een vloeibare brandstof gemaakt van plantaardig materiaal die de verbranding van fossiele brandstoffen kan vervangen.

Fossiele brandstoffen zijn afgeleid van ongeraffineerde aardolie. Deze ruwe olie is een stof die wordt gevormd uit de overblijfselen van plantaardig en dierlijk leven dat miljoenen jaren onder enorme druk heeft gestaan.

De drie belangrijkste soorten fossiele brandstoffen zijn aardolie, steenkool en aardgas, die geen van alle hernieuwbaar zijn. Dit betekent dat de fossiele brandstoffen die vandaag de dag bestaan, op een dag uitgeput kunnen raken. Om ons voor te bereiden op de komst van uitputting van fossiele brandstoffen, zijn en worden biobrandstoffen gemaakt.

Biobrandstoffen zijn afgeleid van levend of recent levend plantaardig materiaal zoals maïs of switchgrass, een overblijvend gras dat 8 tot 10 voet hoog kan worden. Dit bulkmateriaal wordt biomassa genoemd en wordt beschouwd als een hernieuwbare energiebron omdat het plantmateriaal opnieuw kan worden gekweekt.

Bij het verbranden van fossiele brandstoffen komt koolstofdioxide vrij, en het is al lang bekend dat deze extra koolstofdioxide het natuurlijke broeikaseffect van de aardatmosfeer versterkt.

Kort gezegd, het broeikaseffect is de energie van de zon die de aarde bereikt, deze opwarmt en vervolgens opnieuw in de atmosfeer wordt uitgestraald. Broeikasgassen zoals koolstofdioxide of methaan absorberen deze energie en stralen een deel ervan terug naar de aarde. Dit helpt de atmosfeer op te warmen tot een gemiddelde wereldtemperatuur van ongeveer 16 graden Celsius (59 graden Fahrenheit), in staat om leven te ondersteunen.

Fossiele brandstoffen versnellen het broeikaseffect door meer koolstofdioxide in de atmosfeer te brengen, en dit verhoogt de temperatuur van de planeet, een effect dat bekend staat als opwarming van de aarde. Deze temperatuurverschuiving kan klimaatverandering veroorzaken als het gebruikelijke klimaat op aarde uit balans raakt.

Bij het verbranden van biobrandstoffen komen ook kooldioxide, kleine hoeveelheden koolmonoxide en andere fijnstof vrij, net als fossiele brandstoffen. Het verschil zit hem niet zozeer in de verbrandingsinhoud, maar in het feit dat de biomassa in hun recente groei atmosferische kooldioxide heeft gebruikt tijdens de fotosynthese.

De veronderstelling is dat de verbrande biobrandstof de oorspronkelijke koolstofdioxide vervangt die door fotosynthese is opgenomen. daarom, biobrandstoffen worden beschouwd als een netto CO2-uitstoot van nul hebben over hun levensduur.

Fossiele brandstoffen bestaan ​​uit koolwaterstoffen in zowel keten- als aromatische vorm, maar biobrandstoffen bestaan ​​uit koolwaterstofketens met daaraan gekoppelde zuurstofgroepen. Hun chemische samenstelling kan zuren, alcoholen en esters omvatten.

Biobrandstof is meer een overgangsbenadering naar nul koolstofemissies, aangezien de verbranding van biomassa nog steeds produceert kooldioxide, deeltjes en met de toegevoegde zuurstof, kunnen zelfs gifstoffen zoals formaldehyde bij de verbranding veroorzaken werkwijze.

Biobrandstof kent generaties. De eerste generatie biobrandstofproductie is brandstof op basis van plantaardige gewassen zoals maïs of suikerriet. De tweede generatie is van dierlijk of plantaardig afval en de derde generatie biobrandstof is afkomstig van algen.

Er bestaan ​​verschillende soorten biobrandstoffen en veel worden momenteel gebruikt in mengsels met de fossiele brandstoffen benzine of diesel. Hieronder staan ​​veelvoorkomende biobrandstoffen die momenteel in gebruik zijn en hun definities, samenstelling en productie en gebruik.

De basisdefinitie van biodiesel is een brandstof met een goudbruine tot donkerbruine kleur die bedoeld is als vervanging voor diesel. De samenstelling van biodiesel is meestal triglyceriden die worden geclassificeerd als esters. De esters worden verwerkt door transverestering. Biologische oliën uit plantaardige en dierlijke vetten - waaronder ook gebruikte oliën uit het koken - reageren onder verhitte omstandigheden met alcoholen met een korte keten en een katalysator.

Tranesterificatie zet de esters, de vetzuren met lange keten, om in biodiesel en glycerine. Hoewel het een mengsel is, is de chemische basisformule voor biodiesel C₁₇H₃₄O₂, met de estergroep –CO₂CH₃ aan het einde van de lange koolstofketen.

Biodiesels worden gebruikt in motoren die zijn ontworpen voor dieselbrandstof. Biodiesel produceert minder zwavel in het verbrandingsproces, maar levert minder energie op dan diesel op basis van aardolie. Er zijn minimale motoraanpassingen nodig om biodiesel te gebruiken; meestal alleen de installatie van synthetische rubberen slangen en afdichtingen in het brandstofsysteem, aangezien de biobrandstof natuurlijk rubber afbreekt.

Bij lage temperaturen wordt een hoge concentratie biobrandstof te stroperig om in een motor te werken en zou dat niet zijn geschikt voor temperaturen onder de 13 graden Celsius (55 graden Fahrenheit) omdat corrosie aan motoronderdelen kan optreden. Mengsels van minder dan 20 procent biobrandstof en 80 of meer procent diesel omzeilen dit viscositeitsprobleem.

Biodiesel kan bij bepaalde tankstations worden gekocht en wordt gewoonlijk gedistribueerd als B100, 100 procent biobrandstof of B20, een mengsel van 20 procent biobrandstof en 80 procent diesel. Het benzineverbruik daalt tot boven een B20-classificatie van biodiesel. Deze afname doet de winst die diesel ten opzichte van benzine heeft teniet, vooral bij hogere snelheden.

De basisdefinitie van ethanol is een kleurloze vloeistof die wordt geproduceerd door de natuurlijke fermentatie van suikers. Ethanol bestaat uit koolstof, waterstof en een hydroxidegroep en is afgeleid van maïs, suikerbieten en suikerriet. Het gebruikte proces is fermentatie. Het meer economische proces is om de maïs voor het fermenteren tot een meelachtige consistentie te malen.

Na het fermentatieproces wordt de ethanol gedestilleerd (gezuiverd) tot een hoge concentratie. De chemische formule voor het ethanolmolecuul is C₂H₅OH.

Ethanol kan worden gebruikt in motoren die zijn ontworpen voor benzine. Elk voertuig dat in de Verenigde Staten wordt verkocht, kan rijden op een mengsel van 10 procent ethanol en 90 procent loodvrije benzine. De meeste benzine die nu wordt verkocht, wordt gemengd met ethanol.

Ethanol helpt benzine vollediger te verbranden; dit verhoogt de energieopbrengst, maar het heeft wel het potentieel om meer smogverontreinigende stoffen in het milieu te brengen.

De basisdefinitie van methanol is een kleurloze vloeistof die wordt gedestilleerd uit plantaardig materiaal of door methaan te oxideren. Methanol bestaat uit koolstof, waterstof en een hydroxide. Het is de eenvoudigste alcohol met een chemische formule CH₃OH. Methanol is minder duur om te produceren dan ethanol en kan worden verkregen uit elk plantaardig materiaal of uit stortgas of emissies van elektriciteitscentrales.

Methanol wordt geproduceerd door een synthesereactie van koolmonoxide en waterstof. Deze componenten kunnen worden gegenereerd door de verbranding van steenkool, gas of biomassa. Het afvalproduct van het ene proces, zoals de gassen van de verbranding van steenkool, gebruiken voor de startproducten van een ander proces proces, zoals het maken van methanol, industriële recycling is en de uitstoot van verontreinigende stoffen in de atmosfeer.

Methanol kan worden gebruikt in benzinemotoren. De voordelen van het gebruik van methanol als brandstof zijn onder meer een lager volume aan gifstoffen en deeltjes uit verbranding dan benzine. Tot 15 vol.% methanol kan in benzinemotoren worden gemengd zonder enige motoraanpassing.

Hoewel methanol aanzienlijk goedkoper is, doet de vermindering van het benzineverbruik de kosteneffectiviteit teniet. Ook is het moeilijk om water uit methanol te verwijderen, en dit kan motorslangen en afdichtingen aantasten.

De basisdefinitie van biobutanol is een kleurloze vloeibare brandstof gemaakt van bepaalde planten, meestal maïs. De basissamenstelling van butanol bestaat uit koolstof, waterstof en zuurstof. Het is een alcohol met vier koolstofatomen (butylalcohol) met de chemische formule C₄H₁₀O.

Biobutanol wordt voornamelijk verkregen uit de fermentatie van maïsgrondstoffen. Bij de fermentatie van enkelvoudige suikers uit grondstof worden butanol, ethanol en aceton geproduceerd. De scheiding van deze bijproducten verhoogt de productiekosten, hoewel elke verwerkingsfabriek die ethanol produceert, ook butanol kan produceren.

Biobutanol is minder corrosief en levert bijna 25 procent meer energie dan ethanol en kan worden gemengd met benzine om broeikasgassen te verminderen. Butanol kan vóór transport met benzine worden gemengd, terwijl ethanol afzonderlijk moet worden vervoerd en bij de brandstofuitlaat moet worden gemengd.

Biobutanol levert minder energie dan benzine, maar bevat bij verbranding aanzienlijk minder giftige stoffen. Elke auto die op benzine rijdt, kan op een mengsel van biobutanol rijden. De meeste autofabrikanten accepteren een mengsel van biobutanol met benzine tot 15 procent zonder aanpassingen aan de motor.

De basisdefinitie van biobrandstof voor algen is een lichtgroene vloeibare brandstof gemaakt van algen. Net als planten zetten algen zonlicht door middel van fotosynthese om in energie. Er zijn meer dan 100.000 genetisch diverse algenstammen, van kleine protozoa in vijvers tot grote kelp in de oceaan.

Algen hebben een hoge concentratie aan lipiden of vette, oliehoudende moleculen. Deze lipiden moeten worden geëxtraheerd en kunnen worden omgezet in biobrandstof. Er zijn veel soorten algen, maar een algemene chemische formule voor algen als biobrandstof is C₁₀₆H₂₆₃O₁₁₀nee₁₆.

Chlorella en spirulina zijn meer geschikt voor biosynthese dan andere algen, maar genetisch gemodificeerd algen creëren organismen met een hoger vetgehalte die de energieopbrengst tot wel 40. kunnen verhogen procent.

Algen kunnen worden gekweekt in grote open vijvers of zwembadachtige systemen. Gesloten systemen staan ​​niet open voor de lucht en kooldioxide moet worden ingepompt. CO. gebruiken₂ uit schoorstenen kan afvalproduct van het ene proces recyclen voor de brandstof van een ander. De algengroei is overvloedig en het product kan gemiddeld om de vijf dagen worden verzameld.

Om de lipiden te scheiden, moeten de algen een droog poeder zijn. Vaak kost het drogen van algen meer energie dan de energie die de brandstof zou leveren bij verbranding als bruikbare brandstof. Er wordt een nieuwe technologie ontwikkeld die het droogproces overslaat en algen in vloeibare suspensie brengt terwijl oplosmiddelstralen de lipiden extraheren.

Net als plantaardige olie bevatten algen lipiden en kan algenbrandstof worden omgezet in biodiesel. Het kan in elke dieselmotor worden gebruikt.

Er kunnen mengsels worden gemaakt die variëren van B5, een biobrandstof van 5 procent in 95 procent diesel, tot B50, 50 procent biobrandstof en 50 procent diesel. Het B30-mengsel was in één onderzoek iets efficiënter dan dieselbrandstof en in andere onderzoeken was de CO₂ de uitstoot was hoger dan bij fossiele brandstoffen.

Biobrandstof heeft plantengroei nodig als basis. In een wereld met een steeds groter wordende bevolking - naar verwachting 9,6 miljard in 2050 - is het misschien niet in het belang van de mens om vruchtbaar land te gebruiken om planten te laten groeien als brandstof. Als echter gebieden met vernederd land zouden worden gebruikt, zoals verlaten landbouwgronden, zou dit deze bezorgdheid wegnemen.

Van de genoemde biobrandstoffen is biodiesel de meest democratische. Een consument zou met een goedkope start-up en ruimte biobrandstof in zijn achtertuin kunnen maken. Gebruikte bakolie kan worden verzameld bij lokale restaurants, gefilterd en vervolgens in een container worden gedaan voor transverestering.

De kosten van biobrandstoffen blijven hoog in vergelijking met fossiele brandstoffen. Dit komt echter ook door overheidssubsidies van fossiele brandstoffen. Subsidies voor fossiele brandstoffen in de Verenigde Staten kunnen in de orde van biljoenen dollars per jaar lopen. Als hernieuwbare brandstoffen in dit tempo zouden worden gesubsidieerd, zouden de productiekosten kunnen worden verlaagd en zouden hernieuwbare biobrandstoffen kunnen concurreren met fossiele brandstoffen.