Podstawowy skład biopaliwa

Jednym z wielu rozwiązań, które pomogą ograniczyć globalne ocieplenie, jest znalezienie alternatywnych źródeł energii. Panele słoneczne i turbiny wiatrowe mogą zaspokoić globalne zapotrzebowanie na energię elektryczną, w tym samochody elektryczne, ale prąd uzależnienie od paliw kopalnych do zasilania samochodów, ciężarówek, samolotów, generatorów i innych silników musi być zaadresowany. Biopaliwo, takie jak biodiesel, wykorzystuje płynne paliwo wytworzone z materiału roślinnego, które może zastąpić spalanie paliw kopalnych.

Paliwa kopalne pochodzą z nierafinowanej ropy naftowej. Ta ropa naftowa jest substancją powstałą ze szczątków życia roślinnego i zwierzęcego, które przez miliony lat znajdowały się pod ogromną presją.

Trzy główne rodzaje paliw kopalnych to ropa naftowa, węgiel i gaz ziemny, z których żadne nie jest odnawialne. Oznacza to, że istniejące dziś paliwa kopalne mogą pewnego dnia zostać wyczerpane. Aby przygotować się na nadejście wyczerpywania się paliw kopalnych, biopaliwa były i są tworzone.

Biopaliwa pochodzą z żywych lub niedawno żyjących materiałów roślinnych, takich jak kukurydza lub proso rózgowe, wieloletnia trawa, która może rosnąć od 8 do 10 stóp wysokości. Ten materiał sypki nazywa się biomasą i jest uważany za odnawialne źródło energii, ponieważ materiał roślinny może być odtworzony.

Spalanie paliw kopalnych wytwarza dwutlenek węgla, a od dawna wiadomo, że ten dodatkowy dwutlenek węgla zwiększa naturalny efekt cieplarniany ziemskiej atmosfery.

Krótko mówiąc, efekt cieplarniany to energia słoneczna docierająca do Ziemi, ogrzewająca ją, a następnie ponownie wypromieniowana do atmosfery. Gazy cieplarniane, takie jak dwutlenek węgla lub metan, pochłaniają tę energię i ponownie wypromieniowują jej część z powrotem na Ziemię. Pomaga to ogrzać atmosferę do średniej globalnej temperatury około 16 stopni Celsjusza (59 stopni Fahrenheita), zdolnej do podtrzymania życia.

Paliwa kopalne przyspieszają efekt cieplarniany umieszczając więcej dwutlenku węgla w atmosferze, a to podnosi temperaturę planety, efekt znany jako globalne ocieplenie. Ta zmiana temperatury może spowodować zmianę klimatu, ponieważ zwykły klimat Ziemi staje się niezrównoważony.

Spalanie biopaliw wytwarza również dwutlenek węgla, niewielkie ilości tlenku węgla i inne cząstki, podobnie jak paliwa kopalne. Różnica polega nie tyle na zawartości spalania, ale na tym, że biomasa w swoim niedawnym wzroście zużyła atmosferyczny dwutlenek węgla podczas fotosyntezy.

Zakłada się, że spalone biopaliwo zastępuje pierwotny dwutlenek węgla pochłonięty przez fotosyntezę. W związku z tym, biopaliwa są uważane za mają zerową emisję dwutlenku węgla netto przez cały okres ich życia.

Paliwa kopalne składają się z węglowodorów zarówno w postaci łańcuchowej, jak i aromatycznej, ale biopaliwa składają się z łańcuchów węglowodorowych z przyłączonymi grupami tlenowymi. Ich skład chemiczny może obejmować kwasy, alkohole i estry.

Biopaliwo jest raczej podejściem przejściowym do zerowej emisji dwutlenku węgla, ponieważ spalanie biomasy nadal wytwarza dwutlenek węgla, cząstki stałe i dodany tlen mogą nawet tworzyć podczas spalania toksyny, takie jak formaldehyd proces.

Biopaliwo ma pokolenia. Pierwsza generacja produkcji biopaliw to paliwo oparte na uprawach roślin, takich jak kukurydza czy trzcina cukrowa. Druga generacja pochodzi z odpadów zwierzęcych lub roślinnych, a biopaliwo trzeciej generacji pochodzi z alg.

Istnieją różne rodzaje biopaliw, a wiele z nich jest obecnie stosowanych w mieszankach z benzyną lub olejem napędowym z paliw kopalnych. Poniżej znajdują się powszechnie stosowane biopaliwa, ich definicje, skład, produkcja i zastosowania.

Podstawowa definicja biodiesla to paliwo o barwie od złocistej do ciemnobrązowej przeznaczone jako zamiennik oleju napędowego. Skład biodiesla to głównie trójglicerydy, które są klasyfikowane jako estry. Estry są przetwarzane przez transestryfikację. Oleje biologiczne z tłuszczów roślinnych i zwierzęcych — w tym zużyte oleje z gotowania — reagują z alkoholami krótkołańcuchowymi i katalizatorem w warunkach ogrzewania.

Tranestryfikacja przekształca estry, długołańcuchowe kwasy tłuszczowe, w biodiesel i glicerynę. Chociaż mieszanina, podstawowy wzór chemiczny biodiesla to C₁₇H₃₄O₂, z grupą estrową –CO₂CH₃ na końcu długiego łańcucha węglowego.

Biodiesle stosuje się w silnikach przeznaczonych do oleju napędowego. Biodiesel wytwarza mniej siarki w procesie spalania, ale dostarcza mniej energii niż olej napędowy na bazie ropy naftowej. Do stosowania biodiesla potrzebne są minimalne modyfikacje silnika; zazwyczaj tylko instalacja węży i ​​uszczelek z kauczuku syntetycznego w układzie paliwowym, ponieważ biopaliwo powoduje degradację kauczuku naturalnego.

W niskich temperaturach wysokie stężenie biopaliwa staje się zbyt lepkie, aby pracować w silniku i nie byłoby nadaje się do temperatur poniżej 13 stopni Celsjusza (55 stopni Fahrenheita), ponieważ może powodować korozję części silnika; pojawić się. Mieszanki zawierające mniej niż 20 procent biopaliw i 80 lub więcej procent oleju napędowego omijają ten problem lepkości.

Biodiesel można kupić na niektórych stacjach paliw i jest on powszechnie dystrybuowany jako B100, 100% biopaliwo lub B20, mieszanka 20% biopaliwa i 80% oleju napędowego. Przebieg gazu spada powyżej klasy biodiesla B20. Spadek ten niweluje wszelkie korzyści, jakie olej napędowy ma nad benzyną, zwłaszcza podczas jazdy z większą prędkością.

Podstawowa definicja etanolu to bezbarwna ciecz wytwarzana w wyniku naturalnej fermentacji cukrów. Etanol składa się z węgla, wodoru i grupy wodorotlenkowej i pochodzi z kukurydzy, buraków cukrowych i trzciny cukrowej. Stosowanym procesem jest fermentacja. Bardziej ekonomicznym procesem jest zmielenie kukurydzy na konsystencję mąki przed fermentacją.

Po procesie fermentacji etanol jest destylowany (oczyszczany) do wysokiego stężenia. Wzór chemiczny cząsteczki etanolu to C₂H₅O.

Etanol może być stosowany w silnikach przeznaczonych do benzyny. Każdy pojazd sprzedawany w Stanach Zjednoczonych może być napędzany mieszanką 10% etanolu i 90% benzyny bezołowiowej. Większość sprzedawanych obecnie benzyn jest mieszana z etanolem.

Etanol pomaga w pełniejszym spalaniu benzyny; zwiększa to wydajność energetyczną, ale może przyczynić się do zwiększenia ilości zanieczyszczeń smogowych w środowisku.

Podstawowa definicja metanolu to bezbarwna ciecz destylowana z materiału roślinnego lub poprzez utlenianie metanu. Metanol składa się z węgla, wodoru i wodorotlenku. Jest to najprostszy z alkoholi o wzorze chemicznym CH₃O. Produkcja metanolu jest tańsza niż etanolu i może być pozyskiwana z dowolnego materiału roślinnego lub z gazów wysypiskowych lub emisji z elektrowni.

Metanol powstaje w wyniku reakcji syntezy tlenku węgla i wodoru. Składniki te mogą powstawać w wyniku spalania węgla, gazu lub biomasy. Wykorzystywanie produktów odpadowych jednego procesu, takich jak gazy ze spalania węgla, jako produktów wyjściowych innego procesu proces, podobnie jak tworzenie metanolu, jest recyklingiem przemysłowym i zmniejszy uwalnianie zanieczyszczeń do atmosfera.

Metanol może być stosowany w silnikach benzynowych. Zalety stosowania metanolu jako paliwa obejmują mniejszą ilość toksyn i cząstek stałych ze spalania niż benzyna. Do 15 procent objętości metanolu można mieszać w silnikach benzynowych bez żadnych modyfikacji silnika.

Chociaż metanol jest znacznie tańszy, skrócenie przebiegu gazu niweluje opłacalność. Ponadto trudno jest usunąć wodę z metanolu, co może powodować korozję węży i ​​uszczelek silnika.

Podstawowa definicja biobutanolu to bezbarwne paliwo płynne wytwarzane z niektórych roślin, głównie kukurydzy. Podstawowy skład butanolu składa się z węgla, wodoru i tlenu. Jest to czterowęglowy alkohol (alkohol butylowy) o wzorze chemicznym C₄H₁₀O.

Biobutanol pochodzi głównie z fermentacji surowca kukurydzianego. W procesie fermentacji cukrów prostych z surowca powstają butanol, etanol i aceton. Oddzielenie tych produktów ubocznych zwiększa koszty produkcji, chociaż każdy zakład przetwórczy produkujący etanol może również wytwarzać butanol.

Biobutanol jest mniej żrący i dostarcza prawie 25 procent więcej energii niż etanol i może być mieszany z benzyną w celu zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych. Butanol może być mieszany z benzyną przed transportem, natomiast etanol musi być transportowany oddzielnie i mieszany przy wylocie paliwa.

Biobutanol dostarcza mniej energii niż benzyna, ale zawiera znacznie mniej toksycznych związków podczas spalania. Każdy samochód napędzany benzyną może jeździć na mieszance biobutanolu. Większość producentów samochodów zaakceptuje mieszankę biobutanolu z benzyną do 15 procent bez modyfikacji silnika.

Podstawową definicją biopaliwa z alg jest jasnozielone paliwo płynne wytwarzane z alg. Podobnie jak rośliny, algi przekształcają światło słoneczne w energię poprzez fotosyntezę. Istnieje ponad 100 000 genetycznie zróżnicowanych szczepów alg, od maleńkich pierwotniaków w stawach po duże wodorosty morskie.

Algi mają wysokie stężenie lipidów lub tłuszczowych cząsteczek zawierających olej. Te lipidy muszą zostać wyekstrahowane i mogą zostać przekształcone w biopaliwo. Istnieje wiele rodzajów alg, ale ogólny wzór chemiczny biopaliwa z alg to C₁₀₆H₂₆₃O₁₁₀N₁₆.

Chlorella i spirulina są bardziej odpowiednie do biosyntezy niż inne algi, ale są modyfikowane genetycznie glony tworzą organizmy o wyższej zawartości lipidów, które mogą zwiększyć wydajność energetyczną nawet o 40 procent.

Glony mogą być hodowane w dużych otwartych stawach lub systemach przypominających baseny. Systemy z obiegiem zamkniętym nie są otwarte na powietrze i należy do nich wpompowywać dwutlenek węgla. Korzystanie z CO₂ z kominów może przetworzyć odpady z jednego procesu na paliwo innego. Wzrost glonów jest obfity, a produkt można zbierać średnio co pięć dni.

Aby oddzielić lipidy, algi muszą być suchym proszkiem. Często suszenie alg wymaga więcej energii niż energia, którą dostarczyłoby paliwo spalane jako paliwo użytkowe. Opracowywana jest nowa technologia, która pomija proces suszenia i pozwala uzyskać glony w stanie płynnej zawiesiny, podczas gdy strumienie rozpuszczalnika ekstrahują lipidy.

Podobnie jak olej roślinny, algi zawierają lipidy, a paliwo z alg można przekształcić w biodiesel. Może być stosowany w każdym silniku wysokoprężnym.

Można tworzyć mieszanki w zakresie od B5, 5% biopaliwa w 95% oleju napędowego, do B50, 50% biopaliwa i 50% oleju napędowego. Mieszanka B30 była nieco bardziej wydajna niż olej napędowy w jednym badaniu, a w innych badaniach CO₂ emisje były wyższe niż w przypadku paliw kopalnych.

Biopaliwo wymaga wzrostu roślin jako podstawy. W świecie stale rosnącej populacji – która ma osiągnąć 9,6 miliarda do 2050 r. – wykorzystanie żyznej ziemi do uprawy roślin jako paliwa może nie być w najlepszym interesie człowieka. Jednak wykorzystanie obszarów zdegradowanych, takich jak opuszczone pola uprawne, zrównoważyłoby tę obawę.

Spośród wymienionych biopaliw najbardziej demokratyczny jest biodiesel. Konsument mógłby, dysponując tanim start-upem i przestrzenią, wytwarzać biopaliwo na swoim podwórku. Zużyty olej spożywczy mógłby być zbierany z lokalnych restauracji, filtrowany, a następnie umieszczany w pojemniku w celu transestryfikacji.

Koszt biopaliw pozostaje wysoki w porównaniu z paliwami kopalnymi. Dzieje się tak jednak również z powodu rządowych dotacji do paliw kopalnych. Dotacje do paliw kopalnych w Stanach Zjednoczonych mogą być rzędu bilionów dolarów rocznie. Gdyby paliwa odnawialne były dotowane w tym tempie, koszty produkcji mogłyby zostać obniżone, a biopaliwa odnawialne mogłyby konkurować z paliwami kopalnymi.