Compoziția de bază a biocombustibilului

Una dintre multele soluții care ajută la reducerea încălzirii globale este găsirea unor surse alternative de energie. Panourile solare și turbinele eoliene pot susține nevoile globale de energie electrică, inclusiv mașinile electrice, dar curentul trebuie să se bazeze pe combustibilii fosili pentru a alimenta automobile, camioane, avioane, generatoare și alte motoare adresat. Biocombustibilul, cum ar fi biodieselul, folosește un combustibil lichid creat din material vegetal care poate înlocui arderea combustibililor fosili.

Combustibili fosili sunt derivate din petrolul nerafinat. Acest țiței este o substanță formată din rămășițele vieții vegetale și animale care a fost ținută sub o presiune extraordinară de milioane de ani.

Cele trei tipuri majore de combustibili fosili sunt petrolul, cărbunele și gazele naturale, dintre care niciunul nu este regenerabil. Aceasta înseamnă că combustibilii fosili care există astăzi pot fi epuizați într-o zi. Pentru a se pregăti pentru apariția epuizării combustibililor fosili, au fost și se creează biocombustibili.

Biocombustibili sunt derivate din material vegetal viu sau recent viu, cum ar fi porumbul sau iarba, o iarbă perenă care poate crește între 8 și 10 picioare înălțime. Acest material în vrac se numește biomasă și este considerat o sursă regenerabilă de energie, deoarece materialul vegetal poate fi recrown.

Arderea combustibililor fosili produce dioxid de carbon, iar acest dioxid de carbon suplimentar este cunoscut de mult timp pentru a crește efectul natural de seră al atmosferei Pământului.

Pe scurt, efectul de seră este energia soarelui care ajunge pe Pământ, încălzindu-l, apoi fiind re-radiat în atmosferă. Gazele cu efect de seră, cum ar fi dioxidul de carbon sau metanul, absorb această energie și o radiază din nou pe Pământ. Acest lucru ajută la încălzirea atmosferei la o temperatură globală medie de aproximativ 16 grade Celsius (59 grade Fahrenheit), capabilă să susțină viața.

Combustibilii fosili accelerează efectul de seră prin plasarea mai multor dioxid de carbon în atmosferă și acest lucru crește temperatura planetei, efect cunoscut sub numele de încălzire globală. Această schimbare de temperatură poate provoca schimbări climatice, deoarece climatul obișnuit al Pământului devine dezechilibrat.

Arderea biocombustibililor produce, de asemenea, dioxid de carbon, cantități mici de monoxid de carbon și alte particule, la fel ca și combustibilii fosili. Diferența nu constă atât în ​​conținutul de combustie, cât în ​​faptul că biomasa, în creșterea lor recentă, a folosit dioxid de carbon atmosferic în timpul fotosintezei.

Presupunerea este că biocombustibilul ars înlocuiește dioxidul de carbon original preluat de fotosinteză. Prin urmare, biocombustibili sunt considerate a au o emisie netă de dioxid de carbon zero de-a lungul duratei lor de viață.

Combustibilii fosili constau din hidrocarburi atât în ​​lanț, cât și în forme aromatice, dar biocombustibilul este format din lanțuri de hidrocarburi cu grupuri de oxigen atașate. Compoziția lor chimică poate include acizi, alcooli și esteri.

Biocombustibilul este mai mult o abordare de tranziție către zero emisii de carbon, deoarece arderea biomasei încă produce dioxidul de carbon, sub formă de particule și cu oxigenul adăugat, poate crea chiar toxine, cum ar fi formaldehida în ardere proces.

Biocombustibilul are generații. Prima generație de producție de biocombustibili este combustibilul pe bază de culturi vegetale precum porumb sau trestie de zahăr. A doua generație este din deșeuri animale sau vegetale, iar a treia generație de biocombustibili este derivată din alge.

Există diferite tipuri de biocombustibili și mulți sunt folosiți în prezent în amestecuri cu combustibili fosili benzină sau motorină. Mai jos sunt biocombustibilii obișnuiți folosiți în prezent și definițiile, compoziția, producția și utilizările acestora.

Definiția de bază a biodieselului este un combustibil de culoare aurie până la maro închis, destinat înlocuirii motorinei. Compoziția biodieselului este în mare parte trigliceride care sunt clasificate ca esteri. Esterii sunt prelucrați prin transesterificare. Uleiurile biologice din grăsimi vegetale și animale - includ uleiurile uzate din gătit - reacționează cu alcooli cu lanț scurt și un catalizator în condiții de încălzire.

Transesterificarea transformă esterii, acizii grași cu lanț lung, în biodiesel și glicerină. Deși este un amestec, formula chimică de bază a biodieselului este C₁₇H₃₄O₂, cu grupul ester –CO₂CH₃ la capătul lungului lanț de carbon.

Biodieselurile sunt utilizate la motoarele concepute pentru combustibil diesel. Biodieselul produce mai puțin sulf în procesul de ardere, dar furnizează mai puțină energie decât motorina pe bază de petrol. Sunt necesare modificări minime ale motorului pentru a utiliza biodiesel; de obicei, numai instalarea furtunurilor și garniturilor din cauciuc sintetic în sistemul de alimentare cu combustibil, deoarece biocombustibilul degradează cauciucul natural.

La temperaturi scăzute, o concentrație mare de biocombustibil devine prea vâscoasă pentru a lucra într-un motor și nu ar fi adecvat pentru temperaturi sub 13 grade Celsius (55 grade Fahrenheit), deoarece poate provoca coroziunea componentelor motorului apar. Amestecurile de mai puțin de 20 la sută biocombustibil și 80 sau mai mult procent motorină înconjoară această problemă de vâscozitate.

Biodieselul poate fi achiziționat la anumite stații de alimentare și este distribuit în mod obișnuit ca B100, 100% biocombustibil sau B20, un amestec de 20% biocombustibil și 80% motorină. Kilometrajul gazelor scade peste ratingul B20 al biodieselului. Această scădere anulează orice câștig pe care motorina îl are asupra benzinei, mai ales atunci când călătoriți la viteze mai mari.

Definiția etanolului de bază este un lichid incolor produs prin fermentarea naturală a zaharurilor. Etanolul este compus din carbon, hidrogen și o grupare hidroxid și este derivat din porumb, sfeclă de zahăr și trestie de zahăr. Procesul utilizat este fermentarea. Procesul mai economic este de a măcina porumbul în consistență asemănătoare făinii înainte de fermentare.

După procesul de fermentare, etanolul este distilat (purificat) la o concentrație ridicată. Formula chimică pentru molecula de etanol este C₂H₅OH.

Etanolul poate fi utilizat în motoarele proiectate pentru benzină. Orice vehicul vândut în Statele Unite poate funcționa cu un amestec de 10% etanol și 90% benzină fără plumb. Majoritatea benzinei vândute acum este amestecată cu etanol.

Etanolul ajută benzina să ardă mai complet; acest lucru mărește randamentul energetic, dar are potențialul de a contribui cu mai mulți poluanți de smog în mediu.

Definiția bazică a metanolului este un lichid incolor distilat din materialul vegetal sau prin oxidarea metanului. Metanolul este format din carbon, hidrogen și un hidroxid. Este cel mai simplu alcool cu ​​formula chimică CH₃OH. Metanolul este mai puțin costisitor de produs decât etanolul și poate fi derivat din orice material vegetal sau din gazele de depozitare sau emisiile de centrale electrice.

Metanolul este produs printr-o reacție de sinteză a monoxidului de carbon și a hidrogenului. Aceste componente pot fi generate din arderea cărbunelui, gazului sau biomasei. Utilizarea produsului rezidual al unui proces, precum gazele de la arderea cărbunelui, pentru produsele inițiale ale altui proces Procesul, precum crearea de metanol, este reciclarea industrială și va reduce emisia de poluanți în atmosfera.

Metanolul poate fi utilizat la motoarele pe benzină. Avantajele utilizării metanolului ca combustibil includ un volum mai mic de toxine și particule din combustie decât benzina. Până la 15 la sută din metanol în volum poate fi amestecat în motoarele pe benzină fără modificări ale motorului.

Deși metanolul este semnificativ mai puțin costisitor, reducerea kilometrajului gazelor anulează rentabilitatea. De asemenea, este dificil să eliminați apa din metanol și acest lucru poate coroda furtunurile și etanșările motorului.

Definiția de bază a biobutanolului este un combustibil lichid incolor fabricat din anumite plante, în principal porumb. Compoziția de bază a butanolului este formată din carbon, hidrogen și oxigen. Este un alcool cu ​​patru atomi de carbon (alcool butilic) cu o formulă chimică de C₄H₁₀O.

Biobutanolul este derivat în principal din fermentarea materiei prime din porumb. În fermentarea zaharurilor simple din materii prime, se produc butanol, etanol și acetonă. Separarea acestor produse secundare crește costul de producție, deși orice fabrică de prelucrare care produce etanol poate produce și butanol.

Biobutanolul este mai puțin coroziv și oferă cu aproape 25% mai multă energie decât etanolul și poate fi amestecat cu benzină pentru a ajuta la reducerea gazelor cu efect de seră. Butanolul poate fi amestecat cu benzină înainte de transport, în timp ce etanolul trebuie transportat separat și amestecat la orificiul de evacuare a combustibilului.

Biobutanolul furnizează mai puțină energie decât benzina, dar are semnificativ mai puțini compuși toxici la ardere. Orice mașină care rulează pe benzină poate funcționa cu un amestec de biobutanol. Majoritatea producătorilor de automobile vor accepta un amestec de biobutanol cu ​​benzină de până la 15%, fără modificări ale motorului.

Definiția de bază a biocombustibilului pentru alge este un combustibil lichid verde deschis din alge. La fel ca plantele, algele transformă lumina soarelui în energie prin fotosinteză. Există peste 100.000 de tulpini de alge din punct de vedere genetic, de la protozoare mici în iazuri până la alge mari din ocean.

Algele au o concentrație mare de lipide sau molecule grase, care conțin ulei. Aceste lipide trebuie extrase și pot fi transformate în biocombustibil. Există multe tipuri de alge, dar o formulă chimică generală a biocombustibilului de alge este C₁₀₆H₂₆₃O₁₁₀N₁₆.

Chlorella și spirulina sunt mai potrivite pentru biosinteză decât alte alge, dar modificate genetic algele creează organisme cu un conținut mai ridicat de lipide care ar putea crește randamentul energetic cu până la 40 la sută.

Algele pot fi cultivate în iazuri mari deschise sau în sisteme asemănătoare bazinelor. Sistemele cu buclă închisă nu sunt deschise aerului și dioxidul de carbon trebuie pompat înăuntru. Utilizarea CO₂ din coșurile de fum se pot recicla deșeurile dintr-un proces pentru combustibilul altuia. Creșterea algelor este abundentă, iar produsul poate fi colectat în medie la fiecare cinci zile.

Pentru a separa lipidele, algele trebuie să fie o pulbere uscată. Adesea, uscarea algelor necesită mai multă energie decât energia pe care ar furniza-o combustibilul atunci când arderea ca combustibil utilizabil. Se dezvoltă o nouă tehnologie care omite procesul de uscare și are alge în stare de suspensie lichidă în timp ce jeturile de solvent extrag lipidele.

La fel ca uleiul vegetal, algele conțin lipide, iar combustibilul pentru alge poate fi transformat în biodiesel. Poate fi utilizat în orice motor diesel.

Se pot crea amestecuri care variază de la B5, un 5% biocombustibil în 95% motorină, până la B50, 50% biocombustibil și 50% motorină. Amestecul B30 a fost puțin mai eficient decât motorina într-un studiu, iar în alte studii, CO₂ emisiile au fost mai mari decât pentru combustibilii fosili.

Biocombustibilul are ca bază creșterea plantelor. Într-o lume cu populație în continuă creștere - se așteaptă să ajungă la 9,6 miliarde până în 2050 - utilizarea terenurilor fertile pentru cultivarea plantelor pentru combustibil ar putea să nu fie în interesul oamenilor. Cu toate acestea, dacă ar fi utilizate suprafețe de teren denigrat, cum ar fi terenurile agricole abandonate, aceasta ar compensa această preocupare.

Dintre biocombustibilii enumerați, biodieselul este cel mai democratic. Un consumator ar putea, cu un start-up și un spațiu ieftin, să creeze biocombustibil în curtea din spate. Uleiul de gătit uzat ar putea fi colectat din restaurantele locale, filtrat și apoi plasat într-un recipient pentru transesterificare.

Costul biocombustibililor rămâne ridicat în comparație cu combustibilii fosili. Cu toate acestea, acest lucru se datorează și subvențiilor guvernamentale pentru combustibilii fosili. Subvențiile pentru combustibilii fosili în Statele Unite pot fi de ordinul a miliarde de dolari pe an. Dacă combustibilii regenerabili ar fi subvenționați la această rată, costurile de producție ar putea fi reduse, iar biocombustibilii regenerabili ar putea concura cu combustibilii fosili.