Базовый состав биотоплива

Одно из многих решений, помогающих обуздать глобальное потепление, - это поиск альтернативных источников энергии. Солнечные панели и ветряные турбины могут удовлетворить глобальные потребности в электроэнергии, включая электромобили, но текущие зависимость от ископаемых видов топлива для двигателей автомобилей, грузовиков, самолетов, генераторов и других двигателей должна быть адресованный. Биотопливо, такое как биодизель, использует жидкое топливо, созданное из растительного материала, которое может заменить сжигание ископаемого топлива.

Ископаемое топливо получены из неочищенной нефти. Эта сырая нефть представляет собой вещество, образованное из остатков растений и животных, которые миллионы лет находились под огромным давлением.

Три основных типа ископаемого топлива - это нефть, уголь и природный газ, ни один из которых не является возобновляемым. Это означает, что ископаемое топливо, существующее сегодня, может однажды быть исчерпано. Чтобы подготовиться к наступлению истощения запасов ископаемого топлива, биотопливо создавалось и создается.

Биотопливо получены из живого или недавно появившегося растительного материала, такого как кукуруза или просо, многолетняя трава, которая может вырастать от 8 футов до 10 футов в высоту. Этот сыпучий материал называется биомассой и считается возобновляемым источником энергии, поскольку растительный материал можно выращивать заново.

При сжигании ископаемого топлива образуется двуокись углерода, и уже давно известно, что эта дополнительная двуокись углерода усиливает естественный парниковый эффект атмосферы Земли.

Вкратце, парниковый эффект - это солнечная энергия, достигающая Земли, нагревая ее, а затем повторно излучаемая в атмосферу. Парниковые газы, такие как углекислый газ или метан, поглощают эту энергию и повторно излучают ее обратно на Землю. Это помогает согреть атмосферу до средней глобальной температуры около 16 градусов по Цельсию (59 градусов по Фаренгейту), способной поддерживать жизнь.

Ископаемое топливо ускоряет парниковый эффект за счет размещения большего количества углекислого газа в атмосфере, что приводит к повышению температуры планеты, эффект, известный как глобальное потепление. Этот температурный сдвиг может вызвать изменение климата, поскольку обычный климат Земли становится несбалансированным.

При сжигании биотоплива также образуется двуокись углерода, небольшие количества окиси углерода и другие твердые частицы, как и при сжигании ископаемого топлива. Разница не столько в содержании горючего, сколько в том, что биомасса в своем недавнем росте использовала атмосферный углекислый газ во время фотосинтеза.

Предполагается, что сгоревшее биотопливо заменяет исходный углекислый газ, полученный в результате фотосинтеза. Следовательно, биотопливо считаются иметь нулевой чистый выброс углекислого газа в течение их продолжительности жизни.

Ископаемое топливо состоит из углеводородов как в цепной, так и в ароматической формах, но биотопливо состоит из углеводородных цепей с присоединенными кислородными группами. В их химический состав могут входить кислоты, спирты и сложные эфиры.

Биотопливо - это скорее переходный подход к нулевым выбросам углерода, поскольку сжигание биомассы по-прежнему производит двуокись углерода, твердые частицы и добавленный кислород, могут даже создавать токсины, такие как формальдегид, при сгорании. процесс.

Биотопливо передается из поколения в поколение. Первое поколение производства биотоплива - это топливо на основе таких растений, как кукуруза или сахарный тростник. Второе поколение - это отходы животного или растительного происхождения, а биотопливо третьего поколения - из водорослей.

Существуют различные типы биотоплива, и многие из них в настоящее время используются в смесях с ископаемым топливом, бензином или дизельным топливом. Ниже приведены распространенные виды биотоплива, которые используются в настоящее время, а также их определения, состав, производство и использование.

Базовое определение биодизеля - это топливо от золотистого до темно-коричневого цвета, предназначенное для замены дизельного топлива. В состав биодизеля входят в основном триглицериды, относящиеся к сложным эфирам. Сложные эфиры обрабатываются путем переэтерификации. Биологические масла из растительных и животных жиров, в том числе отработанные кулинарные масла, вступают в реакцию с короткоцепочечными спиртами и катализатором при нагревании.

При трансэтерификации сложные эфиры длинноцепочечных жирных кислот превращаются в биодизель и глицерин. Хотя это смесь, основная химическая формула биодизеля - C₁₇ЧАС₃₄О₂, со сложноэфирной группой –CO₂CH₃ в конце длинной углеродной цепи.

Биодизели используются в двигателях, работающих на дизельном топливе. Биодизель производит меньше серы в процессе сгорания, но дает меньше энергии, чем дизельное топливо на нефтяной основе. Для использования биодизеля необходимы минимальные модификации двигателя; обычно только установка шлангов и уплотнений из синтетического каучука в топливной системе, поскольку биотопливо разрушает натуральный каучук.

При низких температурах биотопливо в высокой концентрации становится слишком вязким для работы в двигателе, и его нельзя будет использовать. подходит для температур ниже 13 градусов по Цельсию (55 градусов по Фаренгейту), так как коррозия деталей двигателя может происходить. Смеси, содержащие менее 20 процентов биотоплива и 80 или более процентов дизельного топлива, обходят эту проблему вязкости.

Биодизель можно купить на определенных заправочных станциях и обычно распространяется как B100, 100-процентное биотопливо, или B20, смесь 20-процентного биотоплива и 80-процентного дизельного топлива. Расход бензина уменьшается при превышении рейтинга биодизеля B20. Это снижение сводит на нет любое преимущество дизеля по сравнению с бензином, особенно при движении на более высоких скоростях.

Базовое определение этанола - это бесцветная жидкость, полученная путем естественного брожения сахаров. Этанол состоит из углерода, водорода и гидроксидной группы, и его получают из кукурузы, сахарной свеклы и сахарного тростника. Используемый процесс - брожение. Более экономичный процесс - это измельчение кукурузы до муки по консистенции перед ферментацией.

После процесса ферментации этанол перегоняется (очищается) до высокой концентрации. Химическая формула молекулы этанола: C₂ЧАС₅ОЙ.

Этанол можно использовать в двигателях, рассчитанных на бензин. Любой автомобиль, продаваемый в Соединенных Штатах, может работать на смеси, состоящей из 10 процентов этанола и 90 процентов неэтилированного бензина. Большая часть продаваемого сейчас бензина смешивается с этанолом.

Этанол помогает бензину сгорать более полно; это увеличивает выработку энергии, но потенциально может способствовать увеличению количества загрязнителей смога в окружающей среде.

Основное определение метанола - это бесцветная жидкость, полученная путем перегонки из растительного материала или путем окисления метана. Метанол состоит из углерода, водорода и гидроксида. Это самый простой из спиртов с химической формулой CH₃ОЙ. Метанол дешевле в производстве, чем этанол, и его можно получить из любого растительного материала, из свалочного газа или выбросов электростанций.

Метанол получают в результате реакции синтеза окиси углерода и водорода. Эти компоненты могут быть получены при сжигании угля, газа или биомассы. Использование отходов одного процесса, таких как газы от сжигания угля, в качестве стартовых продуктов другого. процесс, как и производство метанола, представляет собой промышленную переработку и сокращает выбросы загрязняющих веществ в окружающую среду. Атмосфера.

Метанол можно использовать в бензиновых двигателях. Преимущества использования метанола в качестве топлива включают меньший объем токсинов и твердых частиц от сгорания, чем бензин. До 15 процентов метанола по объему можно смешивать в бензиновых двигателях без какой-либо модификации двигателя.

Хотя метанол значительно дешевле, сокращение расхода бензина сводит на нет рентабельность. Кроме того, из метанола трудно удалить воду, и это может вызвать коррозию шлангов и уплотнений двигателя.

Основное определение биобутанола - это бесцветное жидкое топливо, получаемое из определенных растений, в основном из кукурузы. Основной состав бутанола состоит из углерода, водорода и кислорода. Это четырехуглеродный спирт (бутиловый спирт) с химической формулой C₄ЧАС₁₀О.

Биобутанол в основном получают в результате ферментации кукурузного сырья. При ферментации простых сахаров из исходного сырья производятся бутанол, этанол и ацетон. Разделение этих побочных продуктов увеличивает производственные затраты, хотя любой перерабатывающий завод, производящий этанол, также может производить бутанол.

Биобутанол менее агрессивен и обеспечивает почти на 25 процентов больше энергии, чем этанол, и его можно смешивать с бензином, чтобы уменьшить выбросы парниковых газов. Бутанол можно смешать с бензином перед транспортировкой, тогда как этанол необходимо транспортировать отдельно и смешивать на выходе для топлива.

Биобутанол обеспечивает меньше энергии, чем бензин, но при сгорании содержит значительно меньше токсичных соединений. Любой автомобиль, работающий на бензине, может работать на смеси биобутанола. Большинство производителей автомобилей принимают смесь биобутанола с бензином до 15 процентов без каких-либо модификаций двигателя.

Основное определение биотоплива из водорослей - это светло-зеленое жидкое топливо, изготовленное из водорослей. Как и растения, водоросли преобразуют солнечный свет в энергию посредством фотосинтеза. Существует более 100 000 генетически разнообразных штаммов водорослей, от крошечных простейших в прудах до крупных водорослей в океане.

Водоросли имеют высокую концентрацию липидов или жирных маслосодержащих молекул. Эти липиды необходимо экстрагировать, и их можно превратить в биотопливо. Существует много видов водорослей, но общая химическая формула биотоплива из водорослей - C₁₀₆ЧАС₂₆₃О₁₁₀N₁₆.

Хлорелла и спирулина более подходят для биосинтеза, чем другие водоросли, но генетически модифицированы. водоросли создают организмы с более высоким содержанием липидов, которые могут увеличить выход энергии до 40 процентов.

Водоросли можно выращивать в больших открытых прудах или системах, подобных бассейну. Системы с замкнутым контуром закрыты для воздуха, поэтому необходимо закачивать углекислый газ. Использование CO₂ из дымовых труб можно перерабатывать отходы одного процесса в топливо для другого. Рост водорослей обильный, и собирать продукт можно в среднем каждые пять дней.

Чтобы разделить липиды, водоросли должны быть в виде сухого порошка. Часто для сушки водорослей требуется больше энергии, чем та энергия, которую топливо могло бы обеспечить при сжигании в качестве полезного топлива. Разрабатывается новая технология, которая позволяет пропускать процесс сушки и позволяет водорослям находиться в состоянии жидкой суспензии, в то время как струи растворителя извлекают липиды.

Как и растительное масло, водоросли содержат липиды, и топливо из водорослей может быть преобразовано в биодизельное топливо. Может использоваться в любом дизельном двигателе.

Могут быть созданы смеси от B5 (5% биотоплива в 95% дизельном топливе) до B50 (50% биотоплива и 50% дизельного топлива). В одном исследовании смесь B30 была немного более эффективной, чем дизельное топливо, а в других исследованиях CO₂ выбросы были выше, чем при использовании ископаемого топлива.

Биотопливо в качестве основы требует роста растений. В мире с постоянно растущим населением, которое, как ожидается, к 2050 году достигнет 9,6 миллиарда человек, использование плодородных земель для выращивания растений в качестве топлива может не отвечать интересам людей. Тем не менее, если бы использовались участки деградированной земли, такие как заброшенные сельскохозяйственные угодья, это сняло бы эту озабоченность.

Из перечисленных видов биотоплива наиболее демократичным является биодизель. Потребитель мог бы, имея недорогой запуск и пространство, создавать биотопливо у себя на заднем дворе. Отработанное кулинарное масло можно собрать в местных ресторанах, профильтровать, а затем поместить в контейнер для переэтерификации.

Стоимость биотоплива остается высокой по сравнению с ископаемым топливом. Однако это также связано с государственными субсидиями на ископаемое топливо. Субсидии на ископаемое топливо в Соединенных Штатах могут составлять порядка триллионов долларов в год. Если бы возобновляемые виды топлива субсидировались в таком размере, себестоимость производства могла бы быть снижена, а возобновляемое биотопливо могло бы составить конкуренцию ископаемым видам топлива.