Základné zloženie biopaliva

Jedným z mnohých riešení, ktoré pomáhajú obmedzovať globálne otepľovanie, je nájsť alternatívne zdroje energie. Solárne panely a veterné turbíny môžu podporovať globálne potreby elektriny vrátane elektromobilov, ale súčasné je potrebné spoliehať sa na fosílne palivá na pohon automobilov, nákladných automobilov, lietadiel, generátorov a iných motorov adresovaný. Biopalivo, ako napríklad bionafta, využíva kvapalné palivo vyrobené z rastlinného materiálu, ktoré môže nahradiť spaľovanie fosílnych palív.

Fosílne palivá sú odvodené od rafinovanej ropy. Táto ropa je látka tvorená zo zvyškov života rastlín a zvierat, ktorá je po milióny rokov držaná pod obrovským tlakom.

Tri hlavné typy fosílnych palív sú ropa, uhlie a zemný plyn, z ktorých žiadne nie sú obnoviteľné. To znamená, že fosílne palivá, ktoré dnes existujú, sa jedného dňa môžu vyčerpať. V rámci prípravy na príchod vyčerpania fosílnych palív sa vytvorili a vytvárajú biopalivá.

Biopalivá pochádzajú z živého alebo nedávno žijúceho rastlinného materiálu, ako je kukurica alebo tráva, vytrvalá tráva, ktorá môže dorásť do výšky 8 stôp až 10 stôp. Tento sypký materiál sa nazýva biomasa a považuje sa za obnoviteľný zdroj energie, pretože rastlinný materiál je možné znovu pestovať.

Spaľovaním fosílnych palív vzniká oxid uhličitý a je známe, že tento extra oxid uhličitý zvyšuje prirodzený skleníkový efekt zemskej atmosféry.

Stručne povedané, skleníkový efekt je slnečná energia, ktorá sa dostáva na Zem, ohrieva ju a potom znova vyžaruje do atmosféry. Skleníkové plyny ako oxid uhličitý alebo metán túto energiu absorbujú a časť z nich vyžarujú späť na Zem. To pomáha ohriať atmosféru na priemernú globálnu teplotu asi 16 stupňov Celzia (59 stupňov Fahrenheita), ktorá je schopná udržať život.

Fosílne palivá urýchľujú skleníkový efekt umiestnením väčšieho množstva oxidu uhličitého do atmosféry, čo zvyšuje teplotu planéty, čo je jav známy ako globálne otepľovanie. Tento teplotný posun môže spôsobiť zmenu podnebia, pretože obvyklé podnebie Zeme sa stane nevyváženým.

Pri spaľovaní biopalív sa tiež produkuje oxid uhličitý, malé množstvo oxidu uhoľnatého a ďalšie častice, rovnako ako fosílne palivá. Rozdiel nie je ani tak v obsahu spaľovania, ako v tom, že biomasa pri svojom nedávnom raste využívala počas fotosyntézy atmosférický oxid uhličitý.

Predpokladá sa, že spálené biopalivo nahrádza pôvodný oxid uhličitý prijatý fotosyntézou. Preto biopalivá sa považujú za mať nulové čisté emisie oxidu uhličitého počas ich životnosti.

Fosílne palivá pozostávajú z uhľovodíkov v reťazci aj v aromatických formách, ale biopalivo pozostáva z uhľovodíkových reťazcov s pripojenými kyslíkovými skupinami. Ich chemické zloženie môže zahŕňať kyseliny, alkoholy a estery.

Biopalivo predstavuje skôr prechodný prístup k nulovým emisiám uhlíka, pretože spaľovanie biomasy stále produkuje oxid uhličitý, pevné častice a pridaný kyslík, môžu pri spaľovaní dokonca vytvárať toxíny, ako je formaldehyd procesu.

Biopalivo má generácie. Prvá generácia výroby biopalív je palivo založené na rastlinných plodinách, ako je kukurica alebo cukrová trstina. Druhá generácia pochádza zo živočíšneho alebo rastlinného odpadu a tretia generácia biopalív pochádza z rias.

Existujú rôzne druhy biopalív a mnohé sa v súčasnosti používajú v zmesi s benzínmi alebo naftou z fosílnych palív. Ďalej uvádzame bežné biopalivá, ktoré sa v súčasnosti používajú, a ich definície, zloženie, výroba a použitie.

Základné vymedzenie pojmu bionafta je palivo zlatej až tmavohnedej farby určené ako náhrada za naftu. Zloženie bionafty je väčšinou triglyceridy, ktoré sú klasifikované ako estery. Estery sa spracovávajú transesterifikáciou. Biologické oleje z rastlinných a živočíšnych tukov - patria sem aj použité oleje z varenia - reagujú s alkoholmi s krátkym reťazcom a katalyzátorom za zahrievania.

Tranesterifikácia prevádza estery, mastné kyseliny s dlhým reťazcom, na bionaftu a glycerín. Aj keď je to zmes, základný chemický vzorec bionafty je C₁₇H₃₄O₂, s esterovou skupinou –CO₂CH₃ na konci dlhého uhlíkového reťazca.

Bionafty sa používajú v motoroch určených na naftu. Bionafta produkuje pri spaľovaní menej síry, ale dodáva menej energie ako nafta na báze ropy. Na použitie bionafty sú potrebné minimálne úpravy motora; obyčajne iba inštalácia hadíc a tesnení zo syntetického kaučuku do palivového systému, pretože biopalivo degraduje prírodný kaučuk.

Pri nízkych teplotách je vysoká koncentrácia biopaliva príliš viskózna na to, aby fungovala v motore, a nebola by vhodné pre teploty pod 13 stupňov Celzia (55 stupňov Fahrenheita), pretože môže dôjsť k korózii častí motora nastať. Tento problém viskozity obchádzajú zmesi menej ako 20 percent biopalív a 80 alebo viac percent nafty.

Bionafta sa dá kúpiť na určitých čerpacích staniciach a bežne sa distribuuje ako B100, 100-percentné biopalivo alebo B20, zmes 20-percentného biopaliva a 80-percentnej nafty. Kilometre na plyn klesajú nad úroveň B20 pre bionaftu. Toto zníženie vynuluje akýkoľvek zisk, ktorý má nafta nad benzínom, najmä pri vyšších rýchlostiach.

Základnou definíciou etanolu je bezfarebná kvapalina vyrobená prirodzenou fermentáciou cukrov. Etanol sa skladá z uhlíka, vodíka a hydroxidovej skupiny a pochádza z kukurice, cukrovej repy a cukrovej trstiny. Použitým procesom je fermentácia. Ekonomickejším procesom je pred fermentáciou kukuricu zomlieť na múku.

Po ukončení fermentácie sa etanol destiluje (čistí) na vysokú koncentráciu. Chemický vzorec pre molekulu etanolu je C₂H₅OH.

Etanol sa môže používať v motoroch určených na benzín. Akékoľvek vozidlo predávané v Spojených štátoch môže jazdiť na zmes 10 percent etanolu a 90 percent bezolovnatého benzínu. Väčšina teraz predávaného benzínu je zmiešaná s etanolom.

Etanol pomáha úplnejšiemu spaľovaniu benzínu; zvyšuje sa tým energetický výnos, má však potenciál prispievať do životného prostredia väčším počtom smogových znečisťujúcich látok.

Základnou definíciou metanolu je bezfarebná kvapalina destilovaná z rastlinného materiálu alebo oxidáciou metánu. Metanol pozostáva z uhlíka, vodíka a hydroxidu. Je to najjednoduchší z alkoholov s chemickým vzorcom CH₃OH. Výroba metanolu je lacnejšia ako etanolu a je možné ho odvodiť z akéhokoľvek rastlinného materiálu alebo z emisií skládkového plynu alebo elektrární.

Metanol sa vyrába syntéznou reakciou oxidu uhoľnatého a vodíka. Tieto komponenty môžu byť generované spaľovaním uhlia, plynu alebo biomasy. Využitie odpadového produktu z jedného procesu, ako sú plyny zo spaľovania uhlia, na počiatočné produkty druhého Tento proces, ako napríklad tvorba metanolu, je priemyselná recyklácia a zníži sa uvoľňovanie znečisťujúcich látok do systému atmosféra.

Metanol sa môže používať v benzínových motoroch. Medzi výhody použitia metanolu ako paliva patrí menší objem toxínov a častíc zo spaľovania ako benzín. V benzínových motoroch je možné zmiešať až 15 objemových percent metanolu bez akejkoľvek úpravy motora.

Aj keď je metanol podstatne lacnejší, zníženie počtu kilometrov plynu zruší nákladovú efektívnosť. Rovnako je ťažké odstrániť vodu z metanolu, čo môže spôsobiť koróziu hadíc a tesnení motora.

Základnou definíciou biobutanolu je bezfarebné kvapalné palivo vyrobené z určitých rastlín, väčšinou z kukurice. Základné zloženie butanolu pozostáva z uhlíka, vodíka a kyslíka. Je to štvoruhlíkový alkohol (butylalkohol) s chemickým vzorcom C.₄H₁₀O.

Biobutanol sa primárne získava fermentáciou kukuričnej suroviny. Pri fermentácii jednoduchých cukrov zo suroviny sa vyrába butanol, etanol a acetón. Separácia týchto vedľajších produktov zvyšuje výrobné náklady, hoci akýkoľvek spracovateľský závod, ktorý vyrába etanol, môže tiež vyrábať butanol.

Biobutanol je menej korozívny a poskytuje takmer o 25 percent viac energie ako etanol. Môže byť zmiešaný s benzínom, aby sa znížilo množstvo skleníkových plynov. Butanol môže byť pred prepravou zmiešaný s benzínom, zatiaľ čo etanol musí byť prepravovaný osobitne a zmiešaný na výstupe paliva.

Biobutanol poskytuje menej energie ako benzín, ale pri spaľovaní má podstatne menej toxických zlúčenín. Každé auto, ktoré jazdí na benzín, môže jazdiť na zmes biobutanolu. Väčšina výrobcov automobilov prijme zmes biobutanolu s benzínom až do 15 percent bez akýchkoľvek úprav motora.

Základnou definíciou biopaliva pre riasy je svetlozelené kvapalné palivo vyrobené z rias. Rovnako ako rastliny, aj riasy premieňajú slnečné svetlo na energiu fotosyntézou. Existuje viac ako 100 000 geneticky rôznorodých kmeňov rias, od drobných prvokov v rybníkoch až po veľké riasy v oceáne.

Riasy majú vysokú koncentráciu lipidov alebo mastných molekúl obsahujúcich olej. Tieto lipidy je potrebné extrahovať a je možné ich premeniť na biopalivo. Existuje veľa druhov rias, ale všeobecný chemický vzorec pre biopalivá pre riasy je C₁₀₆H₂₆₃O₁₁₀N₁₆.

Chlorella a spirulina sú pre biosyntézu vhodnejšie ako iné riasy, ale sú geneticky modifikované riasa vytvára organizmy s vyšším obsahom lipidov, ktoré by mohli zvýšiť energetický výnos až o 40% percent.

Riasy sa môžu pestovať vo veľkých otvorených rybníkoch alebo v bazénikových systémoch. Systémy s uzavretým okruhom nie sú otvorené do vzduchu a musí sa do nich pumpovať oxid uhličitý. Pomocou CO₂ z komínov môže recyklovať odpadový produkt z jedného procesu na palivo druhého. Rast rias je bohatý a produkt sa dá zhromaždiť v priemere každých päť dní.

Na oddelenie lipidov musí byť z rias suchý prášok. Sušenie rias často trvá viac energie, ako by poskytovalo palivo, keby sa spaľovalo ako použiteľné palivo. Vyvíja sa nová technológia, ktorá preskakuje proces sušenia a má riasy v stave tekutej suspenzie, zatiaľ čo prúdy rozpúšťadla extrahujú lipidy.

Rovnako ako rastlinný olej, aj riasy obsahujú lipidy a palivo z rias sa môže premeniť na bionaftu. Môže byť použitý v akomkoľvek naftovom motore.

Môžu sa vytvoriť zmesi, ktoré sa pohybujú od B5, 5 percent biopaliva v 95 percentách nafty, po B50, 50 percent biopalív a 50 percent nafty. V jednej štúdii bola zmes B30 o niečo účinnejšia ako nafta a v iných štúdiách CO₂ emisie boli vyššie ako v prípade fosílnych palív.

Biopalivo ako základ potrebuje rast rastlín. Vo svete neustále rastúceho počtu obyvateľov - ktorého očakáva sa, že do roku 2050 dosiahne 9,6 miliárd - nemusí byť využitie úrodnej pôdy na pestovanie rastlín na palivo v najlepšom záujme ľudí. Ak by sa však využili oblasti znevažovanej pôdy, ako napríklad opustené poľnohospodárske pôdy, vyvážilo by to túto obavu.

Z uvedených biopalív je najdemokratickejšia bionafta. Spotrebiteľ by mohol s lacným uvedením do prevádzky a priestorom na svojom dvore vyrábať biopalivo. Použitý kuchynský olej bolo možné zhromaždiť v miestnych reštauráciách, prefiltrovať a potom umiestniť do nádoby na transesterifikáciu.

Náklady na biopalivá sú v porovnaní s fosílnymi palivami stále vysoké. Je to však aj kvôli vládnym dotáciám na fosílne palivá. Dotácie na fosílne palivá v USA sa môžu pohybovať rádovo v biliónoch dolárov ročne. Keby sa obnoviteľné palivá dotovali takýmto tempom, mohli by sa znížiť výrobné náklady a obnoviteľné biopalivá by mohli konkurovať fosílnym palivám.