Osnovna sestava biogoriva

Ena od številnih rešitev za zajezitev globalnega segrevanja je iskanje nadomestnih virov energije. Sončne celice in vetrne turbine lahko podpirajo svetovne potrebe po električni energiji, vključno z električnimi avtomobili, vendar trenutno zanašati se je treba na fosilna goriva za pogon avtomobilov, tovornjakov, letal, generatorjev in drugih motorjev naslovljeno. Biogorivo, kot je biodizel, uporablja tekoče gorivo, ustvarjeno iz rastlinskega materiala, ki lahko nadomesti izgorevanje fosilnih goriv.

Fosilna goriva so pridobljeni iz nerafinirane nafte. Ta surova nafta je snov, ki nastane iz ostankov rastlinskega in živalskega sveta in je že milijone let pod velikim pritiskom.

Tri glavne vrste fosilnih goriv so nafta, premog in zemeljski plin, od katerih nobena ni obnovljiva. To pomeni, da bodo fosilna goriva, ki obstajajo danes, nekoč izčrpana. Za pripravo na pojav izčrpavanja fosilnih goriv so bila in se ustvarjajo biogoriva.

Biogoriva izvirajo iz živega ali nedavno živečega rastlinskega materiala, kot sta koruza ali travna trava, trajna trava, ki lahko zraste od 8 do 10 čevljev. Ta razsuti material se imenuje biomasa in velja za obnovljiv vir energije, saj se rastlinski material lahko ponovno vzgaja.

Z izgorevanjem fosilnih goriv nastaja ogljikov dioksid in že od nekdaj je znano, da ta dodatni ogljikov dioksid poveča naravni učinek tople grede v zemeljski atmosferi.

Na kratko, toplogredni učinek je sončna energija, ki doseže Zemljo, jo ogreje in nato ponovno oddaja v ozračje. Toplogredni plini, kot sta ogljikov dioksid ali metan, absorbirajo to energijo in jo ponovno oddajajo nazaj na Zemljo. To pomaga ogreti ozračje na povprečno globalno temperaturo približno 16 stopinj Celzija (59 stopinj Fahrenheita), ki lahko podpira življenje.

Fosilna goriva pospešujejo učinek tople grede z vnašanjem več ogljikovega dioksida v ozračje, kar poveča temperaturo planeta, učinek, znan kot globalno segrevanje. Ta temperaturni premik lahko povzroči podnebne spremembe, saj zemeljsko običajno podnebje postane neuravnoteženo.

Z izgorevanjem biogoriv nastajajo tudi ogljikov dioksid, majhne količine ogljikovega monoksida in drugi delci, tako kot fosilna goriva. Razlika ni toliko v vsebnosti zgorevanja, ampak v tem, da je biomasa v svoji nedavni rasti med fotosintezo uporabljala atmosferski ogljikov dioksid.

Predpostavlja se, da zgorelo biogorivo nadomešča prvotni ogljikov dioksid, prevzet s fotosintezo. Zato biogoriva se štejejo za imajo neto emisijo ogljikovega dioksida nič v njihovi življenjski dobi.

Fosilna goriva so sestavljena iz ogljikovodikov v verižni in aromatski obliki, biogoriva pa iz ogljikovodikovih verig s pritrjenimi kisikovimi skupinami. Njihova kemična sestava lahko vključuje kisline, alkohole in estre.

Biogorivo je bolj prehodni pristop k ničelnim emisijam ogljika, saj zgorevanje biomase še vedno proizvaja ogljikov dioksid, delci in z dodanim kisikom, lahko celo tvorijo toksine, kot je formaldehid v izgorevanju proces.

Biogorivo ima generacije. Prva generacija proizvodnje biogoriv je gorivo na osnovi rastlinskih pridelkov, kot sta koruza ali sladkorni trs. Druga generacija je iz živalskih ali rastlinskih odpadkov, tretja generacija biogoriva pa je pridobljena iz alg.

Obstajajo različne vrste biogoriv, ​​ki se trenutno uporabljajo v mešanicah z bencinom ali dizelskim gorivom iz fosilnih goriv. Spodaj so navedena pogosta biogoriva, ki se trenutno uporabljajo, njihove opredelitve, sestava in proizvodnja ter uporaba.

Osnovna definicija biodizla je gorivo zlate do temno rjave barve, namenjeno nadomestitvi dizelskega goriva. Sestava biodizla je večinoma trigliceridov, ki so razvrščeni kot estri. Estri se predelajo s transesterifikacijo. Biološka olja iz rastlinskih in živalskih maščob - to vključuje izrabljena olja iz kuhanja - reagirajo s kratkoveranimi alkoholi in katalizatorjem v segretih pogojih.

Tranesterifikacija pretvori estre, dolgoverižne maščobne kisline v biodizel in glicerin. Čeprav je mešanica, je osnovna kemična formula biodizla C₁₇H₃₄O₂, z estrsko skupino –CO₂CH₃ na koncu dolge ogljikove verige.

Biodizli se uporabljajo v motorjih, zasnovanih za dizelsko gorivo. Biodizel v procesu zgorevanja proizvaja manj žvepla, vendar prinaša manj energije kot dizelsko gorivo na nafti. Za uporabo biodizla so potrebne minimalne spremembe motorja; običajno le vgradnja cevi in ​​tesnil iz sintetične gume v sistem za gorivo, saj biogorivo razgrajuje naravni kavčuk.

Pri nizkih temperaturah postane visoka koncentracija biogoriva preveč viskozna za delo v motorju in ne bi bila primeren za temperature pod 13 stopinj Celzija (55 stopinj Fahrenheita), saj lahko povzroči korozijo delov motorja pojavijo. Mešanice manj kot 20 odstotkov biogoriva in 80 ali več odstotkov dizelskega goriva obkrožajo to zaskrbljenost zaradi viskoznosti.

Biodizel lahko kupite na nekaterih bencinskih črpalkah in se običajno prodaja kot B100, 100-odstotno biogorivo ali B20, mešanica 20-odstotnega biogoriva in 80-odstotnega dizelskega goriva. Kilometrina plina se zmanjša nad oceno B20 biodizla. To zmanjšanje razveljavi kakršen koli dobiček, ki ga ima dizelsko gorivo glede na bencin, še posebej pri vožnji z višjimi hitrostmi.

Osnovna definicija etanola je brezbarvna tekočina, ki nastane z naravno fermentacijo sladkorjev. Etanol je sestavljen iz ogljika, vodika in hidroksidne skupine, izvira pa iz koruze, sladkorne pese in sladkornega trsa. Uporabljen postopek je fermentacija. Bolj ekonomičen postopek je mletje koruze v moko podobno konsistenco pred vrenjem.

Po fermentacijskem postopku etanol destiliramo (prečistimo) do visoke koncentracije. Kemijska formula molekule etanola je C₂H₅OH.

Etanol se lahko uporablja v motorjih, zasnovanih za bencin. Vsako vozilo, ki se prodaja v ZDA, lahko vozi z mešanico 10 odstotkov etanola in 90 odstotkov neosvinčenega bencina. Večina prodanega bencina se zdaj meša z etanolom.

Etanol pomaga bencinu, da bolj popolnoma izgori; to povečuje donos energije, vendar lahko prispeva več onesnaževal smoga v okolje.

Osnovna definicija metanola je brezbarvna tekočina, destilirana iz rastlinskega materiala ali z oksidacijskim metanom. Metanol je sestavljen iz ogljika, vodika in hidroksida. Je najpreprostejši alkohol s kemično formulo CH₃OH. Metanol je cenejši za proizvodnjo kot etanol in se lahko pridobi iz katerega koli rastlinskega materiala ali iz odlagališčnega plina ali emisij elektrarne.

Metanol se tvori s sintezno reakcijo ogljikovega monoksida in vodika. Te komponente lahko nastanejo pri izgorevanju premoga, plina ali biomase. Uporaba odpadnega produkta enega postopka, kot so plini iz sežiganja premoga, za vhodne proizvode drugega postopek, kot je ustvarjanje metanola, industrijsko recikliranje in bo zmanjšal izpust onesnaževal v vzdušje.

Metanol se lahko uporablja v bencinskih motorjih. Prednosti uporabe metanola kot goriva vključujejo manjšo količino toksinov in delcev pri zgorevanju kot bencin. V bencinske motorje lahko vmešamo do 15 odstotkov metanola po prostornini brez kakršnih koli sprememb motorja.

Čeprav je metanol bistveno cenejši, zmanjšanje prevoženih kilometrov odpravi stroškovno učinkovitost. Prav tako je težko odstraniti vodo iz metanola, kar lahko razjeda cevi in ​​tesnila motorja.

Osnovna definicija biobutanola je brezbarvno tekoče gorivo iz nekaterih rastlin, večinoma koruze. Osnovno sestavo butanola sestavljajo ogljik, vodik in kisik. Je štiriogljični alkohol (butilni alkohol) s kemično formulo C₄H₁₀O.

Biobutanol izvira predvsem iz vrenja koruzne surovine. Pri fermentaciji preprostih sladkorjev iz surovin nastanejo butanol, etanol in aceton. Ločevanje teh stranskih proizvodov poveča proizvodne stroške, čeprav lahko kateri koli predelovalni obrat, ki proizvaja etanol, proizvede tudi butanol.

Biobutanol je manj jedk in zagotavlja skoraj 25 odstotkov več energije kot etanol, zato ga lahko mešamo z bencinom, da zmanjšamo toplogredne pline. Pred prevozom lahko butanol zmešamo z bencinom, etanol pa je treba prevažati ločeno in mešati na izhodu za gorivo.

Biobutanol zagotavlja manj energije kot bencin, vendar ima ob izgorevanju bistveno manj strupenih spojin. Vsak avto, ki deluje na bencin, lahko vozi na mešanici biobutanola. Večina proizvajalcev avtomobilov bo brez sprememb motorja sprejela mešanico biobutanola z bencinom do 15 odstotkov.

Osnovna definicija biogoriva alg je svetlo zeleno tekoče gorivo, izdelano iz alg. Tako kot rastline tudi alge s fotosintezo pretvarjajo sončno svetlobo v energijo. Obstaja več kot 100.000 gensko raznolikih sevov alg, od majhnih praživali v ribnikih do velikih alg v oceanu.

Alge imajo visoko koncentracijo lipidov ali maščobnih molekul, ki vsebujejo olje. Te lipide je treba izvleči in jih je mogoče pretvoriti v biogorivo. Obstaja veliko vrst alg, vendar je splošna kemijska formula biogoriva alg C₁₀₆H₂₆₃O₁₁₀N₁₆.

Klorela in spirulina sta za biosintezo bolj primerni kot druge alge, vendar gensko spremenjeni alge ustvarjajo organizme z večjo vsebnostjo lipidov, ki lahko povečajo donos energije do 40 odstotkov.

Alge lahko gojimo v velikih odprtih ribnikih ali bazenih podobnih sistemih. Sistemi z zaprto zanko niso odprti za zrak in v njih je treba črpati ogljikov dioksid. Uporaba CO₂ iz dimnikov lahko reciklirajo odpadne snovi iz enega postopka za gorivo drugega. Rast alg je bogata, izdelek pa lahko nabiramo v povprečju vsakih pet dni.

Da bi ločili lipide, morajo biti alge suh prah. Sušenje alg pogosto porabi več energije kot energije, ki bi jo zagotovilo gorivo, če bi ga zgoreli kot uporabno gorivo. Razvija se nova tehnologija, ki preskoči postopek sušenja in ima alge v stanju tekoče suspenzije, medtem ko curki topila odvajajo lipide.

Tako kot rastlinsko olje tudi alge vsebujejo lipide, gorivo iz alg pa se lahko pretvori v biodizel. Uporablja se lahko v katerem koli dizelskem motorju.

Ustvarjajo se mešanice, ki segajo od B5, 5-odstotnega biogoriva v 95-odstotnem dizelskem gorivu, do B50, 50-odstotnega biogoriva in 50-odstotnega dizelskega goriva. Mešanica B30 je bila v eni študiji nekoliko učinkovitejša od dizelskega goriva, v drugih študijah pa CO₂ emisije so bile večje kot pri fosilnih gorivih.

Za osnovo biogoriva je potrebna rast rastlin. V svetu vedno večjega števila prebivalstva, ki naj bi do leta 2050 doseglo 9,6 milijarde EUR, uporaba plodne zemlje za gojenje rastlin za gorivo morda ni v najboljšem interesu ljudi. Če pa bi izkoristili območja očrnjene zemlje, na primer zapuščena kmetijska zemljišča, bi to izničilo to skrb.

Med naštetimi biogorivi je biodizel najbolj demokratičen. Potrošnik bi lahko z poceni zagoni in prostorom ustvaril biogorivo na svojem dvorišču. Uporabljeno olje za kuhanje je bilo mogoče pobrati iz lokalnih restavracij, filtrirati in nato vstaviti v posodo za transesterifikacijo.

Stroški biogoriv ostajajo visoki v primerjavi s fosilnimi gorivi. Vendar je to tudi posledica državnih subvencij za fosilna goriva. Subvencije za fosilna goriva v ZDA znašajo bilijone dolarjev na leto. Če bi se obnovljiva goriva subvencionirala po tej stopnji, bi se lahko znižali proizvodni stroški, obnovljiva biogoriva pa bi lahko konkurirala fosilnim gorivom.