องค์ประกอบพื้นฐานของเชื้อเพลิงชีวภาพ

หนึ่งในวิธีแก้ปัญหามากมายที่ช่วยลดโลกร้อนคือการหาแหล่งพลังงานทางเลือก แผงโซลาร์เซลล์และกังหันลมสามารถรองรับความต้องการไฟฟ้าทั่วโลก รวมถึงรถยนต์ไฟฟ้า แต่ในปัจจุบัน ต้องพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิลเพื่อขับเคลื่อนรถยนต์ รถบรรทุก เครื่องบิน เครื่องกำเนิดไฟฟ้า และเครื่องยนต์อื่นๆ ที่กล่าวถึง เชื้อเพลิงชีวภาพ เช่น ไบโอดีเซล ใช้เชื้อเพลิงเหลวที่สร้างขึ้นจากวัสดุจากพืช ซึ่งอาจทดแทนการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล

พลังงานจากถ่านหิน มาจากปิโตรเลียมที่ไม่ผ่านการกลั่น น้ำมันดิบนี้เป็นสารที่เกิดจากซากพืชและสัตว์ที่อยู่ภายใต้แรงกดดันมหาศาลเป็นเวลาหลายล้านปี

เชื้อเพลิงฟอสซิลหลักสามประเภท ได้แก่ ปิโตรเลียม ถ่านหิน และก๊าซธรรมชาติ ซึ่งไม่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ ซึ่งหมายความว่าเชื้อเพลิงฟอสซิลที่มีอยู่ในปัจจุบันอาจหมดลงในวันหนึ่ง เพื่อเตรียมพร้อมสำหรับการมาถึงของการสูญเสียเชื้อเพลิงฟอสซิล เชื้อเพลิงชีวภาพได้ถูกสร้างขึ้นและถูกสร้างขึ้น

เชื้อเพลิงชีวภาพ ได้มาจากพืชที่มีชีวิตหรือพืชที่มีชีวิตเมื่อเร็วๆ นี้ เช่น ข้าวโพดหรือหญ้าสวิตช์ ซึ่งเป็นหญ้ายืนต้นที่สามารถเติบโตได้สูง 8 ฟุตถึง 10 ฟุต วัสดุจำนวนมากนี้เรียกว่าชีวมวลและถือเป็นแหล่งพลังงานหมุนเวียนเนื่องจากวัสดุจากพืชสามารถปลูกใหม่ได้

การเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลทำให้เกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และเป็นที่ทราบกันดีว่าคาร์บอนไดออกไซด์ที่เพิ่มขึ้นนี้ช่วยเพิ่มภาวะเรือนกระจกตามธรรมชาติในชั้นบรรยากาศของโลก

โดยสังเขป ภาวะเรือนกระจกคือพลังงานของดวงอาทิตย์ที่ส่งไปถึงโลก ทำให้มันร้อนขึ้น จากนั้นจึงถูกแผ่ออกสู่ชั้นบรรยากาศอีกครั้ง ก๊าซเรือนกระจกเช่นคาร์บอนไดออกไซด์หรือมีเทนดูดซับพลังงานนี้และแผ่รังสีบางส่วนกลับคืนสู่โลก ช่วยให้บรรยากาศอบอุ่นขึ้นจนถึงอุณหภูมิโลกเฉลี่ยประมาณ 16 องศาเซลเซียส (59 องศาฟาเรนไฮต์) ซึ่งสามารถรองรับชีวิตได้

เชื้อเพลิงฟอสซิลเร่งปรากฏการณ์เรือนกระจก โดยการเพิ่มก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์สู่ชั้นบรรยากาศ และทำให้อุณหภูมิของดาวเคราะห์สูงขึ้น ผลกระทบที่เรียกว่า ภาวะโลกร้อน. การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมินี้อาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศเนื่องจากสภาพอากาศปกติของโลกไม่สมดุล

การเผาไหม้เชื้อเพลิงชีวภาพยังก่อให้เกิดคาร์บอนไดออกไซด์ คาร์บอนมอนอกไซด์ในปริมาณเล็กน้อย และอนุภาคอื่นๆ เช่นเดียวกับเชื้อเพลิงฟอสซิล ความแตกต่างไม่มากในเนื้อหาการเผาไหม้ แต่ชีวมวลในการเติบโตล่าสุดของพวกเขาใช้คาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง

สมมติฐานคือเชื้อเพลิงชีวภาพที่ถูกเผาจะแทนที่ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ดั้งเดิมที่เกิดจากการสังเคราะห์ด้วยแสง ดังนั้น, เชื้อเพลิงชีวภาพ ถือว่า มีการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์สุทธิเป็นศูนย์ ตลอดอายุขัยของพวกเขา

เชื้อเพลิงฟอสซิลประกอบด้วยไฮโดรคาร์บอนทั้งในรูปแบบสายโซ่และแบบอะโรมาติก แต่เชื้อเพลิงชีวภาพประกอบด้วยสายโซ่ไฮโดรคาร์บอนที่มีกลุ่มออกซิเจนติดอยู่ องค์ประกอบทางเคมีของพวกมันอาจรวมถึงกรด แอลกอฮอล์ และเอสเทอร์

เชื้อเพลิงชีวภาพเป็นแนวทางการเปลี่ยนผ่านไปสู่การปล่อยคาร์บอนเป็นศูนย์มากกว่าเนื่องจากการเผาไหม้ของสารชีวมวลยังคงก่อให้เกิด คาร์บอนไดออกไซด์ อนุภาค และออกซิเจนที่เติมเข้าไป อาจสร้างสารพิษ เช่น ฟอร์มาลดีไฮด์ในการเผาไหม้ กระบวนการ.

เชื้อเพลิงชีวภาพมีหลายรุ่น การผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพรุ่นแรกเป็นเชื้อเพลิงจากพืชผล เช่น ข้าวโพดหรืออ้อย รุ่นที่สองมาจากของเสียจากสัตว์หรือพืช และเชื้อเพลิงชีวภาพรุ่นที่สามมาจากสาหร่าย

มีเชื้อเพลิงชีวภาพหลายประเภท และปัจจุบันมีการใช้เชื้อเพลิงชีวภาพหลายชนิดผสมกับเชื้อเพลิงฟอสซิลหรือน้ำมันดีเซล ด้านล่างนี้คือเชื้อเพลิงชีวภาพทั่วไปที่ใช้อยู่ในปัจจุบันและคำจำกัดความ องค์ประกอบและการผลิตและการใช้งาน

คำจำกัดความพื้นฐานของไบโอดีเซลคือเชื้อเพลิงที่มีสีเหลืองทองถึงน้ำตาลเข้มซึ่งใช้แทนน้ำมันดีเซล องค์ประกอบของไบโอดีเซลส่วนใหญ่เป็นไตรกลีเซอไรด์ที่จัดเป็นเอสเทอร์ เอสเทอร์ถูกแปรรูปผ่านการทรานส์เอสเทอร์ น้ำมันชีวภาพจากไขมันพืชและสัตว์ ซึ่งรวมถึงน้ำมันที่ใช้แล้วจากการปรุงอาหาร ทำปฏิกิริยากับแอลกอฮอล์ชนิดสายสั้นและตัวเร่งปฏิกิริยาภายใต้สภาวะที่ร้อนจัด

Transesterification แปลงเอสเทอร์ กรดไขมันสายยาว เป็นไบโอดีเซลและกลีเซอรีน แม้ว่าจะเป็นส่วนผสม แต่สูตรเคมีพื้นฐานไบโอดีเซลคือ C₁₇โฮ₃₄โอ₂กับกลุ่มเอสเทอร์ –CO₂CH₃ ที่ปลายโซ่คาร์บอนยาว

ไบโอดีเซลใช้ในเครื่องยนต์ที่ออกแบบมาสำหรับเชื้อเพลิงดีเซล ไบโอดีเซลผลิตกำมะถันได้น้อยกว่าในกระบวนการเผาไหม้แต่ให้พลังงานน้อยกว่าน้ำมันดีเซลจากปิโตรเลียม จำเป็นต้องมีการปรับเปลี่ยนเครื่องยนต์เล็กน้อยเพื่อใช้ไบโอดีเซล โดยปกติการติดตั้งท่อและซีลยางสังเคราะห์ในระบบเชื้อเพลิงเท่านั้นเนื่องจากเชื้อเพลิงชีวภาพทำให้ยางธรรมชาติเสื่อมคุณภาพ

ที่อุณหภูมิต่ำ เชื้อเพลิงชีวภาพที่มีความเข้มข้นสูงจะมีความหนืดเกินกว่าที่จะทำงานในเครื่องยนต์และจะไม่ทำงาน เหมาะสำหรับอุณหภูมิต่ำกว่า 13 องศาเซลเซียส (55 องศาฟาเรนไฮต์) เนื่องจากการกัดกร่อนของชิ้นส่วนเครื่องยนต์อาจ เกิดขึ้น ส่วนผสมของเชื้อเพลิงชีวภาพที่น้อยกว่า 20 เปอร์เซ็นต์และดีเซล 80 เปอร์เซ็นต์ขึ้นไปจะช่วยขจัดความกังวลเรื่องความหนืดนี้

ไบโอดีเซลอาจซื้อได้ที่สถานีบริการน้ำมันบางแห่ง และจำหน่ายโดยทั่วไปเป็น B100 เชื้อเพลิงชีวภาพ 100 เปอร์เซ็นต์ หรือ B20 ส่วนผสมของเชื้อเพลิงชีวภาพ 20 เปอร์เซ็นต์ และดีเซล 80 เปอร์เซ็นต์ ระยะการใช้ก๊าซลดลงเหนือระดับ B20 ของไบโอดีเซล การลดลงนี้ไม่มีผลกับกำไรที่ดีเซลมีมากกว่าน้ำมันเบนซิน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเดินทางด้วยความเร็วสูง

คำจำกัดความพื้นฐานของเอธานอลคือของเหลวไม่มีสีซึ่งเกิดจากการหมักน้ำตาลตามธรรมชาติ เอทานอลประกอบด้วยคาร์บอน ไฮโดรเจน และหมู่ไฮดรอกไซด์ และได้มาจากข้าวโพด หัวบีตน้ำตาล และอ้อย กระบวนการที่ใช้คือการหมัก กระบวนการที่ประหยัดกว่าคือการบดข้าวโพดให้เป็นเนื้อที่เหมือนแป้งก่อนหมัก

หลังจากกระบวนการหมักเอทานอลจะถูกกลั่น (ทำให้บริสุทธิ์) ให้มีความเข้มข้นสูง สูตรทางเคมีของโมเลกุลเอทานอลคือ C₂โฮ₅โอ้

เอทานอลสามารถใช้ในเครื่องยนต์ที่ออกแบบมาสำหรับน้ำมันเบนซิน รถยนต์ทุกคันที่จำหน่ายในสหรัฐอเมริกาสามารถใช้เอธานอลร้อยละ 10 ผสมกับน้ำมันเบนซินไร้สารตะกั่วร้อยละ 90 ได้ น้ำมันเบนซินส่วนใหญ่ที่ขายตอนนี้จะผสมกับเอทานอล

เอทานอลช่วยให้น้ำมันเบนซินเผาไหม้สมบูรณ์ยิ่งขึ้น สิ่งนี้ช่วยเพิ่มผลผลิตพลังงาน แต่มีศักยภาพในการปล่อยมลพิษหมอกควันสู่สิ่งแวดล้อมมากขึ้น

คำจำกัดความของเมทานอลพื้นฐานคือของเหลวไม่มีสีที่กลั่นจากวัสดุจากพืชหรือโดยการออกซิไดซ์มีเทน เมทานอลประกอบด้วยคาร์บอน ไฮโดรเจน และไฮดรอกไซด์ เป็นแอลกอฮอล์ที่ง่ายที่สุดที่มีสูตรทางเคมีCH₃โอ้ เมทานอลมีราคาถูกกว่าการผลิตเอทานอลและสามารถได้มาจากวัสดุพืชใด ๆ หรือจากก๊าซฝังกลบหรือการปล่อยโรงไฟฟ้า

เมทานอลผลิตโดยปฏิกิริยาสังเคราะห์ของคาร์บอนมอนอกไซด์และไฮโดรเจน ส่วนประกอบเหล่านี้อาจเกิดจากการเผาถ่านหิน ก๊าซ หรือชีวมวล การใช้ของเสียของกระบวนการหนึ่ง เช่น ก๊าซจากการเผาถ่านหิน เพื่อเป็นผลิตภัณฑ์เริ่มต้นของอีกกระบวนการหนึ่ง กระบวนการเช่นเดียวกับการสร้างเมทานอลคือการรีไซเคิลทางอุตสาหกรรมและจะลดการปล่อยมลพิษลงสู่ บรรยากาศ.

เมทานอลสามารถใช้ในเครื่องยนต์ที่ใช้น้ำมันเบนซิน ข้อดีของการใช้เมทานอลเป็นเชื้อเพลิง ได้แก่ ปริมาณสารพิษและอนุภาคจากการเผาไหม้ต่ำกว่าน้ำมันเบนซิน สามารถผสมเมทานอลได้ถึง 15 เปอร์เซ็นต์โดยปริมาตรในเครื่องยนต์เบนซินโดยไม่ต้องดัดแปลงเครื่องยนต์

แม้ว่าเมทานอลจะมีราคาถูกกว่ามาก แต่ระยะการใช้ก๊าซที่ลดลงจะทำให้ความคุ้มค่าลดลง นอกจากนี้ การกำจัดน้ำออกจากเมทานอลทำได้ยาก และอาจทำให้ท่อและซีลของเครื่องยนต์สึกกร่อนได้

คำจำกัดความพื้นฐานของไบโอบิวทานอลคือเชื้อเพลิงเหลวไม่มีสีที่ทำจากพืชบางชนิด ซึ่งส่วนใหญ่เป็นข้าวโพด องค์ประกอบพื้นฐานของบิวทานอลประกอบด้วยคาร์บอน ไฮโดรเจน และออกซิเจน เป็นแอลกอฮอล์สี่คาร์บอน (บิวทิลแอลกอฮอล์) ที่มีสูตรทางเคมีของ C₄โฮ₁₀โอ.

ไบโอบิวทานอลมาจากการหมักวัตถุดิบจากข้าวโพดเป็นหลัก ในการหมักน้ำตาลอย่างง่ายจากวัตถุดิบจะผลิตบิวทานอล เอทานอล และอะซิโตน การแยกผลพลอยได้เหล่านี้จะเพิ่มต้นทุนการผลิต แม้ว่าโรงงานแปรรูปใดๆ ที่ผลิตเอทานอลก็สามารถผลิตบิวทานอลได้เช่นกัน

ไบโอบิวทานอลมีฤทธิ์กัดกร่อนน้อยกว่าและให้พลังงานมากกว่าเอทานอลเกือบ 25 เปอร์เซ็นต์ และสามารถผสมกับน้ำมันเบนซินเพื่อช่วยลดก๊าซเรือนกระจกได้ บิวทานอลอาจผสมกับน้ำมันเบนซินก่อนการขนส่ง ในขณะที่เอทานอลต้องขนส่งแยกต่างหากและผสมที่ช่องจ่ายน้ำมันเชื้อเพลิง

ไบโอบิวทานอลให้พลังงานน้อยกว่าน้ำมันเบนซิน แต่มีสารพิษน้อยกว่าอย่างเห็นได้ชัดเมื่อเผาไหม้ รถยนต์ที่ใช้น้ำมันเบนซินสามารถวิ่งโดยใช้ส่วนผสมของไบโอบิวทานอลได้ ผู้ผลิตรถยนต์ส่วนใหญ่จะยอมรับส่วนผสมของไบโอบิวทานอลกับน้ำมันเบนซินถึง 15 เปอร์เซ็นต์โดยไม่มีการดัดแปลงเครื่องยนต์

คำจำกัดความพื้นฐานของเชื้อเพลิงชีวภาพของสาหร่ายคือเชื้อเพลิงเหลวสีเขียวอ่อนที่ทำจากสาหร่าย เช่นเดียวกับพืช สาหร่ายแปลงแสงแดดเป็นพลังงานโดยการสังเคราะห์ด้วยแสง มีสาหร่ายที่มีความหลากหลายทางพันธุกรรมมากกว่า 100,000 สายพันธุ์ ตั้งแต่โปรโตซัวขนาดเล็กในสระน้ำไปจนถึงสาหร่ายทะเลขนาดใหญ่ในมหาสมุทร

สาหร่ายมีความเข้มข้นสูงของไขมันหรือไขมัน โมเลกุลที่ประกอบด้วยน้ำมัน ไขมันเหล่านี้จำเป็นต้องสกัดและเปลี่ยนเป็นเชื้อเพลิงชีวภาพได้ สาหร่ายมีหลายชนิด แต่สูตรเคมีเชื้อเพลิงชีวภาพของสาหร่ายทั่วไปคือ C₁₀₆โฮ₂₆₃โอ₁₁₀นู๋₁₆.

คลอเรลล่าและสาหร่ายสไปรูลิน่าเหมาะสำหรับการสังเคราะห์ทางชีวภาพมากกว่าสาหร่ายชนิดอื่น แต่มีการดัดแปลงพันธุกรรม สาหร่ายสร้างสิ่งมีชีวิตที่มีปริมาณไขมันสูงซึ่งสามารถเพิ่มผลผลิตพลังงานได้ถึง40 เปอร์เซ็นต์

สาหร่ายอาจปลูกในบ่อเปิดขนาดใหญ่หรือระบบคล้ายสระน้ำ ระบบวงปิดจะไม่เปิดให้อากาศและต้องสูบคาร์บอนไดออกไซด์เข้าไป การใช้CO₂ จากปล่องควันสามารถรีไซเคิลของเสียจากกระบวนการหนึ่งไปเป็นเชื้อเพลิงของอีกกระบวนการหนึ่งได้ สาหร่ายมีการเจริญเติบโตอย่างอุดมสมบูรณ์ และสามารถเก็บผลิตภัณฑ์ได้โดยเฉลี่ยทุกๆ ห้าวัน

ในการแยกไขมันออกจากกัน สาหร่ายจะต้องเป็นผงแห้ง บ่อยครั้งที่การทำให้แห้งของสาหร่ายใช้พลังงานมากกว่าพลังงานที่เชื้อเพลิงจะให้เมื่อเผาไหม้เป็นเชื้อเพลิงที่ใช้งานได้ มีการพัฒนาเทคโนโลยีใหม่ที่ข้ามขั้นตอนการทำให้แห้งและมีสาหร่ายอยู่ในสถานะของเหลวแขวนลอยในขณะที่ตัวทำละลายพ่นสกัดไขมัน

เช่นเดียวกับน้ำมันพืช สาหร่ายประกอบด้วยไขมัน และเชื้อเพลิงจากสาหร่ายสามารถเปลี่ยนเป็นไบโอดีเซลได้ สามารถใช้กับเครื่องยนต์ดีเซลทุกชนิด

สามารถสร้างส่วนผสมได้ตั้งแต่ B5 เชื้อเพลิงชีวภาพ 5% ในดีเซล 95 เปอร์เซ็นต์ ไปจนถึง B50 เชื้อเพลิงชีวภาพ 50 เปอร์เซ็นต์ และดีเซล 50 เปอร์เซ็นต์ ส่วนผสม B30 มีประสิทธิภาพมากกว่าน้ำมันดีเซลเล็กน้อยในการศึกษาหนึ่ง และในการศึกษาอื่น CO₂ การปล่อยมลพิษสูงกว่าเชื้อเพลิงฟอสซิล

เชื้อเพลิงชีวภาพต้องการการเจริญเติบโตของพืชเป็นฐาน ในโลกที่มีประชากรเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ซึ่งคาดว่าจะถึง 9.6 พันล้านคนภายในปี 2593 การใช้ที่ดินอันอุดมสมบูรณ์เพื่อปลูกพืชเป็นเชื้อเพลิงอาจไม่เป็นประโยชน์ต่อมนุษย์ อย่างไรก็ตาม หากมีการใช้พื้นที่ที่เสื่อมเสีย เช่น พื้นที่เกษตรกรรมที่ถูกทิ้งร้าง จะช่วยชดเชยข้อกังวลนี้ได้

จากเชื้อเพลิงชีวภาพที่ระบุไว้ ไบโอดีเซลเป็นเชื้อเพลิงที่มีประชาธิปไตยมากที่สุด ผู้บริโภคสามารถสร้างเชื้อเพลิงชีวภาพในสนามหลังบ้านได้โดยใช้พื้นที่และการเริ่มต้นที่ไม่แพง น้ำมันที่ใช้แล้วสามารถเก็บสะสมจากร้านอาหารในท้องถิ่น กรองแล้วใส่ลงในภาชนะเพื่อทรานส์เอสเทอริฟิเคชั่น

ต้นทุนเชื้อเพลิงชีวภาพยังคงสูงเมื่อเทียบกับเชื้อเพลิงฟอสซิล อย่างไรก็ตาม นี่เป็นเพราะเงินอุดหนุนจากรัฐบาลสำหรับเชื้อเพลิงฟอสซิล เงินอุดหนุนเชื้อเพลิงฟอสซิลในสหรัฐอเมริกาสามารถอยู่ในลำดับล้านล้านดอลลาร์ต่อปี หากเชื้อเพลิงหมุนเวียนได้รับเงินอุดหนุนในอัตรานี้ ต้นทุนการผลิตจะลดลง และเชื้อเพลิงชีวภาพหมุนเวียนสามารถแข่งขันกับเชื้อเพลิงฟอสซิลได้