Основний склад біопалива

Одним із багатьох рішень, що допомагають стримати глобальне потепління, є пошук альтернативних джерел енергії. Панелі сонячних батарей та вітряні турбіни можуть забезпечити глобальні потреби в електроенергії, включаючи електромобілі, але поточні Потрібна залежність від викопного палива для живлення автомобілів, вантажівок, літаків, генераторів та інших двигунів звернувся. Біопаливо, таке як біодизель, використовує рідке паливо, створене з рослинних матеріалів, яке може замінити спалення викопного палива.

Горючі корисні копалини отримують з нерафінованої нафти. Ця сира нафта - речовина, що утворюється із залишків рослинного і тваринного світу, яка утримується під величезним тиском протягом мільйонів років.

Три основні типи викопного палива - це нафта, вугілля та природний газ, жоден з яких не відновлюваний. Це означає, що викопне паливо, яке існує сьогодні, може одного дня вичерпатися. Для підготовки до виснаження викопного палива було створено та створюється біопаливо.

Біопаливо отримані з живого або нещодавно живого рослинного матеріалу, такого як кукурудза або трава, багаторічна трава, яка може виростати від 8 футів до 10 футів у висоту. Цей основний матеріал називається біомасою і вважається відновлюваним джерелом енергії, оскільки рослинний матеріал можна відрощувати.

Спалювання викопного палива утворює вуглекислий газ, і цей надлишковий вуглекислий газ вже давно відомий тим, що збільшує природний парниковий ефект атмосфери Землі.

Коротко кажучи, парниковий ефект - це енергія сонця, що досягає Землі, нагріваючи її, а потім знову випромінюючи в атмосферу. Парникові гази, такі як вуглекислий газ або метан, поглинають цю енергію і знову випромінюють її назад на Землю. Це допомагає нагріти атмосферу до середньої глобальної температури близько 16 градусів Цельсія (59 градусів за Фаренгейтом), здатної підтримувати життя.

Викопне паливо прискорює парниковий ефект розміщуючи в атмосферу більше вуглекислого газу, і це підвищує температуру планети, ефект, відомий як глобальне потепління. Цей зсув температури може спричинити кліматичні зміни, оскільки звичний клімат Землі стає незбалансованим.

При спалюванні біопалива також виробляється вуглекислий газ, невелика кількість окису вуглецю та інші тверді частинки так само, як і викопне паливо. Різниця полягає не стільки у вмісті горіння, скільки в тому, що біомаса, при їх недавньому зростанні, використовувала атмосферний вуглекислий газ під час фотосинтезу.

Припущення полягає в тому, що згоріле біопаливо замінює вихідний вуглекислий газ, поглинений фотосинтезом. Отже, біопаливо вважаються мають чистий викид вуглекислого газу дорівнює нулю протягом їхнього життя.

Викопне паливо складається з вуглеводнів як у ланцюговій, так і в ароматичній формах, але біопаливо складається з вуглеводневих ланцюгів із приєднаними кисневими групами. Їх хімічний склад може включати кислоти, спирти та складні ефіри.

Біопаливо - це швидше перехідний підхід до нульових викидів вуглецю, оскільки спалювання біомаси все ще виробляє вуглекислий газ, тверді частинки та доданий кисень, можуть навіть створювати токсини, такі як формальдегід при згорянні процес.

Біопаливо має покоління. Перше покоління виробництва біопалива - це паливо на основі рослинних культур, таких як кукурудза або цукровий очерет. Друге покоління походить від тваринних або рослинних відходів, а третє покоління біопалива отримують з водоростей.

Існують різні типи біопалива, і багато з них в даний час використовуються в сумішах із викопним паливом, бензином або дизелем. Нижче наведено загальноприйняте біопаливо, а також його визначення, склад, виробництво та використання.

Основне визначення біодизеля - це паливо від золотистого до темно-коричневого кольору, призначене як заміна дизельного палива. До складу біодизеля в основному входять тригліцериди, які класифікуються як складні ефіри. Ефіри обробляють шляхом переетерифікації. Біологічні олії з рослинних та тваринних жирів - сюди входять відпрацьовані олії кулінарії - реагують із коротколанцюговими спиртами та каталізатором в нагрітих умовах.

Транстерифікація перетворює ефіри, довголанцюгові жирні кислоти, в біодизель та гліцерин. Хоча суміш, основною хімічною формулою біодизеля є С₁₇H₃₄О₂, з ефірною групою –CO₂СН₃ в кінці довгого вуглецевого ланцюга.

Біодизель використовується в двигунах, призначених для дизельного палива. Біодизель виробляє менше сірки в процесі згоряння, але забезпечує менше енергії, ніж дизельне паливо на нафтовій основі. Для використання біодизеля потрібні мінімальні модифікації двигуна; як правило, лише установка шлангів та ущільнень із синтетичного каучуку в паливній системі, оскільки біопаливо руйнує природний каучук.

При низьких температурах висока концентрація біопалива стає занадто в’язкою для роботи в двигуні і не була б такою підходить для температур нижче 13 градусів Цельсія (55 градусів за Фаренгейтом), оскільки може спричинити корозію деталей двигуна відбуваються. Суміші менше 20 відсотків біопалива та 80 або більше відсотків дизеля обходять цю проблему в'язкості.

Біодизель можна придбати на певних заправних станціях і зазвичай розповсюджується як B100, 100 відсотків біопалива або B20, суміш 20 відсотків біопалива та 80 відсотків дизельного палива. Пробіг газу зменшується вище рівня біодизеля B20. Це зменшення призводить до нулю будь-якого виграшу, який дизель має порівняно з бензином, особливо при поїздках на більш високих швидкостях.

Основне визначення етанолу - це безбарвна рідина, що утворюється в результаті природного бродіння цукрів. Етанол складається з вуглецю, водню та гідроксидної групи, його отримують із кукурудзи, цукрових буряків та цукрової тростини. Використовується процес бродіння. Більш економічний процес - подрібнення кукурудзи до борошняної консистенції перед ферментацією.

Після процесу бродіння етанол переганяють (очищають) до високої концентрації. Хімічна формула молекули етанолу - С₂H₅ОХ.

Етанол можна використовувати в двигунах, призначених для бензину. Будь-який автомобіль, що продається в Сполучених Штатах, може працювати на суміші 10 відсотків етанолу та 90 відсотків неетильованого бензину. Більшість проданих зараз бензинів змішуються з етанолом.

Етанол допомагає бензину горіти повніше; це підвищує вихід енергії, але він має потенціал вносити більше забруднювачів смогу в навколишнє середовище.

Основне визначення метанолу - це безбарвна рідина, що переганяється з рослинної сировини або шляхом окислення метану. Метанол складається з вуглецю, водню та гідроксиду. Це найпростіший із спиртів з хімічною формулою СН₃ОХ. Метанол є дешевшим у виробництві, ніж етанол, і його можна отримувати з будь-якого рослинного матеріалу або з викидів газу та електростанцій, що зберігаються на звалищах.

Метанол утворюється в результаті реакції синтезу оксиду вуглецю та водню. Ці компоненти можуть утворюватися при спалюванні вугілля, газу або біомаси. Використання відходів одного процесу, як газів від спалення вугілля, для вихідних продуктів іншого Процес, як і створення метанолу, є промисловою переробкою і зменшить викид забруднюючих речовин в атмосферу атмосфера.

Метанол можна використовувати в бензинових двигунах. Переваги використання метанолу як палива включають менший обсяг токсинів та твердих частинок при згорянні, ніж бензин. До 15 відсотків метанолу за обсягом можна змішувати в бензинових двигунах без будь-яких модифікацій двигуна.

Хоча метанол значно дешевший, зменшення пробігу газу скасовує економічну ефективність. Крім того, важко видалити воду з метанолу, і це може призвести до корозії шлангів та ущільнень двигуна.

Основне визначення біобутанолу - це безбарвне рідке паливо, виготовлене з певних рослин, переважно кукурудзи. Основний склад бутанолу складається з вуглецю, водню та кисню. Це чотиривуглецевий спирт (бутиловий спирт) з хімічною формулою С₄H₁₀О.

Біобутанол отримують насамперед при бродінні кукурудзяної сировини. При бродінні простих цукрів із вихідної сировини утворюються бутанол, етанол та ацетон. Виділення цих побічних продуктів збільшує виробничі витрати, хоча будь-яка переробна фабрика, яка виробляє етанол, може також виробляти бутанол.

Біобутанол менш їдкий і забезпечує майже на 25 відсотків більше енергії, ніж етанол, і його можна змішувати з бензином, щоб допомогти зменшити парникові гази. Бутанол можна змішувати з бензином перед транспортуванням, тоді як етанол потрібно транспортувати окремо та змішувати на виході з палива.

Біобутанол забезпечує менше енергії, ніж бензин, але має значно менше токсичних сполук при згорянні. Будь-яка машина, яка працює на бензині, може працювати на суміші біобутанолу. Більшість виробників автомобілів приймають суміш біобутанолу з бензином до 15 відсотків без будь-яких модифікацій двигуна.

Основне визначення біопалива водоростей - це світло-зелене рідке паливо, виготовлене з водоростей. Як і рослини, водорості перетворюють сонячне світло в енергію шляхом фотосинтезу. В океані існує понад 100 000 генетично різноманітних штамів водоростей - від крихітних найпростіших у ставках до великих водоростей.

Водорості мають високу концентрацію ліпідів або жирних, масляних молекул. Ці ліпіди потрібно видобувати і їх можна перетворити на біопаливо. Існує багато типів водоростей, але загальною хімічною формулою біопалива водоростей є С₁₀₆H₂₆₃О₁₁₀N₁₆.

Хлорела та спіруліна більше підходять для біосинтезу, ніж інші водорості, але генетично модифіковані водорості створюють організми з більшим вмістом ліпідів, що може збільшити вихід енергії до 40 відсотків.

Водорості можна культивувати у великих відкритих ставках або подібних до басейну системах. Системи із замкнутим циклом не відкриті для повітря, і вуглекислий газ повинен закачуватися. Використання CO₂ з димових труб може переробляти відходи від одного процесу для палива іншого. Зростання водоростей щедрий, і продукт можна збирати в середньому кожні п’ять днів.

Для того, щоб відокремити ліпіди, водорості повинні бути сухим порошком. Часто сушіння водоростей вимагає більше енергії, ніж енергії, яку паливо могло б забезпечити при спалюванні як корисне паливо. Розробляється нова технологія, яка пропускає процес сушіння і містить водорості у стані рідкої суспензії, тоді як струмені розчинника екстрагують ліпіди.

Як і рослинна олія, водорості містять ліпіди, а паливо з водоростей може перетворюватися на біодизель. Він може використовуватися в будь-якому дизельному двигуні.

Можна створювати суміші від B5, 5 відсотків біопалива на 95 відсотків дизеля, до В50, 50 відсотків біопалива та 50 відсотків дизеля. В одному дослідженні суміш B30 була трохи ефективнішою, ніж дизельне паливо, а в інших дослідженнях - CO₂ викиди були вищими, ніж для викопного палива.

Біопаливо потребує росту рослин як основу. У світі постійно зростаючого населення, яке, як очікується, до 2050 року досягне 9,6 мільярдів, використання родючих земель для вирощування рослин для палива може бути не в інтересах людей. Однак, якщо використовувати ділянки, що зневажають землю, такі як занедбані сільськогосподарські угіддя, це компенсувало б цю стурбованість.

З перерахованих біопалива біодизель є найбільш демократичним. Споживач міг би за допомогою недорогого запуску та простору створити біопаливо на своєму задньому дворі. Відпрацьоване кулінарне масло можна було зібрати з місцевих ресторанів, відфільтрувати і потім помістити в контейнер для переетерифікації.

Вартість біопалива залишається високою у порівнянні з викопним паливом. Однак це також через державні субсидії на викопне паливо. Субсидії на викопне паливо в США можуть становити близько трильйонів доларів на рік. Якби поновлювані види палива субсидувались такими темпами, виробничі витрати могли б бути знижені, а відновлюване біопаливо могло б конкурувати з викопним паливом.