Een alternatief voor traditionele energiebronnen zijn verschillende soorten biobrandstoffen, voor de productie waarvan plantaardige of dierlijke grondstoffen, bedrijfsafval en de resultaten van vitale activiteit van organismen worden gebruikt.
We bieden aan om de voor- en nadelen van het gebruik van een dergelijke brandstof te begrijpen, de kenmerken van de productie, functionele kenmerken te ontdekken en de effectiviteit van het gebruik van verschillende soorten biobrandstof te evalueren. De verstrekte informatie helpt u bij het navigeren door de selectie van alternatieve energiebronnen.
Wat is biobrandstof
Het meest veelbelovende gebied in de energiesector is technologie waarbij gebruik wordt gemaakt van hernieuwbare bronnen, waaronder biobrandstoffen.
Het meest voorkomende type biobrandstof is conventioneel brandhout. 38% van de wereldbevolking gebruikt ze voor verwarming en koken
Als grondstof voor de productie kan biomassa van plantaardige / dierlijke oorsprong worden genomen, inclusief industrieel afval of dierlijk afval.
De verwerking van dergelijke stoffen vindt plaats via een thermochemische of biologische methode, in het laatste geval wordt brandstof verkregen met verschillende soorten micro-organismen.
Het aandeel van het gebruik van biologische brandstoffen groeit voortdurend, wat bijdraagt aan het behoud van fossiele koolwaterstofbronnen (+)
Veel landen hebben speciale programma's om het aandeel van biobrandstoffen in het nationale en regionale energieverbruik te vergroten. Een aantal staten heeft ook verplichte normen voor het gebruik van deze energiebron.
Voor- en nadelen van biobrandstoffen
Biologische brandstofsoorten hebben hun positieve en negatieve kanten. Interesse in het gebruik van dit type grondstof wordt veroorzaakt door de ongetwijfeld voordelen.
Deze omvatten:
- Budgetkosten. Hoewel de prijzen voor biobrandstoffen op dit moment praktisch samenvallen met de kosten van benzine, worden biologische stoffen als een meer winstgevende brandstof beschouwd, omdat ze bij verbranding minder uitstoot veroorzaken. Biobrandstof is geschikt voor gebruik onder verschillende omstandigheden, terwijl het kan worden aangepast aan motoren met verschillende ontwerpen. Een ander pluspunt is de optimalisatie van de motor, die door de geringe hoeveelheid roet en uitlaatgassen langer schoon blijft.
- Mobiliteit. Biobrandstof verschilt van andere alternatieve energiebronnen in zijn mobiliteit. Zonne- en windturbines bevatten meestal zware batterijen, dus worden ze meestal stationair gebruikt, terwijl biobrandstoffen zonder veel moeite van de ene regio naar de andere kunnen worden vervoerd.
- Hernieuwbare energiebron. Hoewel de bestaande afzettingen van ruwe olie volgens onderzoekers minstens honderden jaren zullen meegaan, zijn de minerale reserves nog steeds eindig. Biobrandstoffen gemaakt van planten en dierlijk afval behoren tot de hernieuwbare bronnen die in de nabije toekomst niet met uitsterven worden bedreigd.
- Bescherming van de aardatmosfeer. Een groot nadeel van traditionele koolwaterstoffen is het hoge percentage CO2die vrijkomt bij het branden. Dit gas zorgt voor een broeikaseffect in de atmosfeer van onze planeet en schept voorwaarden voor de opwarming van de aarde. Bij verbranding van biologische stoffen neemt de hoeveelheid kooldioxide af tot 65%. Daarnaast verbruiken gewassen die worden gebruikt bij de productie van biobrandstoffen koolmonoxide, waardoor het aandeel in de lucht wordt verminderd.
- Economische zekerheid. De koolwaterstofreserves zijn ongelijk verdeeld, dus sommige staten worden gedwongen olie of aardgas te kopen en besteden grote bedragen aan de acquisitie, het transport en de opslag. In bijna elk land zijn verschillende soorten biologische brandstof verkrijgbaar. Aangezien het voor de fabricage en verwerking nodig zal zijn om nieuwe ondernemingen op te richten en dienovereenkomstig banen, zal dit de nationale economie ten goede komen en het welzijn van de mensen positief beïnvloeden.
Het verbeteren van technologieën en het ontwikkelen van nieuwe methoden kan het positieve effect van biobrandstoffen versterken. Zo zal de ontwikkeling van technologieën die plankton en algen gebruiken de prijs aanzienlijk verlagen.
Tegelijkertijd gaat de productie van biobrandstoffen in het huidige stadium van de ontwikkeling van wetenschappen en technologieën gepaard met een aantal moeilijkheden en ongemakken. Allereerst zijn dit natuurlijke beperkingen bij het kweken van planten.
Bij de groei van gewassen die worden gebruikt om biomassa te produceren, moet rekening worden gehouden met een aantal factoren, namelijk:
- Watergebruik. Landbouwgewassen verbruiken veel water, wat een beperkte hulpbron is, vooral op droge plaatsen.
- Invasiviteit. Brandstofgewassen zijn vaak agressief. Ze overstemmen de authentieke flora, die de biodiversiteit en het ecosysteem van de regio kan schaden.
- Meststoffen. Veel planten hebben de toevoeging van voedingsstoffen nodig die andere gewassen of het algemene ecosysteem kunnen schaden.
- Klimaat. Bepaalde klimaatzones (bijvoorbeeld woestijn of toendra) zijn niet geschikt voor het verbouwen van biobrandstofgewassen.
Actieve teelt van landbouwgewassen wordt ook geassocieerd met uitputting van landbouwhulpbronnen.Het niet naleven van de regels van de landbouwtechnologie kan leiden tot een afname van het gehalte aan nuttige componenten van de bodem en daardoor tot uitputting, wat het voedselprobleem zal verergeren.
Verstoring van het ecosysteem treedt op. Voor de productie van biomassa is meestal uitbreiding van de landbouwgebieden vereist.
Vaak wordt voor dit doel een reiniging van het grondgebied uitgevoerd, wat leidt tot de vernietiging van het micro-ecosysteem (bijvoorbeeld bossen), de dood van planten en dieren.
Voor de productie van biobrandstoffen wordt al een grote hoeveelheid gewassen verbouwd. Meer dan 50% van het in Europa geproduceerde koolzaad, meer dan een derde van het Amerikaanse graan, bijna de helft van het in Brazilië geteelde suikerriet wordt gebruikt voor de productie van biomassa.
Er zijn problemen met groeiende monoculturen. Om een groter biomassagewas te produceren, zaaien producenten vaak het land met een bepaalde plant. Deze praktijk weerspiegelt niet goed de toestand van landbouwgrond, aangezien monocultuur tot een verandering in de omgeving leidt.
In de velden bezet door één plantensoort parasiteren speciale soorten ongedierte meestal. Een poging om ze te bestrijden met insecticiden en pesticiden leidt alleen tot de ontwikkeling van resistentie tegen deze medicijnen.
Om de hierboven beschreven problemen te voorkomen, adviseren wetenschappers om de biodiversiteit van gewassen niet te verwaarlozen door verschillende planten in de velden te combineren en ook lokale plantensoorten te gebruiken.
Generaties alternatieve brandstof
Een breed scala aan plantaardig materiaal dat voor biomassa wordt gebruikt, is doorgaans verdeeld in meerdere generaties.
Eerste generatie. Deze categorie omvat gewassen met een hoog percentage zetmeel, suikers, vetten. Dit zijn zulke populaire planten als maïs, suikerbieten, koolzaad, soja.
Omdat de teelt van deze gewassen het klimaat schaadt en hun verwijdering uit de markt van invloed is op de prijsstelling van producten, proberen wetenschappers ze te vervangen door andere soorten biomassa.
Vrijwel alle soorten moderne vloeibare brandstoffen (biodiesel, ethanol) worden momenteel geproduceerd uit landbouwgewassen die tot de eerste generatie grondstoffen behoren.
Tweede generatie. De biomassagroep omvat hout, gras, landbouwafval (schelp, schil). Het verkrijgen van biobrandstoffen uit dergelijke grondstoffen is duur, maar stelt ons in staat om het probleem van de verwijdering van niet-voedselresten op te lossen met de gelijktijdige productie van brandbare materialen.
Een kenmerk van de culturen in deze variëteit is de aanwezigheid van lignine en cellulose erin. Dankzij hen kan biomassa worden verbrand en vergast, en kan ze worden onderworpen aan pyrolyse, waarbij vloeibare brandstof wordt ontvangen.
Het grootste nadeel van biomassa van de tweede generatie wordt beschouwd als onvoldoende rendement per oppervlakte-eenheid, en daarom moeten voor dergelijke gewassen aanzienlijke landvoorraden worden toegewezen.
Derde generatie. De grondstoffen voor de productie van biobrandstoffen zijn algen, die op industriële schaal worden gekweekt, bijvoorbeeld in open water.
De meest veelbelovende optie zijn biobrandstoffen die zijn verkregen uit eencellige algen. Dergelijke planten krijgen snel massa, terwijl vruchtbare grond niet nodig is om ze te laten groeien.
Deze praktijk heeft grote vooruitzichten, maar momenteel worden dergelijke technologieën alleen ontwikkeld. Wetenschappers doen ook onderzoek om technieken te ontwikkelen voor de productie van biobrandstoffen van de vierde en zelfs de vijfde generatie.
Drie soorten biobrandstoffen
Afhankelijk van de aggregatietoestand van de stof zijn er drie hoofdtypen biobrandstof:
- Solide: brandhout, turf, dierlijk afval en landbouwproductie.
- Vloeistof: biodiesel, dimethylether, bio-ethanol, biobutanol.
- Gasvormig: biogas, methaan, biowaterstof.
Elk type stof heeft zijn eigen specifieke kenmerken, die hieronder zullen worden besproken.
Type # 1: solide
Tot de meest populaire vaste soorten biobrandstof behoren hout, turf, dierlijk afval.
Hout (brandhout, houtsnippers, zaagsel)
Het oude type biobrandstof is brandhout dat bij iedereen bekend is en al lang wordt gebruikt voor het verwarmen van huizen en het koken. Tot nu toe worden ze in verschillende landen actief gebruikt om warmte / elektriciteit te produceren, met name een grote Oostenrijkse thermische centrale met een capaciteit van 66 megawatt, die op hout werkt.
Tegelijkertijd hebben dergelijke grondstoffen nadelen. De energetische waarde van brandhout is relatief klein: bij verbranding bezinkt een deel van de stof in de vorm van roet, daarom moeten haarden en kachels regelmatig worden schoongemaakt. Bovendien is er enige tijd nodig om de houtvoorraden aan te vullen - nieuwe bomen zullen pas na 15-20 jaar groeien.
Een uitstekend alternatief voor gewoon hout zijn pellets (pellets), voor de productie waarvan ondermaats hout wordt gebruikt: schors, houtsnippers, geperst zaagsel, takken.
Pellets verkregen uit hout, turf en diverse afvalproducten hebben een andere kleur. Lichte degenen worden gebruikt voor het branden van open haarden en kachels, terwijl donkere, met een hoog schorsgehalte, zijn ontworpen voor ketels met vaste brandstof
Voor de productie van brandstofpellets worden de grondstoffen tot stof vermalen, dat vervolgens gedroogd en geperst wordt op hoge temperatuur. Door de lignine in het hout wordt een kleefmassa gevormd waaruit kleine cilinders van 5-70 mm lang en 6-10 mm in diameter worden gevormd.
Een modern alternatief voor traditioneel hout zijn brandstofbriketten met vier-, zes- of achthoekige vormen. Dit milieuvriendelijke materiaal heeft een hoge warmteafvoer.
De productie van pellets kan onafhankelijk worden opgezet door een pers te maken voor brandstofbriketten.
Een van de populaire soorten biobrandstoffen is houtsnippers, die vaak dienen als energiebron bij Europese thermische centrales. De productie van deze grondstof vindt plaats op houtkap of op speciale productielijnen uitgerust met shreddermachines.
Moeras en bosbrandstof turf
Dit is een veelvoorkomend type biobrandstof dat al eeuwenlang wordt gebruikt voor huishoudelijke en industriële doeleinden. Turf is een laag mos die niet volledig wordt afgebroken in een moeras, dat in veel landen van de wereld wordt gewonnen: Rusland, Wit-Rusland, Canada, Zweden, Indonesië en andere.
Turf met 50-60% koolstof wordt beschouwd als een populair gasdragend materiaal. Deze waardevolle grondstof kan niet alleen als brandstof worden gebruikt, maar ook als meststof of warmte-isolator.
Voor het gemak van het productieproces wordt biomassa meestal op de plaats van productie verwerkt. Het proces bestaat uit het reinigen (zeven) van de grondstoffen van externe shutdowns, gevolgd door drogen en gieten in de vorm van briketten of korrels.
Brandstof uit landbouwafval
In de landbouwproductie hoopt zich in de regel een groot aantal verschillende plantenafval op: de buitenste schil van planten, notendoppen, stro.
Dergelijke grondstoffen kunnen ook worden geperst en gegranuleerd om brandstofpellets te verkrijgen, waarvan de kenmerken praktisch hetzelfde zijn als pellets gemaakt van houtbiomassa.
Dierlijke biobrandstof
Samen met brandhout in de oudheid begonnen mensen brandstof van dierlijke oorsprong te gebruiken, namelijk mest - gedroogde mest van huisdieren. Moderne technologieën voor het drogen en verwerken van dergelijke grondstoffen maken het mogelijk om vaste soorten biobrandstoffen te verkrijgen, volledig verstoken van onaangename geuren.
Nomadische volkeren gebruikten lange tijd gedroogde mest van paarden, kamelen en vee als brandstof. Momenteel wordt biobrandstof in de vorm van briketten of pellets gemaakt van de afvalproducten van huisdieren.
Aangezien vee-afval momenteel op industriële schaal wordt opgestapeld, lost de productie van brandstof daaruit tegelijkertijd het probleem van hun verwijdering op.
Type # 2: vloeistof
Vloeibare biobrandstoffen, die veilig en milieuvriendelijk zijn, worden meestal gebruikt als vervanging voor benzine en andere soortgelijke producten. Tot de meest voorkomende opties behoren bio-ethanol, biomethanol, biobutanol, biodiesel, dimethylether.
Bio-ethanol bijsnijden
Dit is een veel voorkomende vloeibare biobrandstof die wordt gebruikt om auto's van brandstof te voorzien. Hoewel een zuivere stof niet als brandstof wordt gebruikt, verbetert de toevoeging aan benzine de motorprestaties, verhoogt het vermogen, regelt het de verwarming van de motor en vermindert het de uitlaatemissies.
Veel tankstations in Europa, Azië, Noord- en Zuid-Amerika bieden niet alleen traditionele brandstof aan, maar ook verschillende soorten biobrandstoffen, vooral mengsels die bio-ethanol bevatten
Bio-ethanol werd ook gewaardeerd door fans van open haarden. Deze stof heeft een goede warmteafvoer; bovendien produceert het bij verbranding geen roet of rook en wordt de hoeveelheid uitgestoten koolzuur tot een minimum beperkt.
Dankzij deze eigenschappen kan brandstof zelfs worden gebruikt voor het stoken van een haard in appartementsgebouwen. Lees in dit artikel meer over biobrandstoffen voor haarden.
Bio-ethanol wordt geproduceerd uit grondstoffen van de eerste generatie die zetmeel of suiker bevatten. Granen, maïs, suikerriet, bieten worden verwerkt met behulp van de technologie van alcoholische fermentatie.
Biobutanol voor het tanken van auto's
Biobutanol is een biologisch verkregen analoog van butanol. Een kleurloze vloeistof met een karakteristieke geur wordt veel gebruikt als chemische grondstof in de industrie en kan ook worden gebruikt als transportbrandstof.
De energie-intensiteit van butanol ligt dicht bij benzine, waardoor je deze laatste gedeeltelijk in brandstofcellen kunt vervangen. In tegenstelling tot bio-ethanol kan biobutanol onafhankelijk worden gebruikt, zonder toevoeging van traditionele brandstof.
De grondstoffen voor de productie van deze bio-stof zijn een verscheidenheid aan planten: bieten, cassave, tarwe, maïs.
Dimethylether (C2H6O)
Het is ook een milieuvriendelijke brandstof. Bij verbranding zijn er geen zwavelverbindingen in de uitlaatgassen en is het gehalte aan stikstofverbindingen 90% lager dan bij verbranding van benzine.
Dimethylether kan zonder speciale filters worden gebruikt, maar er moeten belangrijke wijzigingen in het ontwerp van de auto worden aangebracht (aandrijfsysteem, motorontsteking).
Dimethylether wordt beschouwd als een veelbelovende optie voor autobrandstof. Machines met motoren ontworpen voor deze brandstof zijn ontwikkeld door grote bedrijven als Volvo, SAIC Motor, KAMAZ, Nissan
U kunt zonder aanpassingen gecombineerde brandstof met 30% dimethylether gebruiken in machines die zijn uitgerust met LPG-motoren.
Vloeibare brandstoffen kunnen worden geproduceerd uit verschillende grondstoffen: aardgas, steenkoolstof, biomassa en vooral uit de restanten van de pulp- en papierproductie en transformeren in een vloeistof onder lage druk.
Eencellige algen biomethanol
Een dergelijke stof is een analoog van gewone methanol, dat veel wordt gebruikt voor de productie van een aantal chemische verbindingen (azijnzuur, formaldehyde) en ook wordt gebruikt als antivries en oplosmiddel.
Voor het eerst werd de kwestie van de productie van dit type biobrandstof aan de orde gesteld in de jaren tachtig, toen een groep wetenschappers voorstelde om een vloeibare stof te verkrijgen door biochemische transformatie van marien fytoplankton, waarvan de kweek zal plaatsvinden in speciale reservoirs.
Biomethanol heeft verschillende potentiële voordelen:
- hoge energie-efficiëntie - 14 bij ontvangst van methaan; 7 bij de productie van methanol;
- uitstekende fytoplanktonproductiviteit - tot 100 ton per hectare per jaar;
- niet veeleisende eencellige organismenvoor de teelt waarvan zoet water niet nodig is, vruchtbare grond;
- instandhouding van agrarische hulpbronnenomdat fytoplankton wordt gekweekt in vijvers of zee-baaien.
Hoewel de industriële productie van biomethanol nog niet is vastgesteld, is er momenteel volop onderzoek en ontwikkeling van technologieën voor de ontwikkeling van de productie van dit type alternatieve brandstof aan de gang.
Biodiesel als alternatief voor transportbrandstof
Dit is een vloeibare motorbiobrandstof bestaande uit een mengsel van vetzuuresters. De stof is veilig voor mens en dier, ontleedt bijna volledig in de aarde in 28 dagen en heeft ook een relatief hoge (<100) ontbrandingstemperatuur.
Biodiesel vermindert het percentage van de uitstoot van schadelijke gassen en verlengt ook de levensduur van de motor, omdat deze smeercomponenten bevat.
Brandstof wordt gebruikt om automotoren zowel zelfstandig als in combinatie met conventionele brandstof bij te tanken. Er moet alleen rekening worden gehouden met een korte houdbaarheid van de biologische stof: na drie maanden begint het verval van de biologische stof met een volledig verlies van eigenschappen.
Voor biodiesel in de EU is een speciale norm EN14214 aangenomen. In sommige landen is de EN590-norm ook van toepassing, waardoor 5% biodiesel aan andere brandstoffen kan worden toegevoegd.
Type # 3: gasvormig
De belangrijkste soorten gasvormige biobrandstoffen zijn biogas en biowaterstof.
Biogas als vervanger van aardgas
Biogas is een bijna volledig analoog van aardgas: het bevat 13-50% CO2, 49-87% methaan, evenals onzuiverheden H2 en H2S. Als deze stof wordt verwijderd uit kooldioxide, kan biomethaan worden verkregen.
Gasvormige biobrandstoffen worden gemaakt uit biomassa door waterstof- of methaanfermentatie. Dit laatste wordt veroorzaakt door drie soorten micro-organismen: ten eerste wordt de grondstof blootgesteld aan hydrolytische bacteriën, die vervolgens worden vervangen door zuurvormende en methaanvormende microben.
Biogasproductie kan worden uitgevoerd op industriële en ambachtelijke apparaten. De meest gebruikte productiemethode is aerobe vergisting in methaantanks.
Als grondstof kunnen diverse materialen worden gebruikt: kuilvoer, mest, algen, afvalwater, strooisel, fecale resten, huishoudelijk afval. Het uitgangsmateriaal wordt in een homogene toestand gebracht, waarna het met een lader in een reactor wordt geplaatst.
Het handhaaft een comfortabele temperatuur van + 35-38 ° C, wat nodig is voor de implementatie van het methaanfermentatieproces.
De grondstoffen worden constant gemengd, terwijl het resulterende gasvormige product wordt geloosd in de gashouder (opslageenheid), van waaruit het de elektrische generator binnenkomt.
Lees meer over de productie van biogas uit mest en de inrichting van een biogasinstallatie in de artikelen:
- Hoe u biobrandstof met uw eigen handen kunt maken van mest thuis
- Doe-het-zelf biogasinstallatie voor een privéwoning: aanbevelingen voor het apparaat en een voorbeeld van woningverbetering
Chemisch biowaterstof
Een soort gasvormige biobrandstof, een analoog van gewone waterstof, wordt verkregen uit biomassa met biochemische of thermochemische methoden.
Bij de thermochemische methode worden de voorbereide grondstoffen (bijvoorbeeld houtafval) zonder zuurstof verwarmd tot een temperatuur van 500-800 ° C, terwijl gassen H2, CO, CH4.
Een veelbelovende methode voor het produceren van biowaterstof is bioftolyse. In dit geval wordt het gas geproduceerd met algen, die in zeewater, riolering worden geplaatst
Bij de biochemische methode wordt het voer in comfortabele omstandigheden gehouden bij normale druk en temperatuur bij ongeveer 30 ° C.
Enterobacter cloacae, Rodobacter speriodes speciale micro-organismen worden in de biomassa geïntroduceerd, die het oorspronkelijke product afbreken, waarbij waterstof vrijkomt. Enzymen mogen de productie versnellen met behulp van polysacchariden.
In de onderstaande video ziet u het productieproces van een populair type biobrandstof - houtbriketten:
Soorten biobrandstof verschillen niet alleen in aggregatietoestand, maar ook in kenmerken. Bij het kiezen van dergelijk materiaal moet rekening worden gehouden met hun geplande gebruik, effectiviteit, functionele eigenschappen en kosten.
Ervaring met het gebruik van alternatieve brandstoffen? Of vragen stellen over biobrandstoffen? Geef commentaar op de publicatie en neem deel aan de discussies. Het feedbackblok bevindt zich hieronder.