Визначення терміна біопаливо різні. Наприклад, це може бути паливо, що складається більш ніж на 80% із переробленої (або не переробленої) біомаси. Біопаливо – це всі види палива, виготовлені з біомаси.
Що таке біомаса
Біомаса – це короткочасне накопичення сонячної енергії, яка уловлюється рослинами в процесі фотосинтезу. Під біомасою розуміється вся біорозкладна рослинна і тваринна маса та продукти її метаболізму. Наприклад, коров'ячий гній. Тому існує безліч різних видів біопалива, яке буває в газоподібній, рідкій та твердій формах. Найчастіше згадується в контексті рідкого агрегатного стану, який може стати альтернативою моторному паливу на основі нафти. Оскільки біомаса є джерелом енергії, що відновлюється, біопаливо можна з успіхом розглядати як носій відновлюваної енергії.
Види біопалива
| Рідке | Тверде | Газоподібне |
| Етанол Метанол Біодизель | Дрова Соломо | Біогаз Біоводород |
Рідке біопаливо
Біоетанол
Біоетанол – це етанол, виготовлений з біомаси або біорозкладних відходів, що використовується як біопаливо. Технологія виробництва етанолу із крохмалю відома давно. Виробництво біоетанолу знаходиться на високому рівні і дозволяє отримувати його з широкого спектру продуктів. Етанол широко застосовується як замінник бензину в двигунах внутрішнього згоряння. Також він є одним із найстаріших видів палива. Більшість автомобілів працювали на цьому паливі ще в 1890-х роках
- Біоетанол є більш екологічно чистим.Він не утворює велику кількість вуглекислого газу при спалюванні, як палива на нафтовій основі.
- Біоетанол може допомогти зменшити залежність від нафти. Особливо це важливо для країн, які не мають значних нафтових запасів.
- Підтримує розвиток сільського господарства, що створює робочі місця у цій галузі.
- В даний час біоетанол використовується для виробництва біопалива. Це знижує витрати на пальне для автомобілів.
- На виробництво біоетанолу потрібна велика кількість вуглеводнів та пестицидів, що може завдати шкоди навколишньому середовищу.
- Розширення посівних площ виробництва біоетанолу може призвести до скорочення лісових угідь, територій, що використовуються вирощування продовольства. Це може призвести до потенційної проблеми постачання їжі в майбутньому.
- Виробництво біоетанолу потребує значних витрат енергії та води.
Метанол
Метанол є отруйною речовиною для людини. Виробництво метанолу (метилового спирту) з деревини відоме у світі вже дуже давно. Метанол використовувався лише як побічний продукт під час виробництва деревного вугілля. Таке виробництво характеризується низьким коефіцієнтом корисної дії. Метанол можна виробляти не тільки з біомаси, але і з деяких копалин палива, таких як природний газ або вугілля.
Недоліком виробництва метанолу з біомаси є те, що його вартість приблизно вдвічі вища за вартість синтетичного метанолу, виробленого з природного газу.
- Широке використання: Метанол використовується в різних промислових галузях, включаючи виробництво пластиків, фармацевтичних препаратів, лакофарбових матеріалів, а також в автомобільній галузі як паливо.
- Економічно вигідний: Метанол є одним з найдешевших у виробництві
- Висока токсичність: Метанол може бути дуже небезпечним у разі неправильного використання. При потраплянні в організм метанол розкладається та утворює токсичний продукт, метаналь, який може спричинити серйозні проблеми зі здоров'ям, включаючи порушення зору, зупинку дихання та кому.
- Використання метанолу може бути шкідливим для навколишнього середовища та викликати серйозні проблеми для тварин, рослинності та гідросистем.
- Легко спалахує: Метанол є легкозаймистою сполукою і може бути небезпечним при неправильному зберіганні.
Біодизель
Біодизель – це паливо, яке виготовляється шляхом переробки рослинних олій чи тваринних жирів. Він може використовуватися як альтернатива традиційному нафтовому дизельному паливу і може бути використаний в будь-якому дизельному автомобілі або іншій механіці, яка зазвичай використовує дизельне паливо. Виробництво та використання біодизеля вважається більш екологічно чистим, ніж використання звичайного дизеля, оскільки він виробляється з відновлюваних природних ресурсів замість нафти, яка є викопним паливом
Ефіри можуть бути рідкими чи твердими. Вони розчиняються в органічних розчинниках і мають приємний запах. Далі вони перетворюються на біодизель та гліцерин. Гліцерин – це вторинний продукт, який можна використовувати для виробництва кремів для рук, зубної пасти та мастильних матеріалів. Біодизель можна використовувати як паливо, оскільки він не вимагає будь-якого втручання в системи, в яких він застосовується (двигуни та пальники).
Тверде біопаливо
Тверде біопаливо – це всі види обробленої та необробленої біомаси, тобто деревина, тріска, пелети, деревні брикети, а також деревне вугілля. Зерно злаків також потрапляє до цієї категорії, оскільки існують комерційно доступні котли, здатні спалювати не тільки вугільний пил, а й овес.
Деревина
Деревина як паливо використовується переважно в котлах потужності до 20-60 кВт. Форма деревини, що спалюється, важлива для її згоряння. Існує різниця в спалюванні тирси, тріски, колод та інших форм деревини.
Процес спалювання деревини складається з 4 фаз:
- сушіння, випаровування води з палива
- піроліз, виділення газоподібного компонента палива
- спалювання газоподібного компонента палива
- спалювання твердих частинок, переважно вуглецю.
При постійному надходженні палива та достатній кількості кисню всі 4 фази процесу горіння відбуваються одночасно і тепло виділяється рівномірно.
Брикети
Дерев'яні брикети виготовляються з чистої тирси при високому тиску і високій температурі, без будь-яких хімічних домішок. За своїми властивостями вони схожі з деревиною, але мають більш високу щільність і теплотворну здатність. Вони підходять практично для всіх типів котлів, камінів та твердопаливних печей, а також можуть використовуватися для смаження, грилю та копчення їжі. Вони горять яскравим, майже бездимним полум'ям з ароматом деревини, з якої вони виготовлені.
Соломо
Використання соломи для енергетичних цілей було розпочато фермерами. Установки спалювання мали потужність від 50 до 100 кВт. Форма топки була пристосована до стогів соломи, найкращі котли мали кімнату для соломи, що усувало необхідність частої подачі.ККД цих котлів становив від 40 до 60%, а вміст забруднюючих речовин у димових газах було високим.
Газоподібне паливо
Біогаз
До газоподібного насамперед відноситься біогаз, який виходить шляхом анаеробного зброджування біомаси і складається в основному з метану. Крім того, біопалив відноситься деревний газ, який отримують шляхом газифікації деревини. Вона є максимально відновлюваною. Сюди належить газ, одержуваний при газифікації інших видів сировини з біомаси.
У сучасній технології виробництва біогазу послідовно використовуються три види бактерій, кожен із яких харчується продуктами життєдіяльності попереднього:
- гідролізні бактерії;
- кислотоутворюючі бактерії;
- метаноутворюючі бактерії.
Біоводород
Біоводень – це вид водню, який виробляється живими організмами, зокрема, бактеріями. Ці бактерії здатні переробляти органічні речовини, такі як газ метан, водень та ще кілька продуктів. Біоводень може бути використаний як енергетичний ресурс, так само, як і звичайний водень, але його виробництво менше згубно впливає на навколишнє середовище.
Висновок
Використання біопалива має свої переваги та недоліки, і має розглядатися у контексті сталого розвитку та підвищення його доступності та економічної доцільності щодо традиційних видів палива.
Біопаливо, види, поширення, виробництво та застосування.
Біопаливо – це паливо, що одержується з біомаси (тварини або рослинної сировини, а також з біологічних відходів) в результаті проведення термохімічної або біологічної реакції.
Біопаливо як альтернативне джерело енергії:
Перед людством завжди гостро постало питання пошуку дешевих джерел енергії, отримання яких не вимагало надмірних витрат. Проблема використання енергоносіїв особливо загострилася в XX столітті, коли стало ясно, що бездумне спалювання вуглеводнів призведе до подальшого зниження їх земних запасів. Вчені дійшли висновку, що запаси нафти і газу згодом вичерпаються, а витрати на розробку нових родовищ суттєво зростуть, оскільки доведеться залучати більше техніки та виробничих потужностей. У цей період значно погіршилася екологія, болісно реагує на лісовий покрив, що зникає, і тривале забруднення атмосфери, надр і води.
Зросла актуальність пошуку альтернативних джерел теплової енергії, які могли б замінити природний газ та нафту. І таким ефективним напрямом, поряд із сонячною енергетикою, вітроенергетикою стало використання енергоносіїв біологічного походження (біопаливо).
Під паливом біологічного походження (біопаливом) слід розуміти продукт, що синтезується з тваринного, або рослинної сировини, а також з біологічних відходів, який при певному впливі виділяє теплову енергію.
Серед інших формулювань визначення біопалива трапляється також і таке: «Біопаливо – це паливо, одержуване з біомаси внаслідок проведення термохімічної чи біологічної реакції».
54-60% біопалива складають його традиційні форми: дрова, рослинні залишки та сушений гній для опалення будинків та приготування їжі. Їх використовують 38% населення Землі.
Класифікація біопалива:
Паливо біологічного походження класифікується залежно від агрегатного стану та за належністю сировини до одного з трьох поколінь.
До сировини 1-го покоління відносяться класичні сільськогосподарські культури, наприклад: цукровий буряк.
Відмінною рисою культур, що належать до сировини 1-го покоління, є максимальна наявність у їхньому складі крохмалів, цукрів та жирів. Крохмалі та цукру після багатоступеневої переробки перетворюються на біоетанол, жири на біодизель. Транспортне біопаливо в основному одержують із сировини 1-го покоління.
До сировини 2-го покоління відносяться деревина, трава і нехарчові залишки рослин, що культивуються, що містять целюлозу або лігнін.
Типовим представником сировини 2-го покоління є найпростіші водорості, рослини рудик та ятрофа з граничним вмістом олії. Вирощування культур другого покоління потребує менших витрат, ніж першого покоління. Таку рослинну сировину можна з великим ефектом спалювати, отримувати біогаз, розкладати в термічній реакції піролізу. Недоліком сировини другого покоління є необхідність мати великі площі культур, що культивуються.
До сировини 3-го покоління відносяться швидкорослі водорості з максимальним вмістом олії. Дані культури культивуються у штучних водоймах.
Види біопалива:
З урахуванням агрегатного стану – паливо біологічного походження може бути в рідкому, твердому чи газоподібному стані.
Найбільш поширеною формою біопалива, безперечно, є тверда біомаса.
Тверда маса представлена у вигляді паливних брикетів та гранул, пального торфу, біовугілля, деревної тріски та дров.
Рідке (моторне) паливо – продукт переробки рослинної сировини, що забезпечує роботу двигунів внутрішнього згоряння. Сюди відноситься: біоетанол, біометанол, біодизель, біобутанол, диметиловий ефір.
У газоподібному стані біопаливо представлено біогазом та біоводнем.
Паливні брикети:
Для отримання паливних брикетів з біологічних відходів широко використовується технологія переробки пташиного посліду та гною. Ця біомаса попередньо висушується і пресується в брикети. Надалі підготовлені паливні брикети використовуються для обігріву житлових приміщень та заводських цехів.
Паливні гранули:
Паливні гранули отримують з деревних відходів, шкаралупи горіха, соняшникової лушпиння, тирси, кори та тріски. На початковому етапі переробки біомаса, подрібнена до борошна, надходить у сушарку, потім під прес. В умовах підвищеного тиску та високотемпературного середовища виділяється природний полімер лігнін, який виявляє властивості, що клеять. На виході виходять паливні циліндрики, що мають мінімальний відсоток зольності (трохи більше 3 %).
Горючий торф:
Технологія отримання пального торфу особливої складністю не відрізняється. Добутий торф доставляється на переробний завод, де просіюється, просушується, а потім пресується в брикети. Згодом торф'яні брикети використовуються при обігріві заміських будинків та виробничих приміщень.
Дерев'яна тріска:
У європейських країнах налагоджено виробництво деревної тріскияка є продуктом спалювання на місцевих ТЕЦ. Вироблення тріски виконується на лісозаготівлях за допомогою шредерів (спеціальних рубальних машин). Сировиною для тріски виступають залишки кори, сучків, пнів, дрібних гілок.
Біовугілля:
Бівугілля – кінцевий продукт нагрівання деревини та рослинних решток без доступу кисню. Хімічний процес відпалу деревини отримав назву піролізу. На Заході активно практикується технологія торрефакції (відпалу деревини) на виході якої виходять біопаливні гранули з максимальним об'ємним тепломістком.
Дрова:
Дрова Сьогодні вважаються одним із найпопулярніших видів палива біологічного походження. Для отримання великих обсягів дров висаджуються енергетичні лісові масиви, з якими асоціюються ліси, чагарники і трави, що швидко ростуть (акація, тополя, кукурудза). Посадку біотехнологічних культур, як правило, виконують у шаховому порядку або квадратно-гніздовим способом. Нерідко практикується висадка в міжряддя дерев інших сільськогосподарських культур, що швидко ростуть (комбінований спосіб). Від моменту посадки до повного зрізу дерев або рослинних культур має пройти щонайменше 4-6 років. У розвинених країнах світу практикується обслуговування цілих плантацій швидкоплинної тополі та верби. У Північній Індії виділено величезні площі для висадки евкаліпту та тополі. Головною метою цих заходів є отримання великих обсягів екологічно чистого та енергоємного палива для обігріву житла та закритих виробничих майданчиків.
Біоетанол:
Біоетанол є класичним біопаливним замінником бензину, який займає лідируючі позиції у переліку моторного палива біологічного походження. Основна сфера застосування біоетанолу – паливо для роботи двигунів автомобілів, проте останніми роками продукт використовується як біопаливо для домашніх камінів.
У суміші з бензином, біоетанол має безліч переваг: підвищує потужність двигуна, не перегріває його під час роботи, не утворює нагару та сажі, не виділяє дим.
При використанні як паливо для камінів біоетанол демонструє кращі екологічні якості, ніж звичайні дрова: виділяє мінімум вуглекислоти, не дає сажі та диму. Як паливо для камінів біоетанол використовується навіть у багатоквартирних будинках.
Для отримання етанолу береться сировина, що містить крохмаль, цукор чи целюлозу, причому останній варіант вважається найбільш економічно виправданим.
Крохмаль або цукор міститься в кукурудзі, картоплі, бататі, ячмені, цукрових буряках, зернових, цукровій тростині. Виробництво етанолу із цукрової тростини вигідніше, ніж із кукурудзи.
На даний момент відомо два способи одержання біоетанолу: спиртове бродіння (мікробіологічний спосіб) та гідратація етилену (синтетичний спосіб).
При проведенні реакції бродіння виходить 15% розчин біоетанолу, який згодом проходить кілька етапів очищення і концентрування за допомогою дистиляції.
У промислових масштабах біоетанол отримують в процесі гідролізу з целюлозосодержащіе сировини (тирса, солома). Отриману суміш згодом піддають спиртовому бродінню.
Біометанол:
Біометанол застосування як моторного палива для двигунів внутрішнього згоряння. Загальна частка використання продукту як паливо для легкових та вантажних автомобілів становить 20%. На базі біометанолу сьогодні створена унікальна вугільна суспензія «метакол», яка є альтернативою застосування топкового мазуту, але на відміну від нього має більш високу енергоємність і не вимагає використання спеціальних котлів. Серед яскравих переваг цього продукту, слід виділити: малий викид вуглекислого газу в атмосферу та можливість утилізувати органічні відходи. До недоліків необхідно віднести: наявність безбарвного полум'я, що може створювати аварійну ситуацію та травлення внутрішніх порожнин карбюраторів та алюмінієвих систем.
Технологія виробництва біометанолу на даний момент чітко не налагоджено. Перспективним напрямком є процес одержання продукту з фітопланктону, за допомогою біохімічного перетворення вихідної сировини. Процес перетворення включає бродіння біомаси, а потім пряме окиснення метану.
Переваги даної технології очевидні: не потрібна прісна вода та ґрунт. Фітопланктон має хорошу енергетичну віддачу і має високу продуктивність.
Сфера застосування біометанолу не обмежується автомобільною галуззю – продукт також широко використовується в хімічній промисловості для одержання метиламінів, формальдегідів, розчинників, його додають до антифризів та природного газу.
Біодизель:
Біодизель – продукт біологічного походження на основі тварин та рослинних жирів (олій), а також їх похідних.
Біодизель має безліч переваг:
а) відмінні мастильні якості продукту дозволяють суттєво продовжити термін експлуатації двигунів внутрішнього згоряння;
б) повністю розпадається при попаданні в ґрунт, не завдаючи шкоди тваринам та рослинам;
в) не містить сірки на відміну дизельного палива;
г) дозволяє вводити в оборот низькоякісні землі сільськогосподарського призначення, що раніше не використовуються;
д) залишковий компонент виробництва біодизеля – макуха можна надалі використовувати як корм для худоби.
Для виробництва біодизеля у різних країнах світу використовується ріпак та його різновиди, соя, рицинова, кокосова та пальмова олія, рослина ятрофа з сімейства молочайних.
В останні роки вченими ведуться роботи з удосконалення технології отримання біодизеля з водоростей. Експерти підрахували, що з одного акра землі можна отримати 2400 літрів пальмової олії, а з водної поверхні – 3570 барелів біонафти (де один барель дорівнює 150 літрам).
Диметиловий ефір:
Диметиловий ефір – ототожнюється з паливом біологічного походження, яке відповідає всім вимогам екологічно чистого продукту, що не потребує додаткових етапів очищення. Автомобілі з двигунами внутрішнього згоряння, що працюють на диметиловому ефірі, виробляє вітчизняний флагман автомобілебудування "КАМАЗ", китайський виробник "SAIC Motor", європейські корпорації "Volvo" та "Nissan".
Біогаз:
Біогаз, найчастіше виступає замінником природного газу і є сумішшю метану і вуглекислого газу. З біогазу можна також отримувати електричну енергію або використовувати готовий продукт як паливо. Технологія виробництва біогазу передбачає розщеплення складних органічних сполук під впливом бактерій. Цей процес отримав назву метанового бродіння. Кінцевим продуктом метанового бродіння є біогаз та органічне добриво.
Сировиною для промислового виробництва біогазу служить широкий перелік органічних відходів:
– солодка/солона молочна сироватка;
– Відходи від виробництва біодизеля;
– Вижимка винограду, жом овочевий і фруктовий;
– Відходи переробки картоплі;
– відходи отримання крохмалю та патоки;
– Відходи виробництва чіпсів;
– відходи рибного та забійного цехів;
– Пташиний послід і гній.
Біогаз можна також отримувати із силосних культур та водоростей. Одним із способів отримання біогазу є збір звалищного газу. Правильна організація збору звалищного газу дозволяє покращити екологічну ситуацію у великих містах.
Ключовим завданням біогазових станцій є поліпшення екології навколишнього середовища за рахунок переробки відходів, що розкладаються, з подальшим отриманням органічних добрив. Тільки після виконання вищезазначених завдань ставиться мета отримання доступної електричної та теплової енергії.
Біогазові установки зводяться на птахофабриках, м'ясокомбінатах, горілчаних виробництвах та мають статус високоефективних очисних споруд. Сучасна біогазова станція цілком може замінити санітарно-ветеринарний завод, який замість переробки падали на м'ясо-кісткове борошно вироблятиме біогаз. У нинішніх реаліях не менше половини птахоферм Європи опалюються біогазом. З однієї тонни гною ВРХ можна отримати до 65 кубометрів біогазу. Деякі великі автовиробники Європи вже налагодили збирання автобусів, що працюють на біогазі.
Біоводород:
Біоводород – газоподібний продукт, отриманий із біомаси біохімічним або термохімічним способом.
При біохімічному методі впливу – процес розщеплення біомаси починають спеціальні бактерії.При термохімічному способі біомасу нагрівають до 800 С без доступу кисню. В ході реакції з біомаси виділяється H2, CO та CH4.
Водень також можуть виробляти з каналізаційних стоків або морської води окремі види зелених водоростей (наприклад, Chlamydomonas reinhardtii).
У промислових масштабах застосування водню обмежено, оскільки при взаємодії з повітрям утворюється гримуча суміш, яка є вкрай вибухонебезпечною.
Вплив використання палива біологічного походження на екологію:
Багато країнах світу зростає попит на паливо біологічного походження. У гонитві за вигодою більшість постачальників дерев'яних гранул збільшують обсяги торгівлі, тим самим сприяючи вирубуванню лісів та інших зелених насаджень.
Інтригою досі залишається питання вуглецевої нейтральності біоенергетики – вчені сперечаються, чи існує ризик додавання СО2 у атмосферу чи частка таких викидів не вплине на природний баланс.
У деяких країнах Азії через непродумані дії уряду, у зв'язку з вилученням сільськогосподарських земель з обігу, та виділенням їх під енергетичні культури відчувається гостра нестача продовольства.