Видове биогорива: сравнение на характеристиките на твърди, течни и газообразни горива

Алтернатива на традиционните енергийни ресурси са различни видове биогорива, за производството на които се използват растителни или животински суровини, промишлени отпадъци и резултатите от жизнената дейност на организмите.

Предлагаме да разберем предимствата и недостатъците на използването на такова гориво, да разберем характеристиките на производството, функционалните характеристики, както и да оценим ефективността на използването на различни видове биологично гориво. Предоставената информация ще ви помогне да се ориентирате в избора на алтернативни източници на енергия.

Какво е биогориво

Най-обещаващото направление в енергийния сектор са технологиите, които включват използването на възобновяеми ресурси, които включват биологично гориво.

Най-често срещаният вид биологично гориво са обикновените дърва за огрев. 38% от населението на света ги използва за отопление и готвене

Като суровина за производството му можете да вземете биомаса от растителен/животински произход, включително промишлени отпадъци или животински отпадъци.

Обработката на такива вещества се извършва чрез термохимични или биологични методи; във втория случай горивото се получава с помощта на различни видове микроорганизми.

Делът на използването на биологични горива непрекъснато нараства, което допринася за опазването на изкопаемите въглеводородни ресурси (+)

Много държави имат специални програми за разширяване на дела на биогоривата в националното и регионалното потребление на енергия. Редица държави също имат задължителни стандарти за използването на този енергиен източник.

Предимства и недостатъци на биогоривата

Биологичните горива имат своите положителни и отрицателни страни. Интересът към използването на този вид суровина се дължи на неговите безспорни предимства.

Те включват:

• Бюджетни разходи. Въпреки че в момента цените на биогоривото са почти същите като цената на бензина, биологичните вещества се считат за по-изгоден вид гориво, тъй като отделят по-малко емисии при изгаряне. Биогоривото е подходящо за използване при различни условия и може да се адаптира към двигатели с различни конструкции. Друго предимство е оптимизирането на работата на двигателя, който остава чист по-дълго поради малкото количество сажди и изгорели газове.
• Мобилност. Биологичното гориво се различава от другите алтернативни източници на енергия по своята преносимост. Слънчевите и вятърните инсталации обикновено включват тежки батерии, така че най-често се използват постоянно, докато биогоривата могат да се транспортират от един регион в друг без много проблеми.
• Възобновяем източник на енергия. Въпреки че изследователите вярват, че съществуващите находища на суров петрол ще продължат поне няколкостотин години, запасите от изкопаеми все още са ограничени. Биогоривата, произведени от растения и животински отпадъци, са сред възобновяемите ресурси, които не са застрашени от изчезване в обозримо бъдеще.
• Защита на земната атмосфера. Основен недостатък на традиционните въглеводороди е високият процент на CO₂, който се отделя при изгаряне. Този газ създава парников ефект в атмосферата на нашата планета, създавайки условия за глобално затопляне. При изгаряне на биологични вещества количеството въглероден диоксид намалява до 65%. В допълнение, културите, използвани за производство на биогорива, консумират въглероден окис, намалявайки неговия дял във въздуха.
• Икономическа сигурност. Запасите от въглеводороди са разпределени неравномерно, така че някои държави са принудени да купуват нефт или природен газ, харчейки големи суми пари за придобиване, транспортиране и съхранение. Различни видове биологично гориво могат да бъдат произведени в почти всяка страна. Тъй като производството и преработката му ще изискват създаването на нови предприятия и съответно работни места, това ще бъде от полза за националната икономика и ще се отрази положително на благосъстоянието на хората.

Подобряването на технологиите и разработването на нови методи може да подобри положителните ефекти на биогоривата. По този начин развитието на технологии, използващи планктон и водорасли, значително ще намали цената му.

В същото време на съвременния етап от развитието на науката и технологиите производството на биогорива е свързано с редица трудности и неудобства. На първо място, това са естествени ограничения при отглеждането на растения.

За растежа на културите, използвани за производство на биомаса, трябва да се вземат предвид редица фактори, а именно:

• Използване на вода. Селскостопанските растения консумират много вода, което е ограничен ресурс, особено в сухите райони.
• Инвазивност. Културите, отглеждани за гориво, често са агресивни.Те задушават автентичната флора, което може да причини страдание на биоразнообразието и екосистемата на региона.
• Торове. Много растения се нуждаят от допълнителни хранителни вещества, за да растат, което може да навреди на други култури или на цялостната екосистема.
• Климат. Някои климатични зони (например пустиня или тундра) не са подходящи за отглеждане на култури за биогорива.

Активното отглеждане на селскостопански растения също е свързано с изчерпването на селскостопанските ресурси.Неспазването на правилата на селскостопанската технология може да доведе до намаляване на съдържанието на полезни компоненти на почвата и в резултат на това до тяхното изчерпване, което ще влоши проблем с храната.

Екосистемата е нарушена. Производството на биомаса обикновено изисква разширяване на земеделските площи.

Често за тази цел територията се изчиства, което води до унищожаване на микроекосистемата (например гори), смъртта на растения и животни.

Голям обем култури вече се отглеждат за производство на биогорива. Повече от 50% от рапицата, произведена в Европа, повече от една трета от американското зърно и почти половината от захарната тръстика, отглеждана в Бразилия, се използват за производство на биомаса.

Проблеми възникват при отглеждането на монокултури. За да получат по-големи добиви от биомаса, производителите често засаждат земя с конкретно растение. Тази практика не е много добра за земеделска земя, тъй като монокултурата води до промени в околната среда.

Полетата, заети с един вид растение, обикновено са нападнати от специални видове вредители.Опитът за борба с тях с помощта на инсектициди и пестициди води само до развитие на резистентност към тези агенти.

За да се избегнат проблемите, описани по-горе, учените съветват да не пренебрегваме биоразнообразието на културите, като комбинираме няколко растения в полетата, както и да използваме местни сортове флора.

Поколения алтернативни горива

Широката гама от растителни суровини, използвани за биомаса, обикновено се разделя на няколко поколения.

Първо поколение. Тази категория включва земеделски култури, които съдържат висок процент нишесте, захари и мазнини. Това са популярни растения като царевица, захарно цвекло, рапица и соя.

Тъй като отглеждането на тези култури вреди на климата и премахването им от пазара се отразява на цените на храните, учените се опитват да ги заменят с други видове биомаса.

Почти всички видове съвременни течни горива (биодизел, етанол) в момента се произвеждат от селскостопански растения, принадлежащи към първото поколение суровини.

Второ поколение. Групата биомаса включва дървесина, трева и селскостопански отпадъци (черупки, люспи). Производството на биогориво от такива суровини е скъпо, но позволява решаването на проблема с рециклирането на нехранителни остатъци с едновременното производство на горими материали.

Характеристика на културите, включени в този сорт, е наличието на лигнин и целулоза в тях. Благодарение на тях биомасата може да се изгаря и газифицира, както и да се подлага на пиролиза за получаване на течно гориво.

Основният недостатък на биомасата от второ поколение се счита за недостатъчна възвръщаемост на единица площ, поради което за такива култури трябва да се отделят значителни земни ресурси.

Трето поколение. Суровината за производството на биогориво са водорасли, които се отглеждат в индустриален мащаб, например в открити резервоари.

Най-обещаващият вариант се счита за биогорива, получени от едноклетъчни водорасли. Такива растения бързо наддават на тегло и не изискват плодородна земя за отглеждането им.

Тази практика е многообещаваща, но в момента такива технологии само се разработват. Учените също провеждат изследвания за създаване на техники, които позволяват получаването на биогорива от четвърто и дори пето поколение.

Три вида биогорива

В зависимост от агрегатното състояние, в което се намира веществото, има три основни вида биогорива:

1. Твърди: дърва за огрев, торф, животински и селскостопански отпадъци.
2. Течност: биодизел, диметилов етер, биоетанол, биобутанол.
3. Газообразен: биогаз, метан, биоводород.

Всеки вид вещество има своите специфики, които ще бъдат разгледани по-долу.

Тип #1: твърд

Най-популярните твърди видове биологично гориво включват дърво, торф и животински отпадъци.

Дърво (дърва за огрев, чипс, стърготини)

Древен вид биогориво са добре познатите дърва за огрев, които отдавна се използват за отопление на къщи и готвене на храна. Досега те се използват активно в различни страни за генериране на топлина/електричество, по-специално голяма австрийска топлоелектрическа централа с мощност от 66 мегавата работи на дърва.

В същото време такива суровини имат недостатъци. Енергийната стойност на дървата за огрев е относително ниска: при изгаряне част от веществото се утаява под формата на сажди, поради което камините и печките трябва да се почистват редовно.Освен това е необходимо известно време за попълване на запасите от дървесина - нови дървета ще растат едва след 15-20 години.

Отлична алтернатива на конвенционалните дърва за огрев са пелетите (гранули), за производството на които се използва нестандартна дървесина: кора, дървесен чипс, пресовани дървени стърготини, кучка.

Пелетите, получени от дървесина, торф и различни отпадъци, имат различни цветове. Светлите се използват за разпалване на камини и печки, а тъмните, с високо съдържание на кора, са предназначени за котли на твърдо гориво

За производството на горивни пелети суровините се смилат на прах, който след това се изсушава и пресова при високи температури. Благодарение на съдържащия се в дървесината лигнин се образува лепкава маса, от която се образуват малки цилиндри с дължина 5-70 mm и диаметър 6-10 mm.

Модерна алтернатива на традиционните дърва за огрев са четири-, шест- или осмоъгълни горивни брикети. Този екологично чист материал има висок топлообмен

Можете сами да настроите производство на пелети, като направите преса за горивни брикети.

Дървеният чипс е сред популярните видове биогорива, които често служат като източник на енергия в европейските топлоелектрически централи. Производството на тези суровини се извършва в обекти за дърводобив или на специални производствени линии, оборудвани с шредери.

Блатен и горски горивен торф

Това е често срещан вид биогориво, което се използва за битови и промишлени цели от векове. Торфът е слой от мъх, който не е напълно разложен в блатни условия и се добива в много страни по света: Русия, Беларус, Канада, Швеция, Индонезия и др.

Торфът, съдържащ 50-60% въглерод, се счита за популярен газосъдържащ материал. Тази ценна суровина може да се използва не само като гориво, но и като тор или топлоизолатор.

За да се улесни производственият процес, биомасата обикновено се обработва на мястото на добив. Процесът се състои в почистване (пресяване) на суровините от чужди включвания, последвано от сушене и формоване в брикети или гранули.

Гориво от селскостопански отпадъци

В селскостопанското производство, като правило, се натрупват голям брой различни растителни отпадъци: външни черупки на растения, черупки от ядки, слама.

Такива суровини също могат да бъдат пресовани и гранулирани, като се получават горивни пелети, чиито характеристики практически не се различават от пелетите, произведени от дървесна биомаса.

Биогорива от животински произход

Наред с дървата за огрев, в древността хората започнали да използват гориво от животински произход, а именно тор - изсушен тор от домашни животни. Съвременните технологии за сушене и обработка на такива суровини позволяват да се получат твърди сортове биогориво, които са напълно лишени от неприятна миризма.

Дълго време номадските народи са използвали като гориво изсушен тор от коне, камили и едър рогат добитък. В момента биогоривото се произвежда от отпадъци от домашни животни под формата на брикети или пелети

Тъй като животновъдните отпадъци в момента се натрупват в промишлен мащаб, производството на гориво от тях едновременно решава проблема с тяхното обезвреждане.

Тип #2: течност

Течните биогорива, които са безопасни и екологични, се използват най-вече като заместител на бензина и други подобни продукти.Най-често срещаните опции включват биоетанол, биометанол, биобутанол, биодизел и диметилов етер.

Биоетанол от растителни култури

Това е често срещано течно биогориво, използвано за зареждане на автомобили. Въпреки че чистото вещество не се използва като гориво, добавянето му към бензина помага да се подобри работата на двигателя, да се увеличи мощността му, да се контролира отоплението на двигателя и да се намалят емисиите на отработени газове.

Много бензиностанции в Европа, Азия, Северна и Южна Америка предлагат не само традиционно гориво, но и различни видове биогорива, предимно смеси, съдържащи биоетанол

Биоетанолът беше оценен и от любителите на камините. Това вещество има добър топлопренос, освен това, когато гори, не се образуват сажди или дим и количеството отделен въглероден диоксид е сведено до минимум.

Благодарение на тези характеристики горивото може да се използва дори за разпалване на огнища в жилищни сгради. Прочетете повече за биогоривото за камини в тази статия.

Биоетанолът се произвежда от първо поколение суровини, съдържащи нишесте или захар. Зърнените култури, царевицата, захарната тръстика и цвеклото се обработват по технология на алкохолна ферментация.

Биобутанол за зареждане на автомобили

Биобутанолът е биологично получен аналог на бутанола. Безцветна течност с характерна миризма, намира широко приложение като химическа суровина в промишлеността, може да се използва и като транспортно гориво.

Енергийната интензивност на бутанола е близка до тази на бензина, което позволява частичното му заместване в горивните клетки. За разлика от биоетанола, биобутанолът може да се използва самостоятелно, без добавяне на традиционни видове гориво.

Суровините за производството на това биосубстанция са голямо разнообразие от растения: цвекло, маниока, пшеница, царевица.

Диметилов етер (C₂з₆О)

Освен това е екологично чисто гориво. Когато се изгаря, в отработените газове няма серни съединения, а съдържанието на азотни съединения е с 90% по-ниско, отколкото при изгаряне на бензин.

Диметиловият етер може да се използва без специални филтри, но трябва да се направят фундаментални промени в дизайна на автомобила (захранваща система, запалване на двигателя).

Диметиловият етер се счита за обещаващ вариант за автомобилно гориво. Автомобили с двигатели, предназначени за това гориво, се разработват от големи компании като Volvo, SAIC Motor, KAMAZ, Nissan

Без никакви модификации можете да използвате комбинирано гориво, съдържащо 30% диметилов етер в автомобили, които са оборудвани с двигатели на LPG.

Течното гориво може да се произвежда от различни суровини: природен газ, въглищен прах, биомаса и най-вече от остатъци от целулоза и хартия, които се превръщат в течност под ниско налягане.

Биометанол от едноклетъчни водорасли

Това вещество е аналог на обикновения метанол, който се използва широко за производството на редица химични съединения (оцетна киселина, формалдехид), а също така се използва като антифриз и разтворител.

Въпросът за производството на този вид биогориво беше повдигнат за първи път през 80-те години на миналия век, когато група учени предложиха да се получи течно вещество чрез биохимична трансформация на морски фитопланктон, който да се култивира в специални резервоари.

Биометанолът има редица потенциални предимства:

• висока енергийна ефективност — 14 за производство на метан, 7 за производство на метанол;
• отлична продуктивност на фитопланктона — до 100 тона на хектар годишно;
• невзискателни едноклетъчни организми, за чието отглеждане не са необходими прясна вода и плодородни почви;
• опазване на земеделските ресурси, тъй като фитопланктонът се отглежда в езера или морски заливи.

Въпреки че промишленото производство на биометанол все още не е установено, в момента се провеждат упорити изследвания и разработване на технологии за развитие на производството на този вид алтернативно гориво.

Биодизелът като алтернатива на транспортното гориво

Това е течно моторно биогориво, състоящо се от смес от естери на мастни киселини. Веществото е безопасно за хора и животни, почти напълно се разлага в земята за 28 дни и също така има относително висока (<100) точка на възпламеняване.

Биодизелът намалява процента на емисиите на вредни газове и също така удължава живота на двигателя, тъй като съдържа смазочни компоненти.

Горивото се използва за зареждане на автомобилни двигатели, както самостоятелно, така и в комбинация с конвенционално гориво. Трябва да се вземе предвид само краткият срок на годност на биологичното вещество: след три месеца биологичното вещество започва да се разлага с пълна загуба на свойства.

За биодизела в страните от ЕС е приет специален стандарт EN14214. В редица страни е в сила и стандартът EN590, който позволява добавянето на 5% биодизел към други горива.

Тип #3: газообразен

Основните видове газообразни биологични горива включват биогаз и биоводород.

Биогаз като заместител на природния газ

Биогазът е почти пълен аналог на природния газ: съдържа 13-50% CO_2, 49-87% метан, както и H примеси₂ и Х₂С.Ако това вещество се пречисти от въглероден диоксид, може да се получи биометан.

Газообразното биогориво се произвежда от биомаса чрез водородна или метанова ферментация. Последното се причинява от три вида микроорганизми: първо, суровината е изложена на хидролитични бактерии, които след това се заместват от образуващи киселина и образуващи метан микроби.

Производството на биогаз може да се извършва с промишлени и занаятчийски устройства. Най-разпространеният производствен метод е аеробно разлагане в метантанкове.

Като суровини могат да се използват различни материали: силаж, оборски тор, водорасли, отпадъчни води, постеля, фекални остатъци, битови отпадъци. Изходното вещество се довежда до хомогенно състояние, след което се поставя в реактора с помощта на товарач.

Там се поддържа комфортна температура от +35-38°C, необходима за процеса на метанова ферментация.

Суровината непрекъснато се смесва, докато полученият газообразен продукт се изхвърля в газхолдер (устройство за съхранение), откъдето постъпва в електрическия генератор.

Повече информация за получаване на биогаз от оборски тор и изграждане на инсталация за биогаз можете да намерите в статиите:

1. Как да направите биогориво със собствените си ръце от тор у дома
2. Направи си сам инсталация за биогаз за частен дом: препоръки за устройството и пример за подреждане на домашен продукт

Биоводород, получен по химичен метод

Вид газообразно биогориво, което е аналог на конвенционалния водород, се получава от биомаса чрез биохимични или термохимични методи.

При термохимичния метод подготвените суровини (например дървесни отпадъци) се нагряват до температура 500–800 °C без кислород, при което се отделят Н газове₂,CO,CH₄.

Обещаващ метод за производство на биоводород е биофтолизата. В този случай газът се произвежда с помощта на водорасли, които се поставят в морска вода, канализация

При биохимичния метод суровините се съхраняват в удобни условия при нормално налягане и температура около 30°C.

В биомасата се въвеждат специални микроорганизми Enterobacter cloacae и Rodobacter speriodes, които разлагат изходния продукт, отделяйки водород. За да се ускори производството с помощта на полизахариди, могат да се добавят ензими.

Изводи и полезно видео по темата

Във видеото по-долу можете да видите процеса на производство на популярен вид биогориво - дървесни брикети:

Видовете биологично гориво се различават не само по агрегатно състояние, но и по характеристики. При избора на такива материали е необходимо да се вземе предвид тяхното предназначение, ефективност, функционални свойства и цена.

Имате ли опит с алтернативно гориво? Или искате да зададете въпроси относно биогоривата? Моля, коментирайте публикацията и участвайте в дискусии. Блокът за обратна връзка се намира по-долу.