A 20. század végén felmerült az új, alternatív energiaforrások keresésének kérdése az emberiség előtt. Ennek oka a küszöbön álló üzemanyag- és energiaválság és az egyre növekvő környezetszennyezés volt. Új hőforrásokat kellett találni, amelyek helyettesíthetik az olajat és a gázt. A napenergia fejlesztésével együtt megjelent egy másik ígéretesebb, és ami a legfontosabb, költségvetési irány - a bioüzemanyagok használata.
A bioüzemanyagok olyan üzemanyagok, amelyeket a biomassza termokémiai vagy biológiai úton történő feldolgozásával nyernek - baktériumok segítségével. A növényi és állati alapanyagok egyaránt felhasználhatók biomasszaként, valamint a termelés szerves maradványai és az állatok hulladékai. A leggyakrabban használt növények és fahulladékok.
Az összesítés állapotától függően a következő bioüzemanyag-típusokat különböztetjük meg:
- Tömör (fa, faforgács, üzemanyagbrikett, üzemanyag-pellet, tőzeg);
- Folyadék (bioetanol, biobutanol, biometanol, biodízel);
- Gáznemű (biogáz, biohidrogén).
Szilárd bioüzemanyagok
A tűzifát, akárcsak évszázadokkal ezelőtt, továbbra is hő és villamos energia előállítására használják. Példa a legnagyobb biomassza erőműre Európában az osztrák CHP. Teljesítménye 66 MW.
Annak ellenére, hogy a világ aktívan fejleszti és finanszírozza az energiaerdők létrehozására irányuló projekteket, ahol fás biomasszát termesztenek, a faipari különféle termékek felhasználása a bioüzemanyagok előállítására egyre nagyobb figyelmet vonz. Az ilyen vállalkozások már elég jól fejlettek és aktívan szállítják termékeiket a piacra. Ide tartoznak az üzemanyagbrikettek és az üzemanyag-pelletek - pelletek.
Az üzemanyagbrikett előállításához különféle biohulladékokat, például madárürüléket és trágyát szárítanak és préselnek. Az így kapott brikettet lakó- és ipari helyiségek fűtésére használják.
Üzemanyag granulátumok - a pelleteket hasonló módon használják. Fűrészporból, faforgácsból, kéregből, nem megfelelő fából, szalmából, mezőgazdasági hulladékból (napraforgóhéj, dióhéj) állítják elő őket. A pelletek megszerzéséhez a biomasszát először lisztté zúzzák, majd a szárítóba jutnak, majd onnan egy speciális présbe jutnak, ahol nyomás és magas hőmérséklet hatására a fa hulladékaiban lévő lignin ragadóssá válik. Ez lehetővé teszi a kész üzemanyag-palackok beszerzését a bioüzemanyagból. A tüzelőanyag-pelletek jellegzetes minősége alacsony - kb. 3% - hamutartalom.
A lakóépületek fűtésére használt tüzelőanyag-tőzeg előállításának technológiája szintén egyszerű. A nyersanyagokat közvetlenül a kitermelés helyéről szállítják a tőzegfeldolgozó üzembe, ahol a tőzeget megtisztítják a szennyeződéstől (szitálják), szárítják és briketté préselik.
A bioüzemanyagok egy másik típusát - a faforgácsot - Európában használják nagy hőerőművekben, amelyek teljesítménye egy vagy több megawatt közötti. A faforgács előállítását közvetlenül fakitermeléssel vagy speciális aprítógépek - aprítók - felhasználásával végzik. Alapanyagként általában kis méretű fát és fakitermelési maradványokat - ágakat, kérget, tuskókat stb.
Alternatív üzemanyagok generációi
A biomasszához használt növényi anyagok széles skálája általában több generációra oszlik.
Az első generációba a mezőgazdasági növények tartoznak, amelyek nagy százalékban tartalmaznak keményítőt, cukrot, zsírokat. Ezek olyan népszerű növények, mint a kukorica, a cukorrépa, a repce, a szója. Mivel ezeknek a növényeknek a termesztése károsítja az éghajlatot, és a piacról való kivonásuk hatással van a termékek árára, a tudósok megpróbálják más biomasszával helyettesíteni őket.
A modern folyékony üzemanyagok (biodízel, etanol) szinte minden típusát jelenleg az első nyersanyaggenerációhoz tartozó mezőgazdasági üzemekből állítják elő.
A biomassza második generációjának csoportjába fa, fű, mezőgazdasági hulladékok (héjak, héjak) tartoznak. A bioüzemanyagok ilyen alapanyagokból történő beszerzése költséges, de lehetővé teszi a nem élelmiszer-maradványok ártalmatlanításának kérdésének megoldását az éghető anyagok egyidejű előállításával.
Az e fajtába tartozó növények sajátossága a lignin és a cellulóz jelenléte bennük. Nekik köszönhetően a biomassza elégethető és gázosítható, valamint pirolízisnek vethető alá, folyékony üzemanyagot nyerve. A második generációs biomassza fő hátrányának a területegységre jutó elégtelen hozamot tartják számon, ezért az ilyen növények számára jelentős földi forrásokat kell elkülöníteni.
A harmadik generációs bioüzemanyagok előállításának alapanyaga az algák, amelyeket ipari léptékben termesztenek, például nyílt víztestekben.
A legígéretesebb lehetőségnek az egysejtű algákból nyert bioüzemanyagokat tekintik. Az ilyen növények gyorsan híznak, míg termesztésükhöz nem szükséges termékeny föld.
Ennek a gyakorlatnak nagy lehetőségei vannak, de jelenleg ilyen technológiákat csak fejlesztenek. A tudósok kutatásokat folytatnak a negyedik, sőt az ötödik generációs bioüzemanyagok előállításának módszereiről.
Folyékony bioüzemanyagok
A folyékony bioüzemanyagok egyre népszerűbbek környezetbarátságuk és biztonságuk miatt. Főleg belső égésű motorokban használják. Ezt a fajta üzemanyagot különféle növényi anyagok feldolgozásával nyerik.
A folyékony bioüzemanyagok fő típusai vannak:
- Bioetanol
- Biobutanol
- Biometanol
- Biodízel
Bioetanol
Vezető helyet foglal el a folyékony bioüzemanyagok listáján. Hatálya a hétköznapi autókban található, és az utóbbi években bioüzemanyagként is használják otthoni kandallókhoz. Az üzemanyagként benzinnel kevert bioetanolnak számos előnye van a hagyományos benzinnel szemben: javítja az autó motorjának teljesítményét, növeli annak teljesítményét, nem melegíti túl a motort, nem képez koromot, szén-lerakódást és füstöt.
A bioetanol nagyszerű alternatíva a kandalló szerelmeseinek. Mivel nem képez füstöt, korom és égés közben kis mennyiségű szén-dioxidot bocsát ki. Használható kandallók fűtésére akár bérházakban is. Ugyanakkor egyáltalán nincs hőveszteség, mint általában a hagyományos kéményes kandallók üzemeltetésénél.
Az alkoholos erjesztés technológiája szerint állítják elő keményítőt vagy cukrot tartalmazó alapanyagokból: kukorica, gabonafélék, cukornád, cukorrépa. Gazdaságosan indokolt etanolt nyerni cellulóz tartalmú nyersanyagokból.
Biobutanol
Motorok üzemanyagaként előnyösebb, mint a bioetanol: jobban keveredik a benzinnel, és külön üzemanyagként használható. Ennek megszerzéséhez hagyományos növényeket használnak: cukornád, kukorica, búza, cukorrépa. Bár kevésbé népszerű, mint a bioetanol.
Biometanol
Gyártási technológiája még mindig tökéletlen, és még sok innovatív fejlesztés bevezetését igényli. Állítólag speciális víztározókban termesztett tengeri fitoplankton biokémiai átalakításával nyerhető.De eddig nem volt lehetséges ipari termelés létrehozása. A biometanol alkalmazásával megegyeznek a hagyományos metanollal. Ez számos anyag (formaldehid, metil-metakrilát, metil-aminok, ecetsav stb.) Előállítása oldószerként és fagyálló anyagként.
Biodízel
Az autómotorokban külön-külön és hagyományos dízelüzemanyaggal keverve használják. A biodízel környezetre gyakorolt negatív hatásának hiánya mellett számos tanulmány rávilágított egy másik előnyre. Az alacsony kéntartalom miatt a biodízel kenési tulajdonságai jobbak, ami hozzájárul a sorozatmotorok élettartamának meghosszabbításához. A biodízel előállításához nyersanyagok lehetnek növények (pamut, szójabab, repce) és zsíros olajok (pálma, repce, kókuszdió), algák.
A bioüzemanyagok előnyei és hátrányai
A biológiai üzemanyagoknak vannak pozitív és negatív oldalai. Az ilyen típusú nyersanyagok felhasználása iránti érdeklődés kétségtelen előnyeinek köszönhető. Ezek tartalmazzák:
- Költségvetési költség... Míg a bioüzemanyagok ára jelenleg közel azonos áron van, mint a benziné, a biomassza-üzemanyagokat jövedelmezőbb üzemanyagnak tekintik, mivel elégetve kevesebb kibocsátást eredményeznek. A bioüzemanyagok különféle alkalmazásokra alkalmasak, és a motor különböző kialakításaihoz igazíthatók. További plusz a motor optimalizálása, amely hosszabb ideig tisztább marad kevesebb korom- és kipufogógázzal.
- Mobilitás... A bioüzemanyagok mobilitása különbözik az alternatív energia alternatíváitól. A nap- és szélenergia-létesítmények építése általában nehéz akkumulátorokat tartalmaz, ezért ezeket leggyakrabban álló helyzetben használják, míg a bioüzemanyagok különösebb gond nélkül szállíthatók egyik régióból a másikba.
- Megújuló energiaforrás... Bár a kutatók szerint a meglévő kőolajkészletek legalább több száz évig fennmaradnak, a fosszilis tartalékok még mindig végesek. A növényekből és az állati hulladékból előállított bioüzemanyagok azok közé a megújuló erőforrások közé tartoznak, amelyeket belátható időn belül nem fenyeget a kihalás.
- A föld légkörének védelme... A hagyományos szénhidrogének fő hátránya, hogy az égés során nagy mennyiségű CO2 szabadul fel. Ez a gáz üvegházhatást vált ki bolygónk légkörében, megteremtve a globális felmelegedés feltételeit. Biológiai anyagok elégetésekor a szén-dioxid mennyisége 65% -ra csökken. Ezenkívül a bioüzemanyagok előállításához használt növények szén-monoxidot fogyasztanak, csökkentve annak arányát a levegőben.
- Gazdasági biztonság... A szénhidrogénkészletek egyenletesen oszlanak el, ezért egyes államok kénytelenek kőolajat vagy földgázt vásárolni, nagy összegeket költenek beszerzésre, szállításra és tárolásra. Különböző típusú biológiai üzemanyagok szinte bármely országban beszerezhetők. Mivel előállításához és feldolgozásához új vállalkozások és ennek megfelelően munkahelyek létrehozása szükséges, ez a nemzetgazdaság javát szolgálja, és pozitív hatással lesz az emberek jólétére.
A technológiák fejlesztése és új módszerek kifejlesztése fokozhatja a bioüzemanyagok pozitív hatásait. Így a plankton és algák felhasználásával történő technológiák fejlesztése jelentősen csökkenti annak árát.
Ugyanakkor a tudományok és technológiák jelenlegi fejlődési szakaszában a bioüzemanyagok előállítása számos nehézséggel és kellemetlenséggel jár. Először is ezek természetes korlátozások a növénytermesztésben. A biomassza-termeléshez használt növények növekedése érdekében számos tényezőt kell figyelembe venni, nevezetesen:
- Vízfelhasználás... A növények sok vizet fogyasztanak, ami korlátozott erőforrás, különösen száraz területeken.
- Invazivitás... Az üzemanyagban termesztett növények gyakran agresszívak. Elfojtják az autentikus növényvilágot, ami károsíthatja a régió biodiverzitását és ökoszisztémáját.
- Trágyák... Sok növény további tápanyag-bevitelt igényel, amely károsíthatja más növényeket vagy az általános ökoszisztémát.
- Éghajlat. Bizonyos éghajlati övezetek (pl. Sivatag vagy tundra) nem alkalmasak bioüzemanyagok termesztésére.
A mezőgazdasági növények aktív termesztése a mezőgazdasági erőforrások kimerüléséhez is társul. A mezőgazdasági technológia szabályainak be nem tartása a hasznos talajösszetevők tartalmának csökkenéséhez és ennek következtében azok kimerüléséhez vezethet, ami súlyosbítja az ételprobléma.
Az ökoszisztéma megbomlott. A biomassza-termelés általában a mezőgazdasági területek bővítését igényli. Gyakran erre a célra megtisztítják a területet, ami a mikroökoszisztéma (például erdők) pusztulásához, növények és állatok pusztulásához vezet.
A bioüzemanyagok előállításához már nagy mennyiségű növényt termesztenek. Az európai repce több mint 50% -át biomassza-előállításra használják fel, az amerikai gabona több mint egyharmadát, a Brazíliában termesztett cukornád majdnem felét
A növekvő monokultúrákkal vannak problémák. A nagyobb biomassza-hozam elérése érdekében a termelők gyakran egy adott növényrel vetik be a földet. Ez a gyakorlat nem túl jó a mezőgazdasági földterületek állapotára, mivel a monokultúra a környezet megváltozásához vezet.
Az egyfajta növény által elfoglalt területeken a speciális kártevők általában élősködnek. Az a kísérlet, hogy rovarirtó szerekkel és rovarirtókkal ellenőrizzék őket, csak az ilyen szerekkel szembeni rezisztencia kialakulásához vezet.
A fent leírt problémák elkerülése érdekében a tudósok azt tanácsolják, hogy ne hanyagolják el a növények biológiai sokféleségét, több növény kombinálásával a mezőkön, és helyi flórafajtákat is alkalmaznak.
Gáznemű bioüzemanyagok
A gáz halmazállapotú tüzelőanyagok két fő típusa létezik:
- Biogáz
- Biohidrogén
Biogáz
Szerves hulladék erjesztési terméke, amely felhasználható székletmaradványként, szennyvízként, háztartási hulladékként, vágóhídi hulladékként, trágya, trágya, valamint szilázs és algákként. Ez metán és szén-dioxid keveréke. A szerves trágyák a háztartási hulladék feldolgozásának további termékei a biogáz előállításában. Az előállítási technológia összetett szerves anyagok transzformációjához kapcsolódik a metán fermentációt végző baktériumok hatására.
A technológiai folyamat kezdetén a hulladék tömegét homogenizálják, majd az előkészített nyersanyagot egy rakodógép segítségével egy fűtött és szigetelt reaktorba vezetik, ahol a metán fermentációs folyamat közvetlenül körülbelül 35-38 ° C hőmérsékleten zajlik. A hulladék tömege folyamatosan keveredik. A kapott biogázt egy gáztartályba vezetik (amelyet gáz tárolására használnak), majd egy elektromos generátorba vezetik. Az így kapott biogáz helyettesíti a hagyományos földgázt. Használható bioüzemanyagként, vagy villamos energiát termelhet belőle.
Biohidrogén
Biomasszából nyerhető termokémiai, biokémiai vagy biotechnológiai módszerekkel. Az első előállítási módszer a fahulladék 500-800 ° C hőmérsékletre hevítésével jár, amelynek eredményeként a gázok - hidrogén, szén-monoxid és metán - keveréke fejlődni kezd. A biokémiai módszerben a Rodobacter speriodes, Enterobacter cloacae baktériumok enzimjeit használják, amelyek hidrogéntermelést okoznak a cellulózt és keményítőt tartalmazó növényi maradványok hasítása során. A folyamat normál nyomáson és alacsony hőmérsékleten zajlik.A biohidrogént hidrogén üzemanyagcellák előállításához használják a közlekedésben és az energiában. Még nem használják széles körben.
A globális bioüzemanyag-piac fejlődésének tendenciái
A bioüzemanyagok elterjedésének mozgatórugói az energiabiztonság, az éghajlatváltozás és a gazdasági visszaesés által okozott veszélyek. A bioüzemanyag-termelés világszerte történő kiterjesztése a tiszta üzemanyag-fogyasztás arányának növelését célozza, különösen a közlekedésben; számos országban csökkent az importolaj függősége; az üvegházhatású gázok kibocsátásának csökkentése; gazdasági fejlődés. A bioüzemanyagok alternatívák a kőolajból előállított hagyományos üzemanyagokkal szemben. A bioüzemanyag-gyártás világszerte 2014-ben az USA, Brazília és az Európai Unió. A legelterjedtebb bioüzemanyag-típus a bioetanol, részesedése a világon biológiai alapanyagokból előállított összes üzemanyag 82% -a. A vezető gyártók az USA és Brazília. A biodízel a második helyen áll. A biodízeltermelés 49% -a az Európai Unióban koncentrálódik. Hosszú távon a szárazföldi, légi és tengeri szállításból származó bioüzemanyagok iránti egyre növekvő kereslet drámai módon megváltoztathatja a globális energiapiac jelenlegi helyzetét. A mezőgazdasági alapanyagok folyékony bioüzemanyagok előállításához való felhasználása és termelésének növekedése a mezőgazdasági termékek iránti kereslethez vezetett, ami befolyásolta a bioüzemanyagok előállításához felhasznált élelmiszer-növények árait. A második generációs bioüzemanyagok továbbra is növekednek, a második generációs bioüzemanyagok globális termelése 2020-ra várhatóan eléri a 10 milliárd litert. A világ bioüzemanyag-termelésének 2020-ra 25% -kal kell növekednie, és kb. 140 milliárd liter. Az Európai Unióban a bioüzemanyag-termelés legnagyobb része olajmagból (repcéből) előállított biodízel. Az előrejelzések szerint az EU országaiban bővül a búza és kukorica, valamint a cukorrépa bioetanol-termelése. Brazíliában a bioetanol-termelés várhatóan tovább növekszik gyorsított ütemben, és 2017-re megközelíti a 41 milliárd litert. Általában az előrejelzések szerint a bioetanol és a biodízel termelése 2020-ra gyorsan növekszik, és 125, illetve 25 milliárd liter lesz. A bioüzemanyag-termelés gyorsan növekedni kezdett Ázsiában. 2014-től Kína a harmadik legnagyobb bioetanol-termeléssel rendelkezik, és ez a termelés várhatóan évente több mint 4% -kal nő a következő tíz évben. Indiában az előrejelzések szerint a melaszból származó bioetanol-termelés több mint 7% -kal nő évente. Ugyanakkor bővül a biodízel termelése olyan új növényekből, mint a jatropha.
Az Energia Világügynökség (IEA) előrejelzései szerint 2025-ben az olajhiányt 14% -ra becsülik. Az IEA szerint akkor is, ha a bioüzemanyag-termelés (beleértve a bioetanolt és a biodízelt is) 2021-re eléri a 220 milliárd litert, akkor termelése a világ üzemanyagigényének csak 7% -át fedezi. A bioüzemanyag-termelés növekedési üteme messze elmarad a rájuk irányuló kereslet növekedési ütemétől. Ennek oka az olcsó nyersanyagok rendelkezésre állása és az elégtelen finanszírozás. A bioüzemanyagok hatalmas kereskedelmi felhasználását az árak egyensúlyának elérése fogja ösztönözni a hagyományos kőolajból származó üzemanyagokkal. A tudósok előrejelzései szerint a megújuló energiaforrások aránya 2040-re eléri a 47,7% -ot, a biomassza pedig 23,8% -ot.
A jelenlegi technológiai fejlettség mellett a bioüzemanyag-termelés a globális energiaellátás kis részét fogja képezni, és az energiaárak befolyásolják a mezőgazdasági nyersanyagok költségeit.A bioüzemanyagok különböző módon befolyásolhatják az élelmezésbiztonságot - a bioüzemanyag-termelés által vezérelt emelkedő nyersanyagárak árthatnak az élelmiszerimportőröknek, másrészt ösztönözhetik a kisgazda gazdák hazai mezőgazdasági termelését.
GÁZCSAPAT
A biomassza gáz halmazállapotú üzemanyagokat is termel, amelyek kiválóan alkalmazhatók az autók számára is. Például a metán az olaj desztillációja során keletkező természetes és úgynevezett kapcsolódó gázok egyik fő alkotóeleme. Egy ilyen ásványi anyag könnyen helyettesíthető egy felesleges szerves hulladékkal - a banális trágyától a hal-, hús-, tej- és zöldségipar hulladékáig. Ez a biomassza táplálja a biogázt termelő baktériumokat. Szén-dioxid-gázból történő megtisztítása után úgynevezett biometánt kapunk. A fő különbség a közönséges metántól, amelyen számos gyártási modell működik, az, hogy nem ásványi anyag. Nos, valami, de a trágya és a növények az élet vége előtt a bolygón nem fogynak el.
Biometán előállítási rendszer (az összes ábra és táblázat teljes méretben, egérkattintással megnyílik):
A bioüzemanyagok mint alternatív energiaforrás:
Az emberiség mindig élesen szembesült az olcsó energiaforrások megtalálásának kérdésével, amelyek befogadása nem igényelt túlzott költségeket. Az energiaforrások felhasználásának problémája különösen a 20. században vált aktuálisá, amikor világossá vált, hogy a szénhidrogének meggondolatlan elégetése a föld tartalékainak további csökkenésével jár. A tudósok arra a következtetésre jutottak, hogy az olaj- és gázkészletek idővel elfogynak, és az új mezők fejlesztésének költségei jelentősen megnőnek, mivel több felszerelést és termelési kapacitást kell vonzani. Ebben az időszakban az ökológia jelentősen romlott, fájdalmasan reagált az eltűnő erdőtakaróra és a légkör, a belek és a víz folyamatos szennyezésére.
A földgáz és az olaj helyettesítésére alkalmas alternatív hőenergia-kutatások relevanciája nőtt. És egy ilyen hatékony irány a napenergiával együtt a szélenergia biológiai eredetű energiahordozók használatává vált (bioüzemanyag).
Biológiai eredetű üzemanyag (bioüzemanyagok) alatt állati vagy növényi alapanyagokból, valamint biológiai hulladékból szintetizált terméket kell érteni, amely bizonyos hatással hőenergiát szabadít fel.
Egyéb meghatározások mellett bioüzemanyagok van még a következő: "A bioüzemanyag olyan üzemanyag, amelyet biomasszából nyernek termokémiai vagy biológiai reakció eredményeként."
A bioüzemanyagok 54-60% -a a hagyományos formája: tűzifa, növényi maradványok és szárított trágya a ház fűtésére és a főzésre. A világ lakosságának 38% -a használja őket.
NÖVÉNYI MENÜ
A dízel üzemanyag szintén nem szabványos receptek szerint készül. Alapanyaga a repce, szójabab, különféle olajok és zsírok. Az ilyen üzemanyagot B betűvel és számokkal jelölik, amelyek megfelelnek a növényi összetevők arányának a keverékben. Az üzemanyag cetánszáma magasabb, mint a hagyományos üzemanyagé: 51 szemben 42–45. Az üzemanyag biológiailag nagyon könnyen lebontható, a környezet károsítása nélkül, és gyakorlatilag nem tartalmaz ként. A jelentős hátrányok közé tartozik a rövid eltarthatósági idő.
A dízelüzemanyagok bioaddícióit még nem használták olyan széles körben, mint a bioetanolt. Ennek ellenére sok országban gyártják. Vannak olyan országok, ahol az 5% -os biotartalmat legalizálják, és eladáskor nem kell megemlíteni.
