La sfârșitul secolului al XX-lea, problema căutării de noi surse alternative de energie a apărut în fața omenirii. Motivul pentru aceasta a fost criza iminentă a combustibilului și a energiei și poluarea din ce în ce mai mare a mediului. A fost necesar să se găsească noi surse de energie termică care să poată înlocui petrolul și gazul. Odată cu dezvoltarea energiei solare, a apărut o altă direcție mai promițătoare și, cel mai important, mai bugetară - utilizarea biocombustibililor.
Biocombustibilii sunt combustibili obținuți din prelucrarea biomasei prin mijloace termochimice sau biologice - cu ajutorul bacteriilor. Atât materiile prime vegetale cât și animale pot fi utilizate ca biomasă, precum și reziduuri organice de producție și deșeuri de animale. Cele mai des utilizate surse sunt plantele și deșeurile de lemn.
În funcție de starea de agregare, se disting următoarele tipuri de biocombustibili:
- Solid (lemn, așchii de lemn, brichete combustibile, pelete combustibile, turbă combustibilă);
- Lichid (bioetanol, biobutanol, biometanol, biodiesel);
- Gazos (biogaz, biohidrogen).
Biocombustibili solizi
Lemnul de foc, ca în urmă cu secole, continuă să fie folosit pentru a obține căldură și electricitate. Un exemplu al celei mai mari centrale electrice cu biomasă din Europa este cogenerarea austriacă. Capacitatea sa este de 66 MW.
În ciuda faptului că lumea dezvoltă și finanțează activ proiecte pentru crearea de păduri energetice în care se cultivă biomasă lemnoasă, utilizarea diverselor produse din industria prelucrării lemnului pentru obținerea biocombustibilului atrage din ce în ce mai multă atenție. Astfel de întreprinderi sunt deja destul de bine dezvoltate și își furnizează activ produsele pe piață. Acestea includ brichete de combustibil și pelete de combustibil - pelete.
Pentru a obține brichete de combustibil, se usucă și se presează diverse deșeuri biologice, precum excremente de păsări și gunoi de grajd. Brichetele rezultate sunt utilizate pentru încălzirea spațiilor rezidențiale și industriale.
Granulele de combustibil - peletele sunt utilizate în mod similar. Sunt produse din rumeguș, așchii de lemn, scoarță, lemn sub standard, paie, deșeuri agricole (coji de floarea soarelui, coji de nuci). Pentru a obține pelete, biomasa este mai întâi zdrobită în făină, apoi intră în uscător și de la aceasta la o presă specială, unde, sub influența presiunii și a temperaturii ridicate, lignina conținută în deșeurile de lemn devine lipicioasă. Face posibilă obținerea la ieșire a unor cilindri gata preparați de biocombustibil. O calitate distinctivă a peletelor de combustibil este conținutul lor scăzut de cenușă - aproximativ 3%.
Tehnologia de obținere a turbării combustibile utilizate pentru încălzirea clădirilor rezidențiale este, de asemenea, simplă. Materiile prime sunt livrate direct de la locul de extracție la instalația de procesare a turbelor, unde turba este curățată de impurități (cernută), uscată și presată în brichete.
Un alt tip de biocombustibil - așchii de lemn - este utilizat în Europa la centralele termice mari, cu o capacitate de la unu la câțiva megawați. Producția de așchii de lemn se realizează direct la exploatarea forestieră sau în producție folosind tocătoare speciale - tocătoare. Ca materie primă, se folosesc de obicei resturi lemnoase de dimensiuni mici și resturi de tăiere - ramuri, scoarță, cioturi etc.
Generatii de combustibili alternativi
Gama largă de materiale vegetale utilizate pentru biomasă este de obicei împărțită pe mai multe generații.
Prima generație include culturi agricole, care conțin un procent ridicat de amidon, zaharuri, grăsimi. Acestea sunt plante atât de populare precum porumbul, sfecla de zahăr, rapița, soia. Deoarece cultivarea acestor culturi este dăunătoare climatului și retragerea lor de pe piață afectează prețul produselor, oamenii de știință încearcă să le înlocuiască cu alte tipuri de biomasă.
Aproape toate tipurile de combustibili lichizi moderni (biodiesel, etanol) sunt produși în prezent din plante agricole aparținând primei generații de materii prime.
Grupul celei de-a doua generații de biomasă include lemnul, iarba, deșeurile agricole (scoici, coji). Obținerea de biocombustibili din astfel de materii prime este costisitoare, dar face posibilă rezolvarea problemei eliminării reziduurilor nealimentare cu producerea simultană de materiale combustibile.
O caracteristică a culturilor incluse în acest soi este prezența ligninei și celulozei în acestea. Datorită acestora, biomasa poate fi arsă și gazificată, precum și supusă pirolizei, obținând un combustibil lichid. Principalul dezavantaj al biomasei de a doua generație este considerat a fi un randament insuficient pe unitate de suprafață, motiv pentru care trebuie alocate resurse funciare semnificative pentru astfel de culturi.
Materia primă pentru producția de biocombustibili din a treia generație sunt algele, care sunt cultivate la scară industrială, de exemplu, în corpuri de apă deschise.
Cea mai promițătoare opțiune este considerată a fi biocombustibilii obținuți din alge unicelulare. Astfel de plante se îngrașă rapid, în timp ce cultivarea lor nu necesită teren fertil.
Această practică are perspective mari, dar în prezent astfel de tehnologii sunt doar în curs de dezvoltare. Oamenii de știință efectuează, de asemenea, cercetări privind crearea metodelor de obținere a biocombustibililor din a patra și chiar a cincea generație.
Biocombustibili lichizi
Biocombustibilii lichizi devin din ce în ce mai populari datorită caracterului ecologic și siguranței lor. Este utilizat în principal în motoarele cu ardere internă. Acest tip de combustibil se obține prin prelucrarea diferitelor materiale vegetale.
Există principalele tipuri de biocombustibili lichizi:
- Bioetanol
- Biobutanol
- Biometanol
- Biodiesel
Bioetanol
Ocupă o poziție de lider în lista biocombustibililor lichizi. Domeniul său de aplicare este în mașinile obișnuite, iar în ultimii ani a fost folosit și ca biocombustibil pentru șemineele de acasă. Bioetanolul amestecat cu benzina ca combustibil are o serie de avantaje față de benzina convențională: îmbunătățește performanța motorului mașinii, își mărește puterea, nu supraîncălzește motorul, nu formează funingine, funingine și fum.
Bioetanolul este o alternativă excelentă pentru iubitorii de șemineu. Deoarece nu formează fum, funingine și emite o cantitate mică de dioxid de carbon în timpul arderii. Poate fi folosit pentru a încălzi șemineele chiar și în clădirile de apartamente. În același timp, nu există deloc pierderi de căldură, așa cum se întâmplă de obicei cu funcționarea șemineelor convenționale cu un coș de fum.
Este produs conform tehnologiei fermentației alcoolice din materii prime care conțin amidon sau zahăr: porumb, cereale, trestie de zahăr, sfeclă de zahăr. Este justificat din punct de vedere economic să se obțină etanol din materii prime care conțin celuloză.
Biobutanol
Ca combustibil pentru motoare, este mai preferabil decât bioetanolul: se amestecă mai bine cu benzina și poate fi folosit și ca combustibil separat. Pentru obținerea acestuia se folosesc culturi tradiționale: trestie de zahăr, porumb, grâu, sfeclă de zahăr. Deși mai puțin popular decât bioetanolul.
Biometanol
Tehnologia sa de producție este încă imperfectă și necesită introducerea multor dezvoltări inovatoare. Se presupune că se obține prin transformarea biochimică a fitoplanctonului marin cultivat în rezervoare speciale.Dar până acum nu a fost posibilă stabilirea producției la scară industrială. Aplicațiile pentru biometanol sunt aceleași ca și pentru metanolul convențional. Aceasta este producerea unui număr de substanțe (formaldehidă, metacrilat de metil, metilamine, acid acetic etc.), ca solvent și antigel.
Biodiesel
Este utilizat la motoarele auto atât separat, cât și într-un amestec cu combustibil diesel convențional. Pe lângă absența impactului negativ al biodieselului asupra mediului, numeroase studii au evidențiat un alt avantaj. Datorită conținutului redus de sulf, proprietățile de lubrifiere ale biodieselului sunt mai bune, ceea ce ajută la prelungirea duratei de viață a motoarelor de serie. Materia primă pentru producția de biodiesel poate fi atât plante (bumbac, soia, rapiță), cât și uleiuri grase (palmier, rapiță, nucă de cocos), alge.
Avantajele și dezavantajele biocombustibililor
Combustibilii biologici au părțile lor pozitive și negative. Interesul pentru utilizarea acestui tip de materie primă se datorează avantajelor sale neîndoielnice. Acestea includ:
- Costul bugetului... Deși în prezent biocombustibilii au prețul aproape la același preț ca benzina, biomaterialele sunt considerate a fi un combustibil mai profitabil, deoarece produc mai puține emisii atunci când sunt arse. Biocombustibilii sunt potriviți pentru diverse aplicații și pot fi adaptați la diferite modele de motoare. Un alt plus este optimizarea motorului, care rămâne mai curat mai mult timp cu mai puțină funingine și gaze de eșapament.
- Mobilitate... Biocombustibilii diferă de alte opțiuni de energie alternativă prin mobilitate. Proiectarea instalațiilor solare și eoliene include de obicei baterii grele de stocare, astfel încât acestea sunt cel mai adesea utilizate staționare, în timp ce biocombustibilul poate fi transportat dintr-o regiune în alta fără probleme.
- Sursă de energie regenerabilă... Deși, potrivit cercetătorilor, depozitele existente de țiței vor dura cel puțin câteva sute de ani, rezervele de fosile sunt încă limitate. Biocombustibilii, obținuți din plante și deșeuri animale, sunt resurse regenerabile care nu sunt amenințate cu dispariția în viitorul apropiat.
- Protecția atmosferei terestre... Un dezavantaj major al hidrocarburilor tradiționale este procentul mare de CO2 emis în timpul arderii. Acest gaz creează un efect de seră în atmosfera planetei noastre, creând condiții pentru încălzirea globală. Când substanțele biologice sunt arse, cantitatea de dioxid de carbon este redusă la 65%. În plus, culturile utilizate în producția de biocombustibili consumă monoxid de carbon, reducându-și proporția în aer.
- Securitatea economică... Rezervele de hidrocarburi sunt distribuite inegal, astfel încât unele state sunt obligate să cumpere petrol sau gaze naturale, cheltuind sume mari de bani pentru achiziție, transport și depozitare. Diferite tipuri de combustibil biologic pot fi obținute în aproape orice țară. Deoarece producția și prelucrarea acestuia vor necesita crearea de noi întreprinderi și, în consecință, locuri de muncă, acest lucru va aduce beneficii economiei naționale și va avea un efect pozitiv asupra bunăstării oamenilor.
Îmbunătățirea tehnologiilor și dezvoltarea de noi metode pot spori efectele pozitive ale biocombustibililor. Astfel, dezvoltarea tehnologiilor care utilizează plancton și alge îi va reduce semnificativ prețul.
În același timp, în etapa actuală de dezvoltare a științelor și tehnologiilor, producția de biocombustibili este asociată cu o serie de dificultăți și inconveniente. În primul rând, acestea sunt limitări naturale la plantele în creștere. Pentru creșterea culturilor utilizate pentru producția de biomasă, trebuie luați în considerare o serie de factori, și anume:
- Utilizarea apei... Culturile consumă multă apă, care este o resursă limitată, în special în zonele aride.
- Invazivitatea... Culturile cultivate cu combustibil sunt adesea agresive. Ei îneacă flora autentică, care poate afecta biodiversitatea și ecosistemul regiunii.
- Îngrășăminte... Multe plante necesită aporturi suplimentare de nutrienți care pot dăuna altor culturi sau ecosistemului general.
- Climat. Anumite zone climatice (de exemplu, deșert sau tundră) nu sunt potrivite pentru cultivarea culturilor de biocombustibili.
Cultivarea activă a plantelor agricole este, de asemenea, asociată cu epuizarea resurselor agricole. Nerespectarea regulilor tehnologiei agricole poate duce la o scădere a conținutului componentelor utile ale solului și, ca urmare, la epuizarea acestora, ceea ce va agrava problema alimentară.
Ecosistemul este perturbat. Producția de biomasă necesită de obicei o extindere a terenurilor agricole. Adesea, în acest scop, teritoriul este defrișat, ceea ce duce la distrugerea microecosistemului (de exemplu, o pădure), la moartea plantelor și a animalelor.
Un volum mare de culturi este deja cultivat pentru a produce biocombustibili. Peste 50% din rapița din Europa este utilizată pentru producerea de biomasă, mai mult de o treime din cerealele americane, aproape jumătate din trestia de zahăr cultivată în Brazilia
Există probleme cu monoculturile în creștere. Pentru a obține mai multe producții de biomasă, cultivatorii semănă adesea terenul cu o plantă specifică. Această practică nu este foarte bună pentru starea terenurilor agricole, deoarece monocultura duce la o schimbare a mediului.
În câmpurile ocupate de un tip de plantă, tipuri speciale de dăunători parazitează de obicei. O încercare de a le controla cu ajutorul insecticidelor și pesticidelor nu duce decât la dezvoltarea rezistenței la acești agenți.
Pentru a evita problemele descrise mai sus, oamenii de știință sfătuiesc să nu neglijeze biodiversitatea culturilor, combinând mai multe plante în câmpuri și, de asemenea, să folosească soiuri locale de floră.
Biocombustibili gazoși
Există două tipuri principale de combustibili gazoși:
- Biogaz
- Biohidrogen
Biogaz
Produs de fermentare a deșeurilor organice, care poate fi utilizat ca reziduuri fecale, canalizare, deșeuri menajere, deșeuri de abator, gunoi de grajd, gunoi de grajd, precum și siloz și alge. Este un amestec de metan și dioxid de carbon. Îngrășămintele organice sunt un alt produs al procesării deșeurilor menajere în producția de biogaz. Tehnologia de producție este asociată cu transformarea substanțelor organice complexe sub influența bacteriilor care efectuează fermentarea metanului.
La începutul procesului tehnologic, masa deșeurilor este omogenizată, apoi materia primă preparată este alimentată cu ajutorul unui încărcător într-un reactor încălzit și izolat, unde procesul de fermentare a metanului are loc direct la o temperatură de aproximativ 35-38 ° C. Masa deșeurilor este amestecată constant. Biogazul rezultat intră într-un rezervor de gaz (utilizat pentru stocarea gazului) și apoi este alimentat către un generator electric. Biogazul rezultat înlocuiește gazele naturale convenționale. Poate fi folosit ca biocombustibil sau poate genera electricitate din acesta.
Biohidrogen
Poate fi obținut din biomasă prin metode termochimice, biochimice sau biotehnologice. Prima metodă de obținere este asociată cu încălzirea deșeurilor de lemn la o temperatură de 500-800 ° C, în urma căreia începe să evolueze un amestec de gaze - hidrogen, monoxid de carbon și metan. În metoda biochimică, se utilizează enzime ale bacteriilor Rodobacter speriodes, Enterobacter cloacae, care determină producția de hidrogen în timpul divizării reziduurilor vegetale care conțin celuloză și amidon. Procesul are loc la presiune normală și temperatură scăzută.Biohidrogenul este utilizat la producerea celulelor de combustibil cu hidrogen în transport și energie. Nu este încă utilizat pe scară largă.
Tendințe în dezvoltarea pieței globale a biocombustibililor
Factorii determinanți ai răspândirii biocombustibililor sunt amenințările din partea securității energetice, a schimbărilor climatice și a recesiunii economice. Extinderea producției de biocombustibili în întreaga lume are ca scop creșterea ponderii consumului de combustibil curat, în special în transport; dependență redusă de petrolul importat pentru multe țări; reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră; dezvoltare economică. Biocarburanții sunt o alternativă la combustibilii tradiționali derivați din petrol. Centrele mondiale pentru producția de biocombustibili în 2014 sunt SUA, Brazilia și Uniunea Europeană. Cel mai răspândit tip de biocombustibil este bioetanolul, ponderea sa fiind de 82% din toți combustibilii produși în lume din materii prime biologice. Principalii producători sunt SUA și Brazilia. Biodieselul este pe locul doi. 49% din producția de biodiesel este concentrată în Uniunea Europeană. Pe termen lung, cererea tot mai mare de biocombustibili din transportul terestru, aerian și maritim poate schimba dramatic situația actuală de pe piața globală a energiei. Utilizarea materiilor prime agricole pentru producerea de biocombustibili lichizi și creșterea producției sale au condus la cererea de produse agricole, care a influențat prețurile culturilor alimentare utilizate în producția de biocombustibili. Biocombustibilii din a doua generație continuă să crească, producția globală de biocombustibili din a doua generație urmând să ajungă la 10 miliarde de litri până în 2020. Producția mondială de biocombustibili până în 2020 ar trebui să crească cu 25% și să se ridice la aprox. 140 miliarde litri. În Uniunea Europeană, cea mai mare parte a producției de biocombustibili este biodieselul produs din semințe oleaginoase (rapiță). Conform previziunilor, producția de bioetanol din grâu și porumb, precum și sfeclă de zahăr se va extinde în țările UE. În Brazilia, se preconizează că producția de bioetanol va continua să crească într-un ritm accelerat și va ajunge la aproximativ 41 miliarde de litri până în 2017. În general, se estimează că producția de bioetanol și biodiesel va crește rapid până în 2020 și se va ridica la 125 și, respectiv, la 25 de miliarde de litri. Producția de biocombustibili a început să crească rapid în Asia. Începând cu 2014, China este al treilea cel mai mare producător de bioetanol și se preconizează că această producție va crește cu mai mult de 4% pe an în următorii zece ani. În India, se preconizează că producția de bioetanol din melasă va crește cu peste 7% pe an. În același timp, producția de biodiesel din culturi noi, cum ar fi jatrofa, se extinde.
Potrivit prognozelor Agenției Mondiale pentru Energie (AIE), deficitul de petrol din 2025 va fi estimat la 14%. Potrivit AIE, chiar dacă volumul total al producției de biocombustibili (inclusiv bioetanol și biodiesel) ajunge la 220 miliarde de litri până în 2021, atunci producția sa va acoperi doar 7% din cererea mondială de combustibil. Rata de creștere a producției de biocombustibili rămâne mult în urmă față de rata de creștere a cererii pentru acestea. Acest lucru se datorează disponibilității materiilor prime ieftine și finanțării insuficiente. Utilizarea comercială masivă a biocombustibililor va fi determinată de realizarea echilibrului prețurilor cu combustibilii convenționali derivați din petrol. Conform previziunilor oamenilor de știință, ponderea surselor regenerabile de energie până în 2040 va ajunge la 47,7%, iar biomasa - 23,8%.
Odată cu nivelul actual de dezvoltare a tehnologiei, producția de biocombustibili va constitui o mică parte din aprovizionarea globală cu energie, iar prețurile la energie vor afecta costul materiilor prime agricole.Biocombustibilii pot afecta securitatea alimentară în diferite moduri - creșterea prețurilor la mărfuri determinată de producția de biocombustibili poate afecta importatorii de alimente, pe de altă parte, stimulând producția agricolă internă de către micii fermieri.
ECHIPA DE GAZE
Combustibilii gazoși se obțin și din biomasă, care este excelentă și pentru mașini. De exemplu, metanul este una dintre componentele principale ale gazelor naturale și așa-numitele gaze asociate produse în timpul distilării petrolului. Un astfel de mineral poate fi înlocuit cu ușurință de un munte inutil de deșeuri organice - de la gunoi de grajd banal la deșeuri din industriile de pește, carne, lactate și legume. Această biomasă hrănește bacteriile care produc biogaz. După curățarea acestuia din dioxid de carbon gazos, se obține așa-numitul biometan. Principala sa diferență față de metanul obișnuit, pe care lucrează multe modele de producție, este că nu este un mineral. Ei bine, ceva, dar gunoiul de grajd și plantele înainte de sfârșitul vieții pe planetă nu se vor epuiza.
Schema de producție a biometanului (toate diagramele și tabelele se deschid în mărime completă prin clic cu mouse-ul):
Biocombustibilii ca sursă alternativă de energie:
Omenirea s-a confruntat întotdeauna cu problema găsirii unor surse de energie ieftine, a căror primire nu necesita costuri excesive. Problema utilizării resurselor energetice a devenit deosebit de acută în secolul al XX-lea, când a devenit clar că arderea necugetată a hidrocarburilor va duce la o scădere suplimentară a rezervelor lor terestre. Oamenii de știință au ajuns la concluzia că rezervele de petrol și gaze se vor epuiza în timp, iar costurile dezvoltării de noi câmpuri vor crește semnificativ, deoarece vor trebui atrase mai multe echipamente și capacități de producție. În această perioadă, ecologia s-a deteriorat semnificativ, reacționând dureros la acoperirea pădurii care dispare și la poluarea continuă a atmosferei, a intestinului și a apei.
A crescut relevanța căutării unor surse alternative de energie termică, care ar putea înlocui gazul natural și petrolul. Și o direcție atât de eficientă, împreună cu energia solară, energia eoliană a devenit utilizarea unor purtători de energie de origine biologică (biocombustibil).
Sub combustibilul de origine biologică (biocombustibili) ar trebui înțeles ca un produs sintetizat din materii prime animale sau vegetale, precum și din deșeuri biologice, care, sub o anumită influență, eliberează energie termică.
Printre alte definiții biocombustibili există și următoarele: „Biocombustibilul este un combustibil obținut din biomasă ca urmare a unei reacții termochimice sau biologice”.
54-60% din biocombustibili sunt formele sale tradiționale: lemn de foc, reziduuri de plante și gunoi de grajd uscat pentru încălzirea caselor și gătit. Acestea sunt utilizate de 38% din populația lumii.
MENIU VEGETARIAN
Combustibilul diesel este, de asemenea, preparat conform rețetelor nestandardizate. Materiile prime sunt rapița, soia, diferite uleiuri și grăsimi. Un astfel de combustibil este marcat cu litera B și cifre corespunzătoare proporției componentelor plantei din amestec. Numărul cetanic al combustibilului este mai mare decât cel al unui combustibil convențional: 51 față de 42-45. Combustibilul este extrem de biodegradabil fără a afecta mediul și practic nu conține sulf. Printre dezavantajele semnificative se numără termenul scurt de valabilitate.
Bioaditivii pentru motorină nu au primit încă o utilizare atât de răspândită ca bioetanolul. Cu toate acestea, este produs în multe țări. Există țări în care conținutul bio de 5% este legalizat și nu trebuie menționat atunci când este vândut.
