Soorten biobrandstoffen: vergelijking van de kenmerken van vaste, vloeibare en gasvormige brandstoffen

Een alternatief voor traditionele energiebronnen zijn verschillende soorten biobrandstoffen, waarvan de productie gebruik maakt van plantaardige of dierlijke grondstoffen, industrieel afval en de resultaten van de vitale activiteit van organismen.

We bieden aan om de voor- en nadelen van het gebruik van dergelijke brandstof te begrijpen, de productiekenmerken en functionele kenmerken te ontdekken en ook de effectiviteit van het gebruik van verschillende soorten biologische brandstoffen te evalueren. De verstrekte informatie helpt u bij het navigeren bij de keuze van alternatieve energiebronnen.

Wat is biobrandstof

De meest veelbelovende richting in de energiesector zijn technologieën waarbij gebruik wordt gemaakt van hernieuwbare hulpbronnen, waaronder biologische brandstoffen.

Het meest voorkomende type biologische brandstof is gewoon brandhout. 38% van de wereldbevolking gebruikt ze voor verwarming en koken

Als grondstof voor de productie ervan kun je biomassa van plantaardige/dierlijke oorsprong nemen, inclusief industrieel afval of dierlijk afval.

De verwerking van dergelijke stoffen wordt uitgevoerd door thermochemische of biologische methoden; in het laatste geval wordt brandstof verkregen met behulp van 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 hebben ook verplichte normen voor het gebruik van deze energiebron.

Voor- en nadelen van biobrandstoffen

Biologische brandstoffen hebben hun positieve en negatieve kanten. De belangstelling voor het gebruik van dit soort grondstoffen wordt veroorzaakt door de onbetwiste voordelen ervan.

Deze omvatten:

• Budgetkosten. Hoewel de prijzen voor biobrandstof momenteel vrijwel gelijk zijn aan de kosten van benzine, worden biologische stoffen als een winstgevender type brandstof beschouwd omdat ze bij verbranding minder uitstoot veroorzaken. Biobrandstof is geschikt voor gebruik onder verschillende omstandigheden en kan worden aangepast aan motoren met verschillende ontwerpen. Een ander voordeel is de optimalisatie van de werking van de motor, die door de kleine hoeveelheid roet en uitlaatgassen langer schoon blijft.
• Mobiliteit. Biologische brandstof verschilt van andere alternatieve energiebronnen in zijn draagbaarheid. Zonne- en windinstallaties bevatten meestal zware batterijen en worden daarom meestal permanent gebruikt, terwijl biobrandstoffen zonder veel gedoe van de ene regio naar de andere kunnen worden getransporteerd.
• Hernieuwbare energiebron. Hoewel onderzoekers denken dat de bestaande voorraden ruwe olie minstens enkele honderden jaren zullen meegaan, zijn de fossiele voorraden nog steeds eindig. Biobrandstoffen, gemaakt uit plantaardig en dierlijk afval, behoren tot de hernieuwbare hulpbronnen die niet in de nabije toekomst dreigen te verdwijnen.
• Bescherming van de atmosfeer van de aarde. Een groot nadeel van traditionele koolwaterstoffen is het hoge percentage CO₂, dat vrijkomt bij verbranding. Dit gas creëert een broeikaseffect in de atmosfeer van onze planeet, waardoor de omstandigheden worden geschapen voor de opwarming van de aarde. Wanneer biologische stoffen worden verbrand, wordt de hoeveelheid kooldioxide teruggebracht tot 65%. Bovendien verbruiken gewassen die worden gebruikt bij de productie van biobrandstoffen koolmonoxide, waardoor het aandeel ervan in de lucht afneemt.
• Economische veiligheid. De koolwaterstofreserves zijn ongelijk verdeeld, waardoor sommige staten gedwongen zijn olie of aardgas te kopen en grote hoeveelheden geld uit te geven aan verwerving, transport en opslag. In vrijwel elk land kunnen verschillende soorten biologische brandstof worden geproduceerd. Omdat de productie en verwerking ervan de oprichting van nieuwe ondernemingen en daarmee banen zal vereisen, zal dit de nationale economie ten goede komen en een positieve impact hebben op het welzijn van de mensen.

Het verbeteren van de technologie en het ontwikkelen van nieuwe methoden kunnen de positieve effecten van biobrandstoffen vergroten. De ontwikkeling van technologieën waarbij gebruik wordt gemaakt van plankton en algen zal de prijs ervan aanzienlijk verlagen.

Tegelijkertijd gaat de productie van biobrandstoffen in het huidige stadium van de ontwikkeling van wetenschap en technologie gepaard met een aantal moeilijkheden en ongemakken. Allereerst zijn dit natuurlijke beperkingen bij het kweken van planten.

Voor de groei van gewassen die worden gebruikt voor de productie van biomassa moet rekening worden gehouden met een aantal factoren, namelijk:

• Watergebruik. Landbouwgewassen verbruiken veel water, wat een beperkte hulpbron is, vooral in droge gebieden.
• Invasiviteit. Gewassen die als brandstof worden geteeld, zijn vaak agressief.Ze verstikken de authentieke flora, waardoor de biodiversiteit en het ecosysteem van de regio eronder kunnen lijden.
• Meststoffen. Veel planten hebben extra voedingsstoffen nodig om te groeien, wat andere gewassen of het algehele ecosysteem kan schaden.
• Klimaat. Bepaalde klimaatzones (bijvoorbeeld woestijn of toendra) zijn niet geschikt voor de teelt van biobrandstofgewassen.

De actieve teelt van landbouwgewassen wordt ook in verband gebracht met de uitputting van agrarische hulpbronnen. Het niet naleven van de regels van de landbouwtechnologie kan leiden tot een afname van het gehalte aan nuttige bodemcomponenten en, als gevolg daarvan, tot de uitputting ervan, wat de problemen zal verergeren. voedsel probleem.

Het ecosysteem wordt verstoord. Voor de productie van biomassa is doorgaans uitbreiding van landbouwgebieden nodig.

Vaak wordt voor dit doel het gebied vrijgemaakt, wat leidt tot de vernietiging van het micro-ecosysteem (bijvoorbeeld bossen), de dood van planten en dieren.

Er wordt al een grote hoeveelheid gewassen verbouwd voor de productie van biobrandstoffen. Meer dan 50% van het koolzaad dat in Europa wordt geproduceerd, meer dan een derde van het Amerikaanse graan en bijna de helft van het suikerriet dat in Brazilië wordt verbouwd, wordt gebruikt voor de productie van biomassa.

Er ontstaan ​​problemen met de groeiende monoculturen. Om grotere biomassa-opbrengsten te verkrijgen, zaaien producenten land vaak met een specifieke plant. Deze praktijk is niet erg goed voor landbouwgrond, omdat monocultuur tot veranderingen in het milieu leidt.

Velden waar één type plant staat, worden meestal geteisterd door speciale soorten ongedierte.Een poging om ze te bestrijden met behulp van insecticiden en pesticiden leidt alleen maar tot de ontwikkeling van resistentie tegen deze middelen.

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 om lokale floravariëteiten te gebruiken.

Generaties alternatieve brandstoffen

Het brede scala aan plantaardige grondstoffen dat voor biomassa wordt gebruikt, is doorgaans verdeeld over meerdere generaties.

Eerste generatie. Tot deze categorie behoren landbouwgewassen die een hoog percentage zetmeel, suikers en vetten bevatten. Dit zijn populaire planten als maïs, suikerbieten, koolzaad en sojabonen.

Omdat het verbouwen van deze gewassen het klimaat schaadt en het uit de handel nemen ervan de voedselprijzen beïnvloedt, proberen wetenschappers ze te vervangen door andere soorten biomassa.

Bijna alle soorten moderne vloeibare brandstoffen (biodiesel, ethanol) worden momenteel geproduceerd uit landbouwbedrijven die tot de eerste generatie grondstoffen behoren.

Tweede generatie. De biomassagroep omvat hout, gras en landbouwafval (schelpen, schillen). Het produceren van biobrandstof uit dergelijke grondstoffen is duur, maar maakt het mogelijk het probleem van het recyclen van non-foodresten op te lossen met de gelijktijdige productie van brandbare materialen.

Een kenmerk van de gewassen in deze variëteit is de aanwezigheid van lignine en cellulose daarin. Dankzij hen kan biomassa worden verbrand en vergast, maar ook worden onderworpen aan pyrolyse om vloeibare brandstof te produceren.

Het belangrijkste nadeel van biomassa van de tweede generatie is het onvoldoende rendement per oppervlakte-eenheid. Daarom moeten aanzienlijke landvoorraden worden toegewezen voor dergelijke gewassen.

Derde generatie. De grondstof voor de productie van biobrandstof zijn algen, die op industriële schaal worden gekweekt, bijvoorbeeld in open reservoirs.

De meest veelbelovende optie wordt beschouwd als biobrandstof verkregen uit eencellige algen. Dergelijke planten worden snel zwaarder en hebben geen vruchtbare grond nodig om ze te laten groeien.

Deze praktijk is veelbelovend, maar momenteel worden dergelijke technologieën alleen maar ontwikkeld. Wetenschappers doen ook onderzoek naar technieken die het mogelijk maken om biobrandstoffen van de vierde en zelfs vijfde generatie te verkrijgen.

Drie soorten biobrandstoffen

Afhankelijk van de aggregatietoestand waarin de stof zich bevindt, zijn er drie hoofdtypen biobrandstoffen:

1. Stevig: brandhout, turf, dierlijk en landbouwafval.
2. Vloeistof: biodiesel, dimethylether, bio-ethanol, biobutanol.
3. Gasvormig: biogas, methaan, biowaterstof.

Elk type stof heeft zijn eigen specifieke kenmerken, die hieronder worden besproken.

Type #1: moeilijk

De meest populaire vaste soorten biologische brandstoffen zijn hout, turf en dierlijk afval.

Hout (brandhout, spaanders, zaagsel)

Een eeuwenoude soort biobrandstof is het bekende brandhout, dat al lang wordt gebruikt om huizen te verwarmen en voedsel te koken. Tot nu toe worden ze in verschillende landen actief gebruikt om warmte/elektriciteit op te wekken. Met name een grote Oostenrijkse thermische energiecentrale met een capaciteit van 66 megawatt werkt op hout.

Tegelijkertijd hebben dergelijke grondstoffen nadelen. De energiewaarde van brandhout is relatief laag: bij verbranding bezinkt een deel van de stof in de vorm van roet. Daarom moeten open haarden en kachels regelmatig worden schoongemaakt.Bovendien duurt het enige tijd om de houtreserves aan te vullen - nieuwe bomen zullen pas na 15-20 jaar groeien.

Een uitstekend alternatief voor conventioneel brandhout zijn pellets (korrels), voor de productie waarvan minderwaardig hout wordt gebruikt: schors, houtsnippers, geperst zaagsel, teef.

Pellets verkregen uit hout, turf en diverse afvalstoffen hebben verschillende kleuren. Lichte exemplaren worden gebruikt voor het stoken van open haarden en kachels, terwijl donkere exemplaren, met een hoog schorsgehalte, bedoeld zijn voor ketels op vaste brandstoffen

Voor de productie van brandstofpellets worden grondstoffen tot stof vermalen, dat vervolgens bij hoge temperaturen wordt gedroogd en geperst. Dankzij de lignine in hout wordt een kleverige massa gevormd, waaruit kleine cilinders met een lengte van 5-70 mm en een diameter van 6-10 mm worden gevormd.

Een modern alternatief voor traditioneel brandhout zijn vier-, zes- of achthoekige brandstofbriketten. Dit milieuvriendelijke materiaal heeft een hoge warmteoverdracht

U kunt de pelletproductie zelf opzetten door te maken druk op brandstofbriketten.

Houtsnippers behoren tot de populaire soorten biobrandstoffen, die vaak dienen als energiebron in Europese thermische energiecentrales. De productie van deze grondstoffen vindt plaats op houtkaplocaties of op speciale productielijnen uitgerust met shreddermachines.

Moeras- en bosbrandstofveen

Het is een veelgebruikt type biobrandstof dat al eeuwenlang voor huishoudelijke en industriële doeleinden wordt gebruikt. Turf is een laag mos die in moerasomstandigheden nog niet volledig is afgebroken en die in veel landen over de hele wereld wordt gewonnen: Rusland, Wit-Rusland, Canada, Zweden, Indonesië en andere.

Turf, dat 50-60% koolstof bevat, wordt beschouwd als een populair gashoudend materiaal. Deze waardevolle grondstof kan niet alleen als brandstof worden gebruikt, maar ook als meststof of warmte-isolator.

Om het productieproces te faciliteren wordt biomassa veelal op de winlocatie verwerkt. Het proces bestaat uit het reinigen (zeven) van de grondstoffen van vreemde insluitsels, gevolgd door drogen en vormen tot briketten of korrels.

Brandstof uit landbouwafval

In de landbouwproductie hoopt zich in de regel een groot aantal verschillende plantaardige afvalstoffen op: buitenste schillen van planten, notendoppen, stro.

Dergelijke grondstoffen kunnen ook worden geperst en gegranuleerd, waardoor brandstofpellets worden geproduceerd waarvan de kenmerken vrijwel niet verschillen van pellets gemaakt van houtbiomassa.

Biobrandstoffen van dierlijke oorsprong

Samen met brandhout begonnen mensen in de oudheid 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 biobrandstof te verkrijgen die volledig vrij zijn van onaangename geuren.

Lange tijd gebruikten nomadische volkeren gedroogde mest van paarden, kamelen en vee als brandstof. Momenteel wordt biobrandstof geproduceerd uit huisdierafval in de vorm van briketten of pellets

Omdat veeafval momenteel op industriële schaal wordt verzameld, lost de productie van brandstof daaruit tegelijkertijd het probleem van de verwijdering ervan op.

Type #2: vloeistof

Vloeibare biobrandstoffen, die veilig en milieuvriendelijk zijn, worden meestal gebruikt als vervanging voor benzine en andere soortgelijke producten.De meest voorkomende opties zijn bio-ethanol, biomethanol, biobutanol, biodiesel en dimethylether.

Bio-ethanol uit plantaardige gewassen

Het is een veel voorkomende vloeibare biobrandstof die wordt gebruikt om auto's van brandstof te voorzien. Hoewel de pure stof niet als brandstof wordt gebruikt, helpt de toevoeging ervan aan benzine de motorprestaties te verbeteren, het vermogen te vergroten, de motorverwarming onder controle te houden en de uitlaatemissies te verminderen.

Veel benzinestations in Europa, Azië, Noord- en Zuid-Amerika bieden niet alleen traditionele brandstof aan, maar ook verschillende soorten biobrandstof, voornamelijk mengsels die bio-ethanol bevatten

Ook bio-ethanol werd gewaardeerd door haardliefhebbers. Deze stof heeft een goede warmteoverdracht; bovendien ontstaat er bij verbranding geen roet of rook en wordt de hoeveelheid vrijkomende kooldioxide geminimaliseerd.

Dankzij deze eigenschappen kan de brandstof zelfs worden gebruikt om haarden in appartementsgebouwen te stoken. Lees meer over biobrandstof voor haarden in Dit artikel.

Bio-ethanol wordt geproduceerd uit grondstoffen van de eerste generatie die zetmeel of suiker bevatten. Granen, maïs, suikerriet en bieten worden verwerkt met behulp van alcoholfermentatietechnologie.

Biobutanol voor het tanken van auto's

Biobutanol is een biologisch afgeleide analoog van butanol. Het is een kleurloze vloeistof met een karakteristieke geur en wordt veel gebruikt als chemische grondstof in de industrie, maar kan ook worden gebruikt als transportbrandstof.

De energie-intensiteit van butanol ligt dicht bij die van benzine, wat het mogelijk maakt deze laatste gedeeltelijk te vervangen in brandstofcellen. In tegenstelling tot bio-ethanol kan biobutanol zelfstandig worden gebruikt, zonder toevoeging van traditionele brandstoffen.

De grondstoffen voor de productie van deze biosubstantie zijn een grote verscheidenheid aan planten: bieten, cassave, tarwe, maïs.

Dimethylether (C₂H₆O)

Het is bovendien een milieuvriendelijke brandstof. Bij verbranding zitten er geen zwavelverbindingen in de uitlaatgassen en is het gehalte aan stikstofverbindingen 90% lager dan bij de verbranding van benzine.

Dimethylether kan zonder speciale filters worden gebruikt, maar er moeten fundamentele wijzigingen worden aangebracht in het ontwerp van de auto (aandrijfsysteem, motorontsteking).

Dimethylether wordt beschouwd als een veelbelovende optie voor autobrandstof. Auto's met motoren die voor deze brandstof zijn ontworpen, worden ontwikkeld door grote bedrijven als Volvo, SAIC Motor, KAMAZ en Nissan

In auto's die zijn uitgerust met LPG-motoren kunt u zonder enige aanpassing een combinatiebrandstof met 30% dimethylether gebruiken.

Vloeibare brandstof kan worden geproduceerd uit verschillende grondstoffen: aardgas, steenkoolstof, biomassa en vooral uit pulp- en papierproductieresten, die onder lage druk worden omgezet in vloeistof.

Biomethanol uit eencellige algen

Deze stof is een analoog van gewone methanol, die veel wordt gebruikt voor de productie van een aantal chemische verbindingen (azijnzuur, formaldehyde), en ook wordt gebruikt als antivries en oplosmiddel.

De kwestie van de productie van dit type biobrandstof kwam voor het eerst ter sprake in de jaren tachtig, toen een groep wetenschappers voorstelde een vloeibare substantie te produceren door de biochemische transformatie van marien fytoplankton, dat in speciale reservoirs zou worden verbouwd.

Biomethanol heeft een aantal potentiële voordelen:

• hoge energie-efficiëntie — 14 voor de productie van methaan, 7 voor de productie van methanol;
• uitstekende fytoplanktonproductiviteit — tot 100 ton per hectare per jaar;
• niet veeleisende eencellige organismen, voor de teelt waarvan zoet water en vruchtbare gronden niet nodig zijn;
• behoud van agrarische hulpbronnen, aangezien fytoplankton wordt gekweekt in vijvers of zeebaaien.

Hoewel de industriële productie van biomethanol nog niet is gerealiseerd, is er momenteel voortdurend onderzoek en ontwikkeling van technologieën gaande om de productie van dit soort alternatieve brandstoffen te ontwikkelen.

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 in 28 dagen vrijwel volledig in de grond en heeft bovendien een relatief hoog (<100) vlampunt.

Biodiesel vermindert het percentage schadelijke gassen en verlengt bovendien de levensduur van de motor, omdat deze smerende componenten bevat.

De brandstof wordt gebruikt voor het bijtanken van automotoren, zowel zelfstandig als in combinatie met conventionele brandstof. Er moet alleen rekening worden gehouden met de korte houdbaarheid van de biologische stof: na drie maanden begint de biologische stof te ontbinden met volledig verlies van eigenschappen.

Voor biodiesel is in de EU-landen een speciale norm EN14214 aangenomen. In een aantal landen is ook de EN590-norm van kracht, waardoor toevoeging van 5% biodiesel aan andere brandstoffen mogelijk is.

Type #3: gasvormig

De belangrijkste soorten gasvormige biologische brandstoffen zijn biogas en biowaterstof.

Biogas als vervanger van aardgas

Biogas is een vrijwel volledig analoog van aardgas: het bevat 13-50% CO_2, 49-87% methaan, evenals H-onzuiverheden₂ en H₂S.Als deze stof uit kooldioxide wordt gezuiverd, kan biomethaan worden verkregen.

Gasvormige biobrandstof wordt geproduceerd uit biomassa door waterstof- of methaanfermentatie. Dit laatste wordt veroorzaakt door drie soorten micro-organismen: eerst wordt de grondstof blootgesteld aan hydrolytische bacteriën, die vervolgens worden vervangen door zuurvormende en methaanvormende microben.

De productie van biogas kan worden uitgevoerd met behulp van industriële en ambachtelijke apparaten. De meest voorkomende productiemethode is aerobe vergisting in vergisters.

Als grondstof kunnen allerlei materialen worden gebruikt: kuilvoer, mest, algen, afvalwater, strooisel, fecaliënresten, huishoudelijk afval. De uitgangsstof wordt in homogene toestand gebracht, waarna deze met behulp van een lader in de reactor wordt geplaatst.

Daar wordt een comfortabele temperatuur van +35-38°C gehandhaafd, noodzakelijk voor het proces van methaanfermentatie.

De grondstof wordt voortdurend gemengd, terwijl het resulterende gasvormige product wordt afgevoerd naar een gashouder (opslageenheid), vanwaar het de elektrische generator binnengaat.

Meer informatie over het winnen van biogas uit mest en het opzetten van een biogasinstallatie vindt u in de artikelen:

1. Hoe u thuis biobrandstof met uw eigen handen kunt maken uit mest
2. Doe-het-zelf biogasinstallatie voor een privéwoning: aanbevelingen voor het apparaat en een voorbeeld van het regelen van een zelfgemaakt product

Biowaterstof verkregen door chemische methode

Een type gasvormige biobrandstof, analoog aan conventionele waterstof, wordt met behulp van biochemische of thermochemische methoden uit biomassa gewonnen.

Bij de thermochemische methode worden bereide grondstoffen (bijvoorbeeld houtafval) zonder zuurstof verwarmd tot een temperatuur van 500–800 °C, waarbij H-gassen vrijkomen₂,CO,CH₄.

Een veelbelovende methode voor de productie van biowaterstof is bioftolyse. In dit geval wordt het gas geproduceerd met behulp van algen, die in zeewater, rioolwater, worden geplaatst

Bij de biochemische methode worden de grondstoffen onder comfortabele omstandigheden gehouden bij normale druk en een temperatuur van ongeveer 30°C.

In de biomassa worden speciale micro-organismen Enterobacter cloacae en Rodobacter periodes geïntroduceerd, die het oorspronkelijke product afbreken, waarbij waterstof vrijkomt. Om de productie met behulp van polysachariden te versnellen, kunnen enzymen worden toegevoegd.

Conclusies en nuttige video over het onderwerp

In de onderstaande video kun je het proces zien van het maken van een populair type biobrandstof: houtbriketten:

Soorten biologische brandstoffen verschillen niet alleen in hun aggregatietoestand, maar ook in hun kenmerken. Bij het kiezen van dergelijke materialen moet rekening worden gehouden met het beoogde gebruik, de effectiviteit, functionele eigenschappen en kosten.

Heeft u ervaring met het gebruik van alternatieve brandstof? Of heeft u vragen over biobrandstoffen? Reageer op het bericht en neem deel aan discussies. Het feedbackblok bevindt zich hieronder.