В качестве замены обычным источникам энергии выступают различные типы биотоплива, производимые из растений, животных, промышленных отходов и продуктов жизнедеятельности организмов.
Рассмотрим плюсы и минусы использования данного вида топлива, его производство, рабочие характеристики и эффективность разнообразных биологических видов энергии. Эта информация поможет выбрать альтернативные источники энергии.
Что такое биологическое топливо
В энергетике наибольшие перспективы у технологий, работающих на возобновляемых источниках, в том числе на биологическом топливе.
Для изготовления этого продукта можно использовать растительную или животную биомассу, например, отходы с заводов или остатки жизнедеятельности животных.
Обработку этих веществ проводят термохимическим или биологическим способом, при этом топливо в последнем случае извлекают с помощью различных видов микроорганизмов.
В разных государствах реализуются программы, направленные на увеличение объёма биоэнергии в потреблении ресурсов. Некоторые страны установили обязательные стандарты применения такого вида топлива.
Достоинства и недостатки биотоплива
У биологических видов горючего имеются как плюсы, так и минусы. К использованию этого сырья привлекает несомненный набор преимуществ.
К ним относятся:
- Бюджетная стоимостьБиотопливо, хотя на данный момент по цене сопоставимо с бензином, более выгодно в плане экологичности, так как при горении выделяет меньше вредных веществ.
Имеет оно ряд преимуществ: пригодно для разных условий эксплуатации и может быть адаптировано к двигателям различного типа. Также оптимизирует работу мотора, который дольше остается чистым из-за меньшего количества сажи и выхлопных газов. - МобильностьБиологическое топливо отличается от других альтернативных источников энергии своей мобильностью. Солярные и ветряные установки обычно включают тяжелые аккумуляторные батареи, поэтому чаще всего используются стационарно, в то время как биогорючее можно легко перевезти из одного региона в другой.
- Возобновляемый источник энергииНесмотря на то, что по оценкам учёных запасы сырой нефти хватит как минимум на несколько сотен лет, ископаемые ресурсы всё-таки ограничены. Биотопливо, получаемое из растений и отходов жизнедеятельности животных, является возобновляемым ресурсом, которому в ближайшем будущем не грозит исчезновение.
- Охрана атмосферы землиТрадиционные углеводороды обладают большим процентом выбросов CO2. 2Этот газ выделяется при сжигании и создает парниковый эффект в атмосфере нашей планеты, способствуя глобальному потеплению. При сгорании биологических веществ количество углекислого газа снижается на 65%. Культуры, используемые для производства биотоплива, потребляют оксид углерода, уменьшая его долю в воздухе.
- Экономическая безопасностьНеравномерно распределенные запасы углеводородов заставляют некоторые государства покупать нефть или природный газ, затрачивая значительные средства на приобретение, транспортировку и хранение. Различные виды биологического горючего могут производиться практически в любой стране. Благодаря созданию новых предприятий для его изготовления и переработки появятся рабочие места, что благоприятно скажется на народном хозяйстве и повысит уровень благосостояния населения.
Развитие технологий и новых методик усилит благотворное влияние биотоплива. Например, технологии с применением планктона и водорослей смогут существенно сократить его стоимость.
В настоящее время создание биотоплива сталкивается с трудностями из-за ограничений в растительном производстве.
Для выращивания культур, применяемых для получения биомассы, важно обращать внимание на несколько факторов.
- ВодопользованиеРастения, выращиваемые в сельском хозяйстве, нуждаются во многой воде, которая является дефицитным ресурсом, особенно в aridных регионах.
- ИнвазивностьКультуры, выращиваемые для топлива, часто агрессивны.
- УдобренияМногим растениям для роста нужны дополнительные питательные вещества, что может негативно сказаться на других культурах и на экологической системе в целом.
- Климат.Некоторые климатические зоны, например пустыня или тундра, непригодны для возделывания биотопливных растений.
Растениеводство, интенсивно развивающееся в сельском хозяйстве, ведет к истощению земледельческих ресурсов. Несоблюдение правил агротехники может снизить содержание полезных компонентов почв и привести к их истощению, что усугубит продовольственную проблему.
Экосистема страдает от нарушения. Чтобы производить биомассу, часто увеличивают площади, отведенные под земледелие.
Иногда для достижения этой цели очищают территорию, из-за чего страдают микроэкосистемы (к примеру, леса), погибают растения и животные.
Выращивание одних и тех же растений на больших площадях создает проблемы. Чтобы получить больший урожай биомассы, производители часто сеют землю одним видом растения. Такой подход негативно влияет на состояние земель, поскольку монокультура изменяет окружающую среду.
На полях, засеянных одним видом культуры, часто появляются специальные виды вредителей. Борьба с ними с помощью химикатов провоцирует формирование устойчивости к этим веществам.
Для предотвращения перечисленных трудностей учёные рекомендуют не игнорировать разнообразие культур, возделывая на одном поле несколько растений, и применять сортовые виды местного происхождения.
Поколения альтернативного горючего
Разнообразные виды растений, применяемые для получения биомассы, можно классифицировать по поколениям.
Первое поколениеК этой категории относят сельскохозяйственные культуры с высоким содержанием крахмала, сахаров и жиров, например, кукурузу, сахарную свеклу, рапс и сою.
Учёные ищут замены для культур, вредных для климата, так как их выведение с рынка сказывается на стоимости продовольствия.
Второе поколениеВ состав биомассы входят древесина, трава и сельскохозяйственные отходы (скорлупа, шелуха). Изготовление биотоплива из такого сырья обходится дорого, но дает возможность решить задачу утилизации непищевых остатков при одновременном создании горючих материалов.
Культуры этого типа выделяются наличием лигнина и целлюлозы. За счёт этого биомассу можно сжигать, газифицировать и подвергать пиролизу для получения жидкого топлива.
К недостаткам биомассы второго поколения относится малая производительность с единицы площади, что требует для выращивания больших земель.
Третье поколениеДля изготовления биотоплива используют водоросли, культивируемые на крупных предприятиях, например, в естественных водоёмах.
Эта практика очень перспективна, но пока что такие технологии лишь разрабатываются. Ученые ещё исследуют способы производства биотоплива четвёртого и даже пятого поколений.
Три разновидности биотоплива
В зависимости от агрегатного состояния вещества выделяют три основных типа биотоплив.
- ТвердоеДрова, торф, бытовые отходы животных и сельского хозяйства.
- ЖидкоеБиодизель, диметиловый эфир, биоэтанол, биобутанол.
- Газообразные: биогаз, метан, биоводород.
Каждому типу веществам свойственны определённые особенности.
Тип #1: твердое
Среди востребованных твердых видов биотоплива — древесина, торф и отходы животного происхождения.
Древесина (дрова, щепа, опилки)
Хорошо знакомые всем дрова являются древним видом биотоплива, применяемым с давних пор для обогрева домов и приготовления пищи. По сей день их активно используют в разных странах для получения тепловой и электрической энергии. В частности, на дровах работает крупная австрийская теплоэлектростанция мощностью 66 мегаватт.
У такого сырья есть минусы. Дрова обладают небольшой энергетической ценностью: при горении часть вещества превращается в сажу, поэтому камины и печи нужно часто чистить. Также для восполнения запасов древесины необходимо время — новые деревья вырастают только через 15-20 лет.
Хорошим заменителем традиционных дров служат топливные гранулы, изготовленные из остатков древесины. прессованные опилки, сучья.
Сырье для топливных пеллет перемалывают в пыль, после чего высушивают и прессуют при высоких температурах. Благодаря лигнину, содержащемуся в древесине, получается клейкая масса, из которой формируют цилиндрики длиной 5-70 мм и диаметром 6-10 мм.
Создание производства гранул возможно при самостоятельном изготовлении . пресс для топливных брикетов.
Древесная щепа — популярный вид биотоплива, используемый в европейских теплоэлектростанциях для выработки энергии. Производство этого сырья происходит на лесозаготовках или на заводах с установками шредерных машин.
Болотный и лесной топливный торф
Это популярное топливо, используемое домами и предприятиями на протяжении веков. Торф — это не полностью разложившийся в болоте слой мха, добыча которого распространена во многих странах: России, Беларуси, Канаде, Швеции, Индонезии и других.
Для упрощения производственного цикла биомассу обычно перерабатывают непосредственно при её извлечении. Эта операция включает очистку сырья от примесей (просеивание), а затем сушку и формирование в брикеты или гранулы.
Топливо из сельскохозяйственных отходов
В сельском хозяйстве образуется много разных растительных остатков: например, шелуха, скорлупа и солома.
Такое сырье возможно подвергнуть прессовке и гранулированию для получения топливных гранул, показатели которых почти идентичны характеристикам гранул, произведенных из древесной биомассы.
Биотопливо животного происхождения
Кроме дров с давних пор люди использовали топливо из животного происхождения: кизяки – высушенный навоз домашних животных. Современные методы сушки и переработки такого сырья дают твердые виды био топлива, полностью лишенные неприятного запаха.
Растущий объем отходов животноводства позволяет использовать его для производства топлива и тем самым решать проблему их вывоза.
Тип #2: жидкое
Жидкие виды биотоплива, безопасные и экологичные, часто заменяют бензин и другие подобные вещества. Среди наиболее популярных вариантов – биоэтанол, биометанол, биобутанол, биодизель, диметиловый эфир.
Биоэтанол из растительных культур
Это распространенное жидкое биотопливо для заправки автомобилей. Чистый продукт не используется как топливо, но добавка в бензин повышает работу двигателя, увеличивает его мощность, контролирует нагрев и снижает выбросы.
Любители каминов высоко оценили биоэтанол. Это вещество отличается хорошей теплоотдачей и при сгорании не производит сажу или дыма, а выделение углекислого газа минимально.
Благодаря таким свойствам топливо пригодно для использования даже при топке очага в многоквартирных домах. этой статье.
Производство биоэтанола основано на сырье первого поколения – крахмале или сахаре. Для его получения используют зерно, кукурузу, сахарный тростник и свеклу, обрабатывая их методом спиртового брожения.
Биобутанол для заправки автомобилей
Биобутанол — это вещество, полученное биологическим путем и являющееся аналогом бутанола. Безцветная жидкость с характерным запахом применяется в качестве сырья в промышленности и может использоваться как топливо.
Энергоёмкость бутанола приближена к бензину, позволяя частично его заменить в топливных элементах. В отличие от биоэтанола, биобутанол можно использовать отдельно, без примесей обычных видов топлива.
Для производства этого биовещества используют различные растения: свеклу, маниоку, пшеницу и кукурузу.
Диметиловый эфир (C2H6O)
Это топливо также безопасно для окружающей среды. При его сжигании в выхлопных газах нет соединений серы, и количество соединений азота на 90% меньше, чем при горении бензина.
Диметиловый эфир допускается к использованию без специфических фильтров, однако требуются радикальные модификации конструкции машины (системы подачи топлива, системы зажигания).
В машинах с газовыми двигателями допускается применение комбинированного топлива с 30%-ным содержанием диметилового эфира без доработок.
Жидкое топливо можно получать из разных материалов: природного газа, угля, растительной массы и, прежде всего, отходов деревообрабатывающей промышленности, превращающихся в жидкую форму под небольшим давлением.
Биометанол из одноклеточных водорослей
Это вещество подобно метанолу, который часто используют при создании различных химических веществ (уксусной кислоты и формальдегида) и применяют в качестве охлаждающей жидкости и растворителя.
Вопрос о производстве этого вида биотоплива возник в 1980-х годах. Группа учёных выдвинула предложение получать жидкое топливо путём биохимической трансформации морского фитопланктона, культивирование которого будет осуществляться в специально отведённых водоёмах.
Биометанол имеет ряд потенциальных преимуществ:
- высокую энергоотдачу — 14 при получении метана, 7 при выработке метанола;
- отличную продуктивность фитопланктона — до 100 тонн с гектара в год;
- нетребовательность одноклеточных организмовДля выращивания которым не требуется пресная вода и богатые земли;
- сохранение земледельческих ресурсовФитопланктон разводят в прудах и заливных районах морей.
Несмотря на то что массовое производство биометанола пока налажено слабо, ведется активная работа над технологиями его создания как топлива.
Биодизель как альтернатива транспортному горючему
Это жидкое моторное биотопливо, являющееся смесью эфиров жирных кислот. Вещество безопасно для людей и животных, практически полностью разлагается в земле за 28 дней, а также имеет относительно высокую (меньше 100) температуру возгорания.
Биодизель уменьшает количество выбросов загрязняющих веществ и увеличивает срок службы двигателя благодаря наличию смазывающих компонентов.
Горючее используют для заполнения топливных баков автомобилей как отдельно, так и совместно с традиционным топливом. Важно помнить о ограниченном сроке хранения биологического вещества: через три месяца начинается его разложение с полным исчезновением полезных свойств.
В Европейском союзе для биодизеля установлен стандарт EN14214. В некоторых странах действует также стандарт EN590, позволяющий добавлять до 5% биодизеля в другое топливо.
Тип #3: газообразное
К главным видам газообразного органического топлива относят биогаз и биоводород.
Биогаз как замена природного газа
Биогаз почти полностью идентичен природному газу, содержа в себе от 13 до 50% угарного газа. 2, 49-87% метана, а также примеси H2 и H2Очистив это вещество от углекислого газа, получится биометан.
Газообразное биотопливо получают из биомассы путём водородного или метанового брожения. Последнее происходит под действием трёх видов микроорганизмов: сначала сырье обрабатывают гидролизными бактериями, затем кислотообразующими, а после – метанообразующими микробами.
В качестве сырья можно использовать различные материалы: силос, навоз, водоросли, сточные воды, помет, фекальные остатки, бытовые отходы. Исходное вещество доводят до гомогенного состояния, затем погрузчиком помещают в реактор.
Там поддерживается комфортная температура от плюс тридцати пяти до плюс тридцать восемь градусов Цельсия, необходимая для проведения процесса метанового брожения.
Сырье непрерывно смешивают, выделяющийся газовый продукт направляют в газгольдер, а оттуда – в электрогенератор.
Информация о производстве биогаза из навоза и устройстве биогазовых установок представлена в статьях:
- Изготовление биоfuels из навоза дома
- Изготовление биогазовой установки для частного дома: советы по конструкции и пример самостоятельного изготовления.
Биоводород, полученный химическим методом
Из биомассы с применением биохимических или термохимических способов создаётся вид топлива, схожий по свойствам с обычным водородом.
При термохимическом методе сырьё (например, древесные отходы) нагревается до температуры 500—800 градусов Цельсия без доступа кислорода, в результате чего выделяются газы водородного состава. 2, CO, CH4.
При биохимическом способе сырье хранится в подходящих условиях при обычном давлении и температуре около тридцати градусов по Цельсию.
В биомассу вводят специальные микроорганизмы Enterobacter cloacae и Rodobacter speriodes, расщепляющие исходное вещество и выделяющие водород.
Выводы и полезное видео по теме
Этот ролик демонстрирует производство древесных брикетов, популярного вида биотоплива.
Виды биологического топлива отличаются как физическим состоянием, так и характеристиками.
При выборе таких материалов следует учитывать назначение, эффективность, свойства и цену.
Есть ли у вас опыт работы с альтернативным топливом? Хотите задать вопросы о биотопливе? Пожалуйста, оставляйте комментарии к публикации и участвуйте в дискуссии. Форма обратной связи расположена ниже.