Druhy biopaliv: srovnání vlastností pevných, kapalných a plynných paliv

Alternativou k tradičním energetickým zdrojům jsou různé druhy biopaliv, při jejichž výrobě se využívají rostlinné nebo živočišné suroviny, průmyslové odpady a výsledky životně důležité činnosti organismů.

Nabízíme porozumět výhodám a nevýhodám použití takového paliva, zjistit výrobní vlastnosti, funkční vlastnosti a také zhodnotit efektivitu použití různých druhů biologického paliva. Uvedené informace vám pomohou orientovat se při výběru alternativních zdrojů energetických zdrojů.

Co je to biopalivo

Nejslibnějším směrem v energetice jsou technologie, které zahrnují využívání obnovitelných zdrojů, mezi které patří biologické palivo.

Nejběžnějším typem biologického paliva je obyčejné palivové dřevo. K vytápění a vaření je používá 38 % světové populace

Jako surovinu pro jeho výrobu můžete odebírat biomasu rostlinného/živočišného původu včetně průmyslového odpadu nebo živočišného odpadu.

Zpracování těchto látek se provádí termochemickými nebo biologickými metodami, v druhém případě se palivo získává pomocí různých typů mikroorganismů.

Podíl využívání biologických paliv neustále roste, což přispívá k zachování zdrojů fosilních uhlovodíků (+)

Mnoho zemí má speciální programy na zvýšení podílu biopaliv na národní a regionální spotřebě energie. Řada států má také povinné normy pro využívání tohoto zdroje energie.

Výhody a nevýhody biopaliv

Biologická paliva mají své kladné i záporné stránky. Zájem o použití tohoto druhu suroviny je způsoben jeho nepochybnými výhodami.

Tyto zahrnují:

• Rozpočtové náklady. Přestože jsou v současnosti ceny biopaliv téměř stejné jako cena benzínu, biologické látky jsou považovány za výhodnější druh paliva, protože při spalování produkují méně emisí. Biopalivo je vhodné pro použití v různých podmínkách a lze jej přizpůsobit motorům různých konstrukcí. Další výhodou je optimalizace chodu motoru, který díky malému množství sazí a výfukových plynů zůstává déle čistý.
• Mobilita. Biologické palivo se od ostatních alternativních zdrojů energie liší svou přenosností. Solární a větrné instalace obvykle obsahují těžké baterie, takže se nejčastěji používají trvale, zatímco biopaliva lze bez větších potíží přepravovat z jednoho regionu do druhého.
• Obnovitelný zdroj energie. Ačkoli vědci věří, že stávající ložiska ropy vydrží nejméně několik set let, fosilní zásoby jsou stále omezené. Biopaliva, vyráběná z rostlinných a živočišných odpadů, patří k obnovitelným zdrojům, kterým v dohledné době nehrozí zánik.
• Ochrana zemské atmosféry. Velkou nevýhodou tradičních uhlovodíků je vysoké procento CO₂, který se uvolňuje při hoření. Tento plyn vytváří v atmosféře naší planety skleníkový efekt a vytváří podmínky pro globální oteplování. Při spalování biologických látek se množství oxidu uhličitého sníží na 65 %. Kromě toho plodiny používané při výrobě biopaliv spotřebovávají oxid uhelnatý, čímž se snižuje jeho podíl v ovzduší.
• Ekonomické zabezpečení. Zásoby uhlovodíků jsou rozmístěny nerovnoměrně, takže některé státy jsou nuceny nakupovat ropu nebo zemní plyn a utrácet velké množství peněz na získávání, přepravu a skladování. Různé druhy biologického paliva lze vyrábět téměř v každé zemi. Vzhledem k tomu, že jeho výroba a zpracování bude vyžadovat vytvoření nových podniků, a tím i pracovních míst, bude to přínosem pro národní hospodářství a bude mít pozitivní dopad na blahobyt lidí.

Zlepšení technologie a vývoj nových metod může zvýšit pozitivní účinky biopaliv. Vývoj technologií využívajících plankton a řasy tedy výrazně sníží jeho cenu.

Zároveň je v současné fázi rozvoje vědy a techniky výroba biopaliv spojena s řadou obtíží a nepříjemností. V první řadě jsou to přirozená omezení při pěstování rostlin.

Pro růst plodin používaných pro produkci biomasy je třeba vzít v úvahu řadu faktorů, a to:

• Spotřeba vody. Zemědělské rostliny spotřebují hodně vody, což je omezený zdroj, zejména v suchých oblastech.
• Invazivita. Plodiny pěstované jako palivo jsou často agresivní.Udusí autentickou flóru, což může způsobit utrpení biologické rozmanitosti a ekosystému regionu.
• Hnojiva. Mnoho rostlin vyžaduje k růstu další živiny, které mohou poškodit jiné plodiny nebo celý ekosystém.
• Podnebí. Některé klimatické zóny (například poušť nebo tundra) nejsou vhodné pro pěstování plodin na biopaliva.

S aktivním pěstováním zemědělských rostlin souvisí i vyčerpávání zemědělských zdrojů, nedodržování pravidel zemědělské techniky může vést ke snížení obsahu užitečných půdních složek a v důsledku toho k jejich vyčerpání, což bude zhoršovat problém s jídlem.

Ekosystém je narušen. Produkce biomasy obvykle vyžaduje rozšíření zemědělských ploch.

Často je za tímto účelem území vyčištěno, což vede ke zničení mikroekosystému (například lesů), smrti rostlin a zvířat.

Na výrobu biopaliv se již pěstuje velké množství plodin. Více než 50 % řepkového semene vyprodukovaného v Evropě, více než třetina amerického obilí a téměř polovina cukrové třtiny pěstované v Brazílii se používá k produkci biomasy.

Problémy nastávají s pěstováním monokultur. Pro získání větších výnosů biomasy výrobci často osévají půdu konkrétní rostlinou. Tato praxe není pro zemědělskou půdu příliš dobrá, protože monokultura vede ke změnám životního prostředí.

Pole obsazená jedním druhem rostlin bývají napadena speciálními druhy škůdců.Pokus bojovat proti nim pomocí insekticidů a pesticidů vede pouze k rozvoji rezistence vůči těmto činitelům.

Aby se předešlo výše popsaným problémům, vědci radí nezanedbávat biologickou rozmanitost plodin kombinováním několika rostlin na polích a také používat místní odrůdy flóry.

Generace alternativních paliv

Široká škála rostlinných surovin používaných pro biomasu je obvykle rozdělena do několika generací.

První generace. Tato kategorie zahrnuje zemědělské plodiny, které obsahují vysoké procento škrobu, cukrů a tuků. Jsou to oblíbené rostliny jako kukuřice, cukrová řepa, řepka a sója.

Protože pěstování těchto plodin poškozuje klima a jejich odstranění z trhu ovlivňuje ceny potravin, snaží se je vědci nahradit jinými druhy biomasy.

Téměř všechny druhy moderních kapalných paliv (bionafta, etanol) jsou v současnosti vyráběny ze zemědělských rostlin patřících k surovinám první generace.

Druhá generace. Do skupiny biomasy patří dřevo, tráva a zemědělský odpad (skořápky, slupky). Výroba biopaliva z takových surovin je nákladná, ale umožňuje řešit otázku recyklace nepotravinářských zbytků se současnou výrobou hořlavých materiálů.

Charakteristickým rysem plodin obsažených v této odrůdě je přítomnost ligninu a celulózy v nich. Díky nim lze biomasu spalovat a zplyňovat a také podrobovat pyrolýze k výrobě kapalného paliva.

Za hlavní nevýhodu biomasy druhé generace je považována nedostatečná návratnost na jednotku plochy, proto je pro tyto plodiny nutné alokovat značné půdní zdroje.

Třetí generace. Surovinou pro výrobu biopaliva jsou řasy, které se v průmyslovém měřítku pěstují například v otevřených nádržích.

Za nejslibnější možnost se považují biopaliva získaná z jednobuněčných řas. Takové rostliny rychle přibývají na váze a k jejich pěstování nevyžadují úrodnou půdu.

Tato praxe má velký příslib, ale v současné době se takové technologie teprve vyvíjejí. Vědci také provádějí výzkum s cílem vytvořit techniky, které umožňují získat biopaliva čtvrté a dokonce páté generace.

Tři druhy biopaliv

V závislosti na stavu agregace látky existují tři hlavní typy biopaliv:

1. Pevný: palivové dříví, rašelina, živočišný a zemědělský odpad.
2. Kapalina: bionafta, dimethylether, bioethanol, biobutanol.
3. Plynný: bioplyn, metan, biovodík.

Každý typ látky má svá specifika, o kterých bude řeč níže.

Typ #1: tvrdý

Mezi nejoblíbenější pevné druhy biologického paliva patří dřevo, rašelina a živočišný odpad.

Dřevo (palivové dřevo, třísky, piliny)

Starobylým druhem biopaliva je známé palivové dřevo, které se odedávna používá k vytápění domů a vaření jídel. Dosud jsou aktivně využívány v různých zemích k výrobě tepla/elektřiny, zejména velká rakouská tepelná elektrárna s výkonem 66 megawattů pracuje na dřevo.

Současně mají takové suroviny nevýhody. Energetická hodnota palivového dřeva je poměrně nízká: při spalování se část látky usazuje ve formě sazí, proto je potřeba krby a kamna pravidelně čistit.Navíc doplnění zásob dřeva trvá určitou dobu – nové stromy vyrostou až po 15–20 letech.

Výbornou alternativou ke klasickému palivovému dřevu jsou pelety (granule), k jejichž výrobě se používá nekvalitní dřevo: kůra, štěpka, lisované piliny, děvko.

Pelety získané ze dřeva, rašeliny a různých odpadů mají různé barvy. Světlé se používají k roztápění krbů a kamen, tmavé s vysokým obsahem kůry jsou určeny pro kotle na tuhá paliva.

Pro výrobu palivových pelet se suroviny melou na prach, který se následně suší a lisuje při vysokých teplotách. Díky ligninu obsaženému ve dřevě vzniká lepivá hmota, ze které se tvoří malé válečky o délce 5-70mm a průměru 6-10mm.

Moderní alternativou tradičního palivového dřeva jsou čtyř-, šesti- nebo osmihranné palivové brikety. Tento ekologický materiál má vysoký přenos tepla

Výrobu pelet si můžete nastavit sami výrobou lis na palivové brikety.

Mezi oblíbené druhy biopaliv patří dřevní štěpka, která často slouží jako zdroj energie v evropských tepelných elektrárnách. Výroba těchto surovin se provádí na těžebních místech nebo na speciálních výrobních linkách vybavených drtícími stroji.

Bažina a lesní palivová rašelina

Jde o běžný typ biopaliva, který se po staletí používá pro domácí i průmyslové účely. Rašelina je vrstva mechu, která se v bažinatých podmínkách zcela nerozložila a těží se v mnoha zemích světa: v Rusku, Bělorusku, Kanadě, Švédsku, Indonésii a dalších.

Rašelina, obsahující 50-60% uhlíku, je považována za oblíbený plynonosný materiál. Tuto cennou surovinu lze využít nejen jako palivo, ale také jako hnojivo nebo tepelný izolant.

Pro usnadnění výrobního procesu se biomasa obvykle zpracovává na místě těžby. Proces sestává z čištění (prosévání) surovin od cizích vměstků, následuje sušení a formování do briket nebo granulí.

Palivo ze zemědělského odpadu

V zemědělské výrobě se zpravidla hromadí velké množství různých rostlinných odpadů: vnější slupky rostlin, ořechové skořápky, sláma.

Takové suroviny lze také lisovat a granulovat za vzniku palivových pelet, jejichž vlastnosti se prakticky neliší od pelet vyrobených z dřevní biomasy.

Biopaliva živočišného původu

Spolu s palivovým dřevem se v dávných dobách začalo používat palivo živočišného původu, a to trus - sušený trus domácích zvířat. Moderní technologie pro sušení a zpracování takových surovin umožňují získat pevné odrůdy biopaliv, které jsou zcela bez nepříjemného zápachu.

Po dlouhou dobu kočovné národy používaly jako palivo sušený hnůj od koní, velbloudů a dobytka. V současné době se biopalivo vyrábí z odpadu domácích zvířat ve formě briket nebo pelet

Vzhledem k tomu, že se v současné době hromadí odpad z hospodářských zvířat v průmyslovém měřítku, výroba paliva z něj zároveň řeší otázku jeho likvidace.

Typ #2: kapalina

Kapalná biopaliva, která jsou bezpečná a ekologická, se většinou používají jako náhrada benzínu a dalších podobných produktů.Mezi nejběžnější možnosti patří bioetanol, biometanol, biobutanol, bionafta a dimethylether.

Bioetanol z rostlinných plodin

Jde o běžné kapalné biopalivo používané k pohonu automobilů. Přestože se čistá látka nepoužívá jako palivo, její přidání do benzínu pomáhá zlepšit výkon motoru, zvýšit jeho výkon, regulovat zahřívání motoru a snížit emise výfukových plynů.

Mnoho čerpacích stanic v Evropě, Asii, Severní a Jižní Americe nabízí nejen tradiční palivo, ale také různé druhy biopaliv, především směsi obsahující bioetanol

Bioetanol ocenili i milovníci krbů. Tato látka má dobrý přenos tepla, navíc při hoření nevznikají saze ani kouř a je minimalizováno množství uvolňovaného oxidu uhličitého.

Díky těmto vlastnostem lze palivo použít i k roztápění topenišť v bytových domech. Přečtěte si více o biopalivech pro krby v tento článek.

Bioetanol se vyrábí ze surovin první generace obsahujících škrob nebo cukr. Obiloviny, kukuřice, cukrová třtina a řepa se zpracovávají technologií alkoholového kvašení.

Biobutanol pro tankování automobilů

Biobutanol je biologicky odvozený analog butanolu. Bezbarvá kapalina s charakteristickým zápachem, je široce používána jako chemická surovina v průmyslu a může být také použita jako dopravní palivo.

Energetická náročnost butanolu se blíží benzinu, což umožňuje jeho částečnou náhradu v palivových článcích. Na rozdíl od bioetanolu lze biobutanol používat samostatně, bez přidávání tradičních druhů paliva.

Surovinou pro výrobu této biolátky je široká škála rostlin: řepa, maniok, pšenice, kukuřice.

Dimethylether (C₂H₆Ó)

Je to také ekologické palivo. Při jeho spalování nejsou ve výfukových plynech žádné sloučeniny síry a obsah sloučenin dusíku je o 90 % nižší než při spalování benzínu.

Dimetyléter lze používat bez speciálních filtrů, ale je třeba provést zásadní změny v konstrukci vozu (pohonný systém, zapalování motoru).

Dimethylether je považován za slibnou možnost pro automobilové palivo. Vozy s motory určenými na toto palivo vyvíjejí tak velké společnosti jako Volvo, SAIC Motor, KAMAZ, Nissan

Bez jakýchkoliv úprav můžete používat kombinované palivo s obsahem 30 % dimethyletheru ve vozech, které jsou vybaveny motory na LPG.

Kapalné palivo lze vyrábět z různých surovin: zemního plynu, uhelného prachu, biomasy a především ze zbytků výroby buničiny a papíru, které se pod nízkým tlakem přeměňují na kapalinu.

Biometanol z jednobuněčných řas

Tato látka je analogem běžného metanolu, který se široce používá k výrobě řady chemických sloučenin (kyselina octová, formaldehyd) a používá se také jako nemrznoucí směs a rozpouštědlo.

Otázka výroby tohoto typu biopaliva byla poprvé nastolena v 80. letech 20. století, kdy skupina vědců navrhla výrobu kapalné látky biochemickou transformací mořského fytoplanktonu, která by se pěstovala ve speciálních nádržích.

Biometanol má řadu potenciálních výhod:

• vysoká energetická účinnost — 14 na výrobu metanu, 7 na výrobu metanolu;
• vynikající produktivita fytoplanktonu — až 100 tun na hektar za rok;
• nenáročné jednobuněčné organismy, pro jejichž pěstování není potřeba sladká voda a úrodná půda;
• zachování zemědělských zdrojů, protože fytoplankton se pěstuje v rybnících nebo mořských zátokách.

Přestože průmyslová výroba biometanolu ještě není zavedena, v současné době probíhá vytrvalý výzkum a vývoj technologií pro rozvoj výroby tohoto typu alternativního paliva.

Bionafta jako alternativa pohonných hmot

Jedná se o kapalné motorové biopalivo sestávající ze směsi esterů mastných kyselin. Látka je bezpečná pro lidi i zvířata, v zemi se téměř úplně rozloží za 28 dní a má také poměrně vysoký (<100) bod vzplanutí.

Bionafta snižuje procento škodlivých emisí plynů a také prodlužuje životnost motoru, protože obsahuje mazací složky.

Palivo se používá k tankování motorů automobilů, a to jak samostatně, tak v kombinaci s klasickým palivem. Je třeba vzít v úvahu pouze krátkou trvanlivost biologické látky: po třech měsících se biologická látka začne rozkládat s úplnou ztrátou vlastností.

Pro bionaftu byla v zemích EU přijata speciální norma EN14214. V řadě zemí platí také norma EN590, která umožňuje přidávání 5 % bionafty do jiných paliv.

Typ #3: plynný

Mezi hlavní typy plynných biologických paliv patří bioplyn a biovodík.

Bioplyn jako náhrada zemního plynu

Bioplyn je téměř úplným analogem zemního plynu: obsahuje 13-50 % CO_2, 49-87% metanu, stejně jako H nečistoty₂ a H₂S.Pokud se tato látka čistí od oxidu uhličitého, lze získat biometan.

Plynné biopalivo se vyrábí z biomasy vodíkovou nebo metanovou fermentací. Ten je způsoben třemi typy mikroorganismů: zaprvé je surovina vystavena hydrolytickým bakteriím, které jsou následně nahrazeny kyselinotvornými a metanotvornými mikroby.

Výroba bioplynu může být prováděna pomocí průmyslových a řemeslných zařízení. Nejběžnějším způsobem výroby je aerobní vyhnívání v metanových nádržích.

Jako suroviny lze použít různé materiály: siláž, hnůj, řasy, odpadní vody, stelivo, zbytky fekálií, domovní odpad. Výchozí látka se uvede do homogenního stavu, načež se pomocí nakladače umístí do reaktoru.

Tam se udržuje příjemná teplota +35-38°C, nezbytná pro proces kvašení metanu.

Surovina je neustále promíchávána, přičemž vzniklý plynný produkt je vypouštěn do plynojemu (zásobníku), odkud vstupuje do elektrického generátoru.

Více informací o získávání bioplynu z hnoje a zřízení bioplynové stanice je napsáno v článcích:

1. Jak vyrobit biopalivo vlastníma rukama z hnoje doma
2. Udělej si sám bioplynová stanice pro soukromý dům: doporučení pro zařízení a příklad uspořádání domácího produktu

Biovodík získaný chemickou metodou

Typ plynného biopaliva, který je analogem klasického vodíku, se získává z biomasy pomocí biochemických nebo termochemických metod.

Při termochemické metodě se připravené suroviny (například dřevěný odpad) zahřejí na teplotu 500–800 °C bez kyslíku, čímž se uvolňují plyny H₂,CO,CH₄.

Slibnou metodou výroby biovodíku je bioftolýza. V tomto případě se plyn vyrábí pomocí řas, které jsou umístěny v mořské vodě, odpadních vodách

Biochemickou metodou jsou suroviny uchovávány v komfortních podmínkách při normálním tlaku a teplotě přibližně 30°C.

Do biomasy jsou vnášeny speciální mikroorganismy Enterobacter cloacae a Rodobacter speriodes, které rozkládají původní produkt a uvolňují vodík. Pro urychlení výroby pomocí polysacharidů lze přidat enzymy.

Závěry a užitečné video k tématu

Na videu níže můžete vidět proces výroby oblíbeného typu biopaliva – dřevěných briket:

Druhy biologického paliva se liší nejen svým stavem agregace, ale také svými vlastnostmi. Při výběru takových materiálů je nutné vzít v úvahu jejich zamýšlené použití, účinnost, funkční vlastnosti a cenu.

Máte zkušenosti s používáním alternativních paliv? Nebo se chcete zeptat na otázky týkající se biopaliv? Prosím komentujte příspěvek a zapojte se do diskuzí. Blok zpětné vazby je umístěn níže.