Видове биогорива: сравнение на характеристиките на твърдо, течно и газообразно гориво

Алтернатива на традиционните енергийни ресурси са различни видове биогориво, за производството на които се използват растителни или животински суровини, промишлени отпадъци и резултати от жизнената дейност на организмите.

Предлагаме да се запознаете с предимствата и недостатъците на използването на такова гориво, да научите особеностите на производството, функционалните характеристики, както и да оцените ефективността на използването на различни видове биологично гориво. Представената информация ще помогне да се ориентирате в избора на алтернативни източници на енергийни ресурси.

Какво е биологично гориво

Най-перспективното направление в енергетиката са технологиите, които предвиждат използване на възобновяеми ресурси, към които се отнася и биологичното гориво.

Най-разпространеният вид биологично гориво са обикновените дърва. 38% от населението на Земята ги използва за отопление и приготвяне на храна

Като суровина за неговото производство може да се използва биомаса от растителен/животински произход, включително отпадъци от промишлени производства или остатъци от жизнената дейност на животните.

Обработката на такива вещества се извършва чрез термохимичен или биологичен метод, в последния случай горивото се получава с помощта на различни видове микроорганизми.

Делът на използване на биологичните видове гориво постоянно расте, което допринася за запазване на изкопаемите ресурси на въглеводороди (+)

В много страни действат специални програми за разширяване на дела на биогоривото в националното и регионалното енергопотребление. В редица държави съществуват също така задължителни норми за използване на този енергиен източник.

Предимства и недостатъци на биогоривото

Биологичните видове гориво имат своите положителни и отрицателни страни. Интересът към използването на този вид суровина е предизвикан от неговите несъмнени предимства.

Към тях се отнасят:

• Бюджетна цена. Въпреки че в момента цените на биогоривата почти съвпадат с тези на бензина, биологичните вещества се считат за по-изгоден вид гориво, тъй като при изгаряне дават по-малко емисии. Биогоривото е подходящо за използване в различни условия, като може да се адаптира към двигатели с различни конструкции. Друг плюс е оптимизацията на работата на мотора, който остава по-дълго чист поради малкото количество сажди и отработили газове.
• Мобилност. Биологичното гориво се отличава от другите варианти на алтернативни енергийни източници със своята мобилност. В конструкцията на соларните и вятърните инсталации обикновено влизат тежки акумулаторни батерии, поради което те най-често се използват стационарно, докато биогоривото може без особени проблеми да се транспортира от един регион в друг.
• Възобновяем енергиен източник. Въпреки че според изследователите съществуващите находища на суров петрол ще стигнат за поне няколкостотин години, изкопаемите запаси все пак са крайни. Биогоривото, произвеждано от растения и отпадъци от жизнената дейност на животни, се отнася към възобновяемите ресурси, на които в обозримо бъдеще не заплашва изчезване.
• Опазване на земната атмосфера. Голям недостатък на традиционните въглеводороди е големият процент CO₂, който се отделя при изгаряне. Този газ създава в атмосферата на нашата планета парников ефект, създавайки условия за глобално затопляне. При изгаряне на биологични вещества количеството въглероден диоксид се намалява до 65%. Освен това културите, използвани в производството на биогориво, консумират въглероден оксид, намалявайки неговия дял във въздуха.
• Икономическа сигурност. Запасите от въглеводороди са разпределени неравномерно, поради което част от държавите са принудени да закупуват петрол или природен газ, харчейки големи средства за придобиване, транспортиране и складиране. Различни видове биологично гориво могат да се получават в почти всяка страна. Тъй като за неговото производство и преработка ще е необходимо създаване на нови предприятия и съответно работни места, това ще донесе полза на народното стопанство и ще се отрази положително на благосъстоянието на хората.

Усъвършенстването на технологиите и развитието на нови методи ще може да засили положителния ефект на биогоривото. Така разработката на технологии с използване на планктон и водорасли ще позволи значително да се намали неговата цена.

В същото време на съвременния етап на развитие на науките и технологиите производството на биогориво е свързано с редица трудности и неудобства. На първо място, това са природните ограничения при отглеждане на растения.

За израстването на културите, използвани за производство на биомаса, трябва да се вземат предвид редица фактори, а именно:

• Водоползване. Селскостопанските растения консумират много вода, която е ограничен ресурс, особено в сухите места.
• Инвазивност. Културите, отглеждани за гориво, често са агресивни. Те заглушават автентичната флора, поради което може да пострада биоразнообразието и екосистемата на региона.
• Торове. За растежа на много растения е необходимо допълнително внасяне на хранителни вещества, които могат да навредят на други култури или на общата екосистема.
• Климат. Отделни климатични зони (например, пустиня или тундра) не са подходящи за отглеждане на биогоривни култури.

Активното отглеждане на селскостопански растения е свързано и с изтощаването на земеделските ресурси. Неспазването на правилата на агротехниката може да доведе до намаляване на съдържанието на полезни компоненти на почвите и, като следствие, до тяхното изтощаване, което ще предизвика изостряне на продоволствения проблем.

Нарушава се екосистемата. За производство на биомаса обикновено се изисква разширяване на териториите, заети в селското стопанство.

Често с тази цел се извършва разчистване на територия, което води до разрушаване на микроекосистемата (например, гора), гибел на растения и животни.

За производство на биогориво вече се отглежда голямо количество селскостопански култури. За производство на биомаса отиват повече от 50% от произвежданата в Европа рапица, повече от една трета от американското зърно, почти половината от отглежданата в Бразилия захарна тръстика.

Възникват проблеми с отглеждането на монокултури. За получаване на по-голяма реколта от биомаса производителите често засяват земите с определено растение. Подобна практика не се отразява много добре на състоянието на селскостопанските земи, тъй като монокултурата води до промяна на околната среда.

На полетата, заети с един вид растения, обикновено паразитират особени разновидности на вредители. Опитът за борба с тях с помощта на инсектициди и пестициди води само до изграждане на устойчивост към тези средства.

За да се избегнат описаните по-горе проблеми, учените съветват да не се пренебрегва биоразнообразието на културите, като се съчетават на полетата няколко растения, а също и да се използват местни сортове флора.

Поколения на алтернативното гориво

Широк асортимент растителна суровина, използвана за биомаса, е прието да се разделя на няколко поколения.

Първо поколение. Към тази категория се отнасят селскостопански култури, в които се съдържа висок процент нишесте, захари, мазнини. Това са такива популярни растения като царевица, захарно цвекло, рапица, соя.

Тъй като отглеждането на тези култури нанася щети на климата, а тяхното изтегляне от пазара влияе върху ценообразуването на продуктите, учените се опитват да ги заменят с други видове биомаса.

От селскостопански растения, отнасящи се към първо поколение суровина, в момента се произвеждат почти всички видове съвременно течно гориво (биодизел, етанол).

Второ поколение. В групата на биомасата влизат дървесина, трева, селскостопански отпадъци (черупки, люспи). Получаването на биогориво от такава суровина изисква големи разходи, но позволява да се реши въпросът с оползотворяването на нехранителни остатъци и едновременното производство на горими материали.

Особеност на културите, влизащи в този вид, е присъствието в тях на лигнин и целулоза. Благодарение на тях биомасата може да се изгаря и газифицира, както и да се подлага на пиролиза, като се получава течно гориво.

Основният недостатък на биомасата от второ поколение се счита за недостатъчната възвръщаемост от единица площ, поради което за такива култури се налага да се отделят значителни земни ресурси.

Трето поколение. Суровина за производство на биогориво служат водорасли, които се отглеждат в промишлени мащаби, например в открити водоеми.

Най-перспективният вариант се счита биогоривото, получавано от едноклетъчни водорасли. Такива растения бързо натрупват маса, като за тяхното отглеждане не се изискват плодородни земи.

Подобна практика има големи перспективи, но в момента такива технологии само се разработват. Учените също водят изследвания за създаване на методи, позволяващи да се получи биогориво от четвърто и дори пето поколение.

Три разновидности на биогоривото

В зависимост от това, в какво агрегатно състояние се намира веществото, се различават три основни типа биогориво:

1. Твърдо: дърва, торф, отпадъци от жизнедейността на животните и селскостопанското производство.
2. Течно: биодизел, диметилов етер, биоетанол, биобутанол.
3. Газообразни: биогаз, метан, биоводород.

Всеки тип вещества има своя специфика, за която ще стане дума по-долу.

Тип #1: твърдо

Към най-популярните твърди разновидности на биологичното гориво се отнасят дървесина, торф, отпадъци от жизнедейността на животните.

Дървесина (дърва, трески, стърготини)

Древен вид биогориво са добре познатите на всички дърва, които отдавна се използват за отопление на домове и приготвяне на храна. Все още те активно се използват в различни страни за получаване на топлинна/електрическа енергия, по-специално на дърва работи голяма австрийска топлоелектрическа централа, чиято мощност е 66 мегавата.

В същото време подобната суровина има недостатъци. Енергийната стойност на дървата е относително ниска: при изгаряне част от веществото се утаява под формата на сажди, поради което камините и печките трябва редовно да се почистват. Освен това за попълване на запасите от дървесина е необходимо определено време – нови дървета ще израснат едва след 15-20 години.

Отлична алтернатива на обикновените дърва са пелетите (гранули), за производството на които се използва некондиционна дървесина: кора, трески, пресовани стърготини, клони.

Пелетите, получавани от дървесина, торф и различни отпадъци, имат различен цвят. Светлите се използват за гориво в камини и пещи, докато тъмните, с по-голямо съдържание на кора, са предназначени за котли на твърдо гориво.

За производството на горивни пелети суровината се смила на прах, който след това се изсушава и пресова при висока температура. Благодарение на съдържащия се в дървесината лигнин се образува лепкава маса, от която се формират малки цилиндри с дължина 5-70 мм и диаметър 6-10 мм.

Съвременна алтернатива на традиционните дърва за огрев са горивните брикети с четири-, шест- или осмоъгълна форма. Този екологично чист материал има висока топлопредача.

Можете да организирате производството на пелети самостоятелно, като изработите преса за горивни брикети.

Към популярните видове биогориво се отнася дървесният чипс, който често служи като източник на енергия в европейските топлоцентрали. Производството на тази суровина се извършва в горските стопанства или на специални производствени линии, оборудвани с машини-шредери.

Блатен и горски горивен торф

Това е разпространен вид биогориво, използвано за битови и промишлени цели през вековете. Торфът представлява не напълно разложил се в блатни условия слой от мъх, добивът на който се осъществява в много страни по света: Русия, Беларус, Канада, Швеция, Индонезия и други.

Торфът, съдържащ 50-60% въглерод, се счита за популярен газоносен материал. Тази ценна суровина може да се използва не само като гориво, но и като тор или топлоизолатор.

За улеснение на производствения процес биомасата обикновено се преработва на мястото на добива. Процесът се състои в почистване (пресяване) на суровината от странични включвания, последвано от сушене и формоване под формата на брикети или гранули.

Гориво от селскостопански отпадъци

В селскостопанското производство обикновено се натрупва голям брой разнообразни растителни отпадъци: външни обвивки на растенията, орехови черупки, слама.

Подобна суровина също може да се подлага на пресоване и гранулиране, като се получават горивни пелети, чиито характеристики практически не се различават от гранулите, изработени от дървесна биомаса.

Биогориво от животински произход

Наред с дървата още в древността хората започнали да използват гориво от животински произход, а именно кизяци – изсушен оборски тор от домашни животни. Съвременните технологии за сушене и преработка на подобна суровина позволяват да се получават твърди видове биогориво, напълно лишени от неприятна миризма.

От древни времена номадските народи използвали като гориво изсушен оборски тор от коне, камили, едър рогат добитък. В днешно време от отпадъците от жизнената дейност на домашните животни се произвежда биогориво под формата на брикети или пелети.

Тъй като в момента отпадъците от животновъдството се натрупват в промишлени мащаби, производството на гориво от тях едновременно решава въпроса за тяхното оползотворяване.

Тип #2: течно

Течните видове биогорива, отличаващи се с безопасност и екологичност, в по-голямата си част се използват като заместители на бензина и други подобни средства. Към най-разпространените видове спадат биоетанол, биометанол, биобутанол, биодизел, диметилов етер.

Биоетанол от растителни култури

Това е разпространено течно биогориво, което се използва за зареждане на автомобили. Въпреки че чистото вещество не се прилага като гориво, неговата добавка към бензина спомага за подобряване работата на двигателя, увеличаване на мощността му, осъществяване на контрол върху нагряването на мотора, намаляване на емисиите на отработени газове.

На много бензиностанции в Европа, Азия, Северна и Южна Америка се предлага не само традиционно гориво, но и различни видове биогорива, предимно смеси, съдържащи биоетанол.

Биоетанолът беше оценен и от любителите на камини. Това вещество има добра топлоотдава, освен това при горенето му не се образува сажди или дим, а количеството на отделения въглероден диоксид се свежда до минимум.

Благодарение на такива особености, горивото може да се използва дори за отопление на огнища в многоетажни сгради. Повече за биогоривото за камини е написано в тази статия.

Производството на биоетанол се осъществява от суровини от първо поколение, съдържащи нишесте или захар. Зърнени култури, царевица, захарна тръстика, цвекло се преработват по технология на алкохолна ферментация.

Биобутанол за зареждане на автомобили

Биобутанол – получен по биологичен път аналог на бутанола. Безцветна течност, притежаваща характерен мирис, широко се използва като химическа суровина в промишлеността, а също така може да се използва като транспортно гориво.

Показателят за енергоемкост на бутанола е близък до бензина, което позволява частично да замени последния в горивните елементи. За разлика от биоетанола, биобутанолът може да се прилага самостоятелно, без добавяне на традиционни видове гориво.

Суровини за производството на това биовещество служат най-разнообразни растения: цвекло, маниока, пшеница, царевица.

Диметилов етер (C₂H₆O)

Това също е екологично чисто гориво. При неговото изгаряне в отработените газове отсъстват серни съединения, а съдържанието на азотни съединения е с 90% по-ниско, отколкото при изгарянето на бензин.

Диметилов етер може да се прилага без специални филтри, но в конструкцията на автомобила (система за захранване, запалване на двигателя) се налага да се въвеждат кардинални промени.

Диметиловият етер се смята за перспективен вариант на автомобилно гориво. Коли с двигатели, предназначени за това гориво, разработват такива големи компании като Volvo, SAIC Motor, KAMAZ, Nissan.

Без никакви преработки може да се използва комбинирано гориво, съдържащо 30% диметилов етер, в коли, които са оборудвани с LPG двигатели.

Течното гориво може да се произвежда от различни суровини: природен газ, въглищен прах, биомаса и най-вече от остатъци от целулозно-хартиено производство, които се трансформират в течност при ниско налягане.

Биометанол от едноклетъчни водорасли

Подобно вещество е аналог на обикновения метанол, който се използва широко за производството на редица химични съединения (оцетна киселина, формалдехид), а също така се използва като антифриз и разтворител.

За първи път въпросът за производството на този вид биогориво беше повдигнат през 1980-те години, когато група учени предложиха да се получава течна субстанция чрез биохимична трансформация на морски фитопланктон, чието култивиране ще се извършва в специални водоеми.

Биометанолът има редица потенциални предимства:

• висока енергийна отдача – 14 при получаване на метан, 7 при производство на метанол;
• отлична продуктивност на фитопланктона – до 100 тона на хектар годишно;
• нетребователност на едноклетъчните организми, за чието култивиране не са необходими прясна вода и плодородни почви;
• запазване на земеделските ресурси, тъй като фитопланктонът се отглежда в езера или морски заливи.

Въпреки че промишленото производство на биометанол все още не е налажено, в момента се водят упорити изследвания и разработка на технологии за развитие на производството на този вид алтернативно гориво.

Биодизел като алтернатива на транспортно гориво

Това е течно моторно биогориво, състоящо се от смес от естери на мастни киселини. Веществото е безопасно за хора и животни, практически напълно се разлага в земята за 28 дни, а също така има относително висока (<100) температура на запалване.

Биодизелът намалява процента на вредни газове в отработените газове, а също така удължава срока на експлоатация на двигателя, тъй като съдържа смазочни компоненти.

Горивото се използва за зареждане на автомобилни двигатели както самостоятелно, така и в комбинация с обикновено гориво. Трябва да се вземе предвид само краткият срок на съхранение на биологичното вещество: след три месеца започва разпадане на биологичното вещество с пълна загуба на свойства.

За биодизела в страните от ЕС беше приет специален стандарт EN14214. В редица страни действа също стандарт EN590, който допуска добавяне на 5% биодизел в друго гориво.

Тип #3: газообразно

Към основните разновидности на газообразното биологично гориво спадат биогаз и биоводород.

Биогаз като заместител на природен газ

Биогазът представлява практически пълен аналог на природния газ: в него се съдържат 13-50% CO₂, 49-87% метан, както и примеси H₂ и H₂S. Ако това вещество се пречисти от въглеродния диоксид, може да се получи биометан.

Газообразното биогориво се произвежда от биомаса чрез водородна или метанова ферментация. Последната се предизвиква от три вида микроорганизми: първо суровината се подлага на въздействие от хидролизни бактерии, които след това се заменят от киселинообразуващи и метанообразуващи микроби.

Производството на биогаз може да се извършва на промишлени и занаятчийски устройства. Най-разпространеният начин на производство е анаеробното ферментиране в метанови резервоари.

Като суровина могат да се използват разнообразни материали: силаж, оборски тор, водорасли, отпадъчни води, птичи тор, фекални остатъци, битови отпадъци. Първоначалното вещество се привежда в хомогенно състояние, след което с помощта на товарач се поставя в реактора.

Там се поддържа комфортна температура от +35-38°C, необходима за осъществяване на процеса на метанова ферментация.

Суровината постоянно се разбърква, като при това образуващият се газообразен продукт се отвежда в газхолдер (блок за съхранение), откъдето постъпва в електрогенератора.

Повече за получаването на биогаз от оборски тор и обустройството на биогазова инсталация е написано в статиите:

1. Как да направите биогориво със собствените си ръце от оборски тор в домашни условия
2. Биогазова инсталация за частен дом със собствените си ръце: препоръки за устройство и пример за изграждане на самоделка

Биоводород, получен по химичен метод

Разновидност на газообразното биогориво, която представлява аналог на обикновения водород, се получава от биомаса с помощта на биохимичен или термохимичен метод.

При термохимичния способ подготвената суровина (например, отпадъци от дървесина) се нагрява до температура 500-800°C без достъп на кислород, като при това се отделят газове H₂, CO, CH₄.

Перспективен метод за производство на биоводород е биофотолизът. В този случай газът се произвежда с помощта на водорасли, които се поставят в морска вода, канализационни отточни води.

При биохимичния способ суровината се издържа в комфортни условия при нормално налягане и температура около 30°C.

В биомасата се внасят специални микроорганизми Enterobacter cloacae, Rodobacter speriodes, които разлагат първоначалния продукт, отделяйки водород. За ускоряване на производството с използване на полизахариди се допуска добавяне на ензими.

Изводи и полезно видео по темата

В представеното по-долу видео може да се види процесът на изработка на популярен вид биогориво – дървесни брикети:

Видовете биологично гориво се различават не само по агрегатно състояние, но и по характеристики. При избора на подобни материали е необходимо да се вземат предвид тяхното планирано използване, ефективност, функционални свойства и цена.

Имате ли опит с използването на алтернативно гориво? Или искате да зададете въпроси по темата за биогоривото? Моля, коментирайте публикацията и участвайте в дискусиите. Блокът за обратна връзка се намира по-долу.