Виды биотоплива — сравнение твердого, жидкого, газообразного

Биотопливо – это источник энергии, который получается из растительного или животного сырья. Для производства биотоплива подходят как возобновляемые природные ресурсы, так и отходы, образующиеся в результате деятельности деревообрабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности и потребления человека. Бывает в жидком, твердом и газообразном состояниях.

Биотопливо — доступный и неисчерпаемый ресурс

Как сделать биотопливо своими руками из навоза в домашних условиях — объясняем суть

Биотопливо — это используемые для получения тепловой энергии вещества биологического или животного происхождения.

В зависимости от целей и предназначения, биотопливо имеет различные агрегатные состояния: твёрдое, жидкое и газообразное.

Твёрдое

Твёрдое биотопливо на сегодняшний день держит пальму первенства как самый популярный вид альтернативного топлива.

Сырьём для производства твёрдого биотоплива служит биомасса, образующаяся из растительных остатков, стеблей и семян кукурузы, рапса, из соломы, опилок, щепы, хвои, листьев, а также сучки, ветки, кора, обрезки досок, бракованные части из дерева, навоз, торф и т. д. Биомассу прессуют в топливные гранулы (пеллеты) или брикетируют.

Энергетические леса, в состав которых входят быстрорастущие деревья и кустарниковые группы растений, позволяют поддерживать сырьевой баланс, обеспечивая производство биотоплива необходимым объёмом материала.

Быстрорастущие деревья сажают для использования их впоследствии в качестве сырья для производства биотоплива

Жидкое

В состав жидкого биотоплива входят спирты, эфиры, масла. Сырьём выступает та же биомасса, состоящая из растительных остатков, стеблей и семян кукурузы, рапса, сахарной свёклы и тростника, пшеницы, а также жмыха, выжимки, патоки и т.д.

Образование топлива происходит в результате спиртового брожения биологической массы с высоким содержанием крахмала и/или сахара, а также гидролизе. Образующийся в результате брожения раствор после очистки и дистилляции преобразуется в биоэтанол, биобутанол, биометанол, биодизель.

Простейшее устройство для анаэробного брожения

Газообразное

Газообразное биотопливо или биогаз образуется в результате анаэробного брожения (перепревания) органических веществ. Для производства биогаза используют метанообразующие, гидролизные или кислотообразующие бактерий.

Размещение экологически чистого производства

Наряду с общепринятой, используется и альтернативная классификация биотоплива по поколениям:

• к первому поколению относится биотопливо, производимое из биологического сырья посредством брожения;
• биотопливо второго поколения получают из неопасных отходов производства и потребления;
• к третьему поколению относится производство биотоплива из растительных жиров, содержащихся в водорослях.

Твердое биотопливо

Дрова, как и столетия назад, продолжают использоваться для получения тепловой и электрической энергии. Примером крупнейшей в Европе электростанции, работающей на данной биомассе, является Австрийская ТЭЦ. Ее мощность — 66 МВт.

Не смотря на то, что в мире активно разрабатываются и финансируются проекты по созданию энергетических лесов, где выращивается древесная биомасса, все большее внимание привлекает к себе использование для получения биотоплива различных продуктов деревообрабатывающей промышленности. Такие предприятия уже достаточно хорошо развиты и активно поставляют на рынок свои продукты. К ним относятся топливные брикеты и топливные гранулы – пеллеты.

Для получения топливных брикетов различные биоотходы, такие как птичий помет и навоз, высушиваются и прессуются. Полученные брикеты используются для отопления жилых и производственных помещений.

Аналогично применяются и топливные гранулы – пеллеты. Их вырабатывают из опилок, щепы, коры, некондиционной древесины, соломы, отходов сельского хозяйства (лузги подсолнечника, ореховой скорлупы). Для получения пеллет биомасса сначала измельчается в муку, затем поступает в сушилку, а из нее ─ в специальный пресс, где под действием давления и высокой температуры содержащийся в древесных отходах лигнин становится клейким. Он дает возможность получить на выходе готовые цилиндрики биотоплива. Отличительным качеством топливных гранул является их малая зольность — около 3 %.

Технология получения топливного торфа, используемого для отопления жилых домов, также проста. Непосредственно из места добычи сырье доставляется на торфоперерабатывающий завод, где торф очищается от посторонних включений (просеивается), высушивается и прессуется в брикеты.

Еще один вид биотоплива – древесная щепа – используется в Европе на крупных ТЭЦ мощностью от одного до нескольких мегаватт. Выработка древесной щепы производится непосредственно на лесозаготовках или на производстве при помощи специальных рубительных машин – шредеров. В качестве сырья обычно применяется тонкомерная древесина и остатки лесозаготовки – сучья, кора, пни и др.

Достоинства и недостатки биотоплива

У биологических видов горючего есть свои положительные и отрицательные стороны. Интерес к использованию этого вида сырья вызван его несомненными достоинствами. К ним относятся:

• Бюджетная стоимость. Хотя на данный момент цены на биотопливо практически совпадают со стоимостью бензина, биологические вещества считаются более выгодным видом горючего, поскольку при сжигании дают меньше выбросов. Биотопливо пригодно к применению в различных условиях, при этом его можно адаптировать к двигателям разных конструкции. Еще одним плюсом является оптимизация работы мотора, который дольше остается чистым из-за малого количества сажи и выхлопным газов.
• Мобильность. Биологическое топливо отличается от других вариантов альтернативных источников энергии своей мобильностью. В конструкции солярных и ветряных установок обычно входят тяжелые аккумуляторные батареи, поэтому они чаще всего используются стационарно, тогда как биогорючее можно без особых хлопот перевозить из одного региона в другой.
• Возобновляемый источник энергии. Хотя, по мнению исследователей, существующих залежей сырой нефти хватит как минимум на несколько сотен лет, ископаемые запасы все-таки конечны. Биотопливо, изготавливаемое из растений и отходов жизнедеятельности животных, относится к числу возобновляемых ресурсов, которым в обозримом будущем не грозит исчезновение.
• Охрана атмосферы земли. Крупным недостатком традиционных углеводородов является большой процент CO2, который выделяется при сжигании. Этот газ создает в атмосфере нашей планеты парниковый эффект, создавая условия для глобального потепления. При сгорании же биологических веществ количество углекислого газа снижается до 65%. Помимо этого культуры, используемые в производстве биотоплива, потребляют оксид углерода, уменьшая его долю в воздухе.
• Экономическая безопасность. Запасы углеводородов распределены неравномерно, поэтому часть государств вынуждена закупать нефть или природный газ, тратя на приобретение, транспортировку, складирование большие средства. Различные виды биологического горючего можно получать практически в любой стране. Поскольку для его изготовления и переработки понадобится создание новых предприятий и, соответственно, рабочих мест, это принесет пользу народному хозяйству и положительно скажется на благосостоянии людей.

Совершенствование технологий и развитие новых методов сможет усилить положительный эффект биотоплива. Так, разработка технологий с использованием планктона и водорослей позволит значительно снизить его цену.

В то же время на современном этапе развития наук и технологий производство биотопливо связано с рядом сложностей и неудобств. Прежде всего, это природные ограничения в выращивании растений. Для произрастания культур, используемых для выработки биомассы, требуется учитывать ряд факторов, а именно:

• Водопользование. Сельскохозяйственные растения потребляют много воды, являющейся ограниченным ресурсом, особенно в засушливых местах.
• Инвазивность. Выращиваемые на топливо культуры часто бывают агрессивны. Они заглушают аутентичную флору из-за чего может пострадать биоразнообразие и экосистема региона.
• Удобрения. Для произрастания многих растений требуется дополнительное внесение питательных веществ, которые могут нанести вред другим культурам или общей экосистеме.
• Климат. Отдельные климатические зоны (например, пустыня или тундра) не подходят для выращивания биотопливных культур.

Активное выращивание сельскохозяйственных растений связано и с истощением земледельческих ресу

Плюсы и минусы биотоплива

Биотопливо уже успело закрепить за собой статус конкурентоспособного источника энергии. Этому способствует привлекательная стоимость, экологичность биотоплива, и что самое главное для производителей – источник сырья – возобновляемые ресурсы.

Среди минусов можно отметить ограничения по региональной пригодности, растительное масло часто может выращиваться лишь в некоторых регионах из-за собственных особенностей роста в зависимости от климата. Также для производства необходимы большие площади земли.

Применение биотоплива для автомобилей

Как уже выше писалось, для современного топлива автомобилей есть замена в виде биотоплива, это:

• Для дизельных двигателей – биодизель;
• Для двигателей внутреннего сгорания – биоэтанол.

Биодизель получают из растительных масел (рапсовое, соевое, пальмовое) и метанола.
Биодизель второго поколения производят из микроводорослей и масленичных культур. Отдельный вид биодизеля – грин-дизель, который является смесью углеводородов и представляется на рынке, как улучшающая добавка к обычному топливу.
Как правило, биодизель для заправки автомобилей используют в смеси с обычным дизельным топливом (соляркой) в соотношении 20/80%, где биодизеля 20%. Недостаток такого смешивания – повышенный расход топлива и снижение мощности.
Биоэтанол в чистом виде для заправки автомобиля использовать нельзя, т.к. это окислитель и растворитель. Для его использования требуется реконструкция авто с заменой элементов топливной системы на узлы, изготовленные из нержавеющей стали и стойкого пластика.

В мире созданы автомобили с двигателями внутреннего сгорания, которые работают на смеси биоэтанола и бензина в соотношении:

• 85/15% — в США;
• 10/90% — в странах Европы;
• 20/80% — в Бразилии,

Считается, что при данных пропорциях (кроме США, там автомобили были реконструированы), такое соотношение топлива не вредит системам автомобиля, что позволяет использовать биоэтанол уже при существующих технологиях.

Газообразное биотопливо

Различают два основных вида газообразного топлива:

• Биогаз
• Биоводород

Биогаз

Продукт брожения органических отходов, в качестве которых могут использоваться фекальные остатки, сточные воды, бытовые отходы, отходы забойных производств, навоз, помет, а также силос и водоросли. Представляет собой смесь метана и углекислого газа. Еще одним продуктом переработки бытовых отходов при получении биогаза являются органические удобрения. Технология производства связана с преобразованием сложных органических веществ под воздействием бактерий, осуществляющих метановое брожение.

В начале технологического процесса осуществляется гомогенизация массы отходов, затем подготовленное сырье подается с помощью загрузчика в подогреваемый и утепленный реактор, где непосредственно и происходит процесс метанового брожения при температуре примерно 35-38 °С. Масса отходов постоянно перемешивается. Образующийся биогаз поступает в газгольдер (используется для хранения газа), а затем подается на электрогенератор.
Полученный биогаз заменяет обычный природный газ. Можно использовать как биотопливо, либо вырабатывать из него электроэнергию.

Биоводород

Можно получить из биомассы термохимическим, биохимическим либо биотехнологическим путем. Первый способ получения связан с нагреванием отходов древесины до температуры 500—800 °C, в результате чего начинается выделение смеси газов – водорода, моноокиси углерода и метана. В биохимическом способе используются ферменты бактерий Rodobacter speriodes, Enterobacter cloacae, вызывающие продукцию водорода при расщеплении растительных остатков, содержащих целлюлозу и крахмал. Процесс протекает при нормальном давлении и невысокой температуре. Биоводород используется при производстве водородных топливных элементов на транспорте и в энергетике. Широкого применения пока не имеет.

Советы по использованию биотоплива и правила хранения

Биогаз, брикеты хорошо подойдут для отопления жилища, приготовления пищи, послужат источником питания для работы переделанного под газ бензинового электрогенератора или самодельного двигателя Стирлинга. Древесный уголь пригодится при использовании мангала. Жидкое биотопливо позволяет использовать керосиновые лампы, примусы без привычной копоти, а также является идеальным средством для заправки биокаминов.

Технологии изготовления биотоплива не предусматривают длительного хранения. Жидкое топливо в сравнительно короткий период насыщается водой, пеллеты и брикеты отсыревают и расслаиваются, крошатся. Желательно полученное биотопливо тут же использовать.

Как уже указывалось выше, использование биотоплива лишено каких-либо недостатков. Основные недочёты возникают по причине несовершенства конструкций установок по его производству.

Тенденции мирового рынка биотоплива

Популярность биотоплива во-первых обусловлена энергетической безопасностью, во-вторых это одно из направлений борьбы против глобального потепления, за счет снижения выбросов в атмосферу.

Биотопливо – альтернатива всем обыденным видам энергетических источников. Все виды транспорта стараются использовать биотопливо, так как это дешевле и чище в процессе сгорания. Высокая потребность на это топливо, способна значительно поменять состояние дел на рынке энергоносителей.

Согласно прогнозам независимого общества энергетики, к 2025 году дефицит нефтепродуктов составит 14%.

По состоянию на 2012 год, выработка биотоплива составила 110 млрд литров. Такие темпы производства, в лучшем случае смогут покрыть только 7% на 2021 год, что является не совсем хорошим показателем.

К сожалению, увеличение производства пока не идет в ногу с увеличением потребности населения и промышленности. Сегодня многие государства мира начинают все больше уделять внимания программа по разработке и производству биотоплива. Согласно прогнозу специалистов в 2020 году производство экологической энергии в мире вырастит до 36%, а к 2040 году она может достичь 48%.

Биотопливо из водорослей

Разработана и успешно используется технология получения биотоплива из водорослей.

Плюсом использования водорослей для промышленного применения, является то, что для их выращивания не требуется занимать части суши, они растут в любой воде и не требуют особого ухода, с одной стороны, а с другой – способны осуществлять значительный прирост биомассы за малые промежутки времени.

Имея в своем составе простые химические элементы, водоросли легко перерабатываются.

Как сделать своими руками

Человек в повседневной жизни периодически пользуется биотопливом, это с полной уверенностью можно отнести к твердым видам топлива – дрова, опилки, солома и т. д. Для изготовления топливных брикетов не нужно специальных приспособлений и механизмов, это может сделать каждый, у кого есть продукты переработки дерева и желание.

Более сложный процесс, это получение биотоплива из навоза, являющимся продуктом жизнедеятельности сельскохозяйственных животных. В этом случае получается биогаз, который можно использовать для сжигания, тем самым нагревать воду в системах горячего водоснабжения или теплоноситель, в системах обогрева зданий и сооружений.

Вначале следует определиться с местом, где будет располагаться установка. Выбранный участок должен быть удален от жилых строений, дабы не создавать неудобства запахами, выделяющимися в процессе брожения биомассы.

На выбранном участке выкапывается яма, в которой делается гидроизоляция и сооружается емкость накопитель. Емкость может быть из железобетонных колец с герметизацией стыков, кирпичной с оклейкой гидроизоляцией, металлической. В верхней части устраивается люк и крышка. Монтируются трубопроводы для отвода образовавшегося газа.

В построенную емкость загружается навоз, картофельная ботва и прочие растительные отходы, после чего все заливается водой. В емкости начнется процесс брожения, и как следствие, начнет выделяться биогаз.

В состав получаемого таким образом газа будет входить — метан, углекислый газ и примеси других газов.

С 1 кг органического вещества можно получить около 0,5 кг биогаза.

Разновидности и преимущества

На сегодняшний день, существует 3 вида биотоплива:

• жидкое;
• твердое;
• газообразное;

Жидкое биотопливо

Является самым обсуждаемым видом. Ведь жизнь современного человека зависит от нефти, без нее человечество не сможет выжить, а нефть является ископаемым ресурсом и в какой-то момент ее запасы иссякнут.

Жидкое биотопливо способно заменить этот ископаемый ресурс.

К жидкому биотопливу относятся:

• спирты (этанол, метанол, бутанол),
• биодизель,
• биомазут,
• эфиры;

Твердое

В основном к нему относится древесина (отходы деревообработки и топливные гранулы, брикеты). Источником для их получения служат как правило, леса, где растут трава, кустарники и деревья.

Газообразное топливо

Относятся биогаз, водород.

Также, биотопливо можно классифицировать по поколениям. Существуют биотоплива 1, 2, 3 и 4 поколений:

1. К 1 поколению относится биотопливо, полученное в результате переработки сельхоз растений в биодизель и этанол.
2. 2 поколение – биотопливо, полученное от отходов продуктов питания.
3. К 3 поколению биотоплива относится биотопливо, полученное при использовании внедренных технологий в результате разрушения биомасс.
4. 4 поколение биотоплива производится на землях непригодных для занятия сельским хозяйством и без разрушения биомасс.

Преимущества

Преимущества биотоплива следующие:

1. Мобильность. Биотопливо обладает возможностью производиться в любом уголке света вне зависимости от климатических условий и рельефа, потому что этот вид топлива может производиться из различных органических соединений.
2. Возобновляемость. Так как биотопливо получается из разнообразных органических соединений растительного или животного происхождения, например, навоз, то его количество не иссякнет.
3. Экологичность. Это более чистый вид топлива и при сгорании выбрасывает меньше вредных веществ в воздух, чем ископаемое топливо.
4. Забота об окружающей среде. Производство биотоплива решает проблемы связанные с утилизацией мусора.

Почему лучше использовать биотопливо?

Биотопливо является альтернативным, возобновляемым источником энергии на земле.

Основные его достоинства следующие:

1. Ценовая доступность позволяет использовать этот вид топлива во всех сферах жизнедеятельности человека.
2. Возобновляемость. Одним из важных преимуществ над бензином является способность биотоплива возобновляться.
3. Биотопливо способствует замедлению глобальных изменений. Его использование уменьшает парниковый эффект (до 65%)
4. У стран-производителей биотоплива, уменьшается зависимость от импорта данного товара.
5. Превосходная заправка для автомобиля.