Tipuri de biocombustibili: comparație a caracteristicilor combustibilului solid, lichid și gazos

O alternativă la resursele energetice tradiționale o constituie diferitele tipuri de biocombustibili, pentru fabricarea cărora se utilizează materii prime vegetale sau animale, deșeuri industriale și produse rezultate din activitatea organismelor.

Vă propunem să analizați avantajele și dezavantajele utilizării unui astfel de combustibil, să aflați particularitățile producției, caracteristicile funcționale, precum și să evaluați eficiența utilizării diferitelor tipuri de combustibil biologic. Informațiile prezentate vă vor ajuta să vă orientați în alegerea surselor alternative de energie.

Ce este combustibilul biologic

Cea mai promițătoare direcție în energetică o reprezintă tehnologiile care implică utilizarea resurselor regenerabile, printre care se numără și combustibilul biologic.

Cel mai răspândit tip de combustibil biologic sunt lemnele de foc obișnuite. 38% din populația Pământului le folosește pentru încălzire și prepararea hranei

Ca materie primă pentru producerea sa se poate utiliza biomasă de origine vegetală/animală, inclusiv deșeuri industriale sau resturi rezultate din activitatea vitală a animalelor.

Prelucrarea acestor substanțe se realizează prin metoda termochimică sau biologică, în acest din urmă caz combustibilul se obține cu ajutorul diverselor specii de microorganisme.

Ponderea utilizării tipurilor biologice de combustibil este în continuă creștere, ceea ce contribuie la conservarea resurselor fosile de hidrocarburi (+)

În multe țări funcționează programe speciale pentru extinderea ponderii biocombustibilului în consumul național și regional de energie. Într-o serie de state există, de asemenea, norme obligatorii privind utilizarea acestei surse de energie.

Avantajele și dezavantajele biocombustibililor

Tipurile biologice de combustibil au propriile laturi pozitive și negative. Interesul pentru utilizarea acestui tip de materie primă este determinat de avantajele sale incontestabile.

Printre acestea se numără:

• Cost redus. Deși în prezent prețurile la biocombustibil coincid practic cu costul benzinei, substanțele biologice sunt considerate un tip de carburant mai avantajos, deoarece în urma arderii emană mai puține emisii. Biocombustibilul poate fi utilizat în diverse condiți și adaptat la motoare de diferite construcții. Un alt avantaj îl reprezintă optimizarea funcționării motorului, care rămâne mai curat mai mult timp, datorită cantității reduse de funingine și de gaze de eșapament.
• Mobilitate. Biocombustibilul se deosebește de alte surse alternative de energie prin mobilitatea sa. Instalațiile solare și eoliene includ, de obicei, acumulatoare grele, motiv pentru care sunt cel mai adesea utilizate în mod staționar, în timp ce biocombustibilul poate fi transportat fără dificultăți dintr-o regiune în alta.
• Sursă de energie regenerabilă. Deși, potrivit cercetătorilor, rezervele existente de petrol brut vor ajunge pentru cel puțin câteva sute de ani, rezervele fosile sunt, totuși, finite. Biocombustibilul, produs din plante și deșeuri ale activității vitale a animalelor, face parte din categoria resurselor regenerabile, care în viitorul apropiat nu sunt amenințate de dispariție.
• Protecția atmosferei Pământului. Un dezavantaj major al hidrocarburilor tradiționale este procentul mare de CO₂ care se eliberează la ardere. Acest gaz creează în atmosfera planetei noastre un efect de seră, creând condiți pentru încălzirea globală. În schimb, la arderea substanțelor biologice, cantitatea de dioxid de carbon scade până la 65%. În plus, culturile folosite în producerea biocombustibilului consumă monoxidul de carbon, reducând proporția acestuia în aer.
• Securitatea economică. Rezervele de hidrocarburi sunt distribuite inegal, astfel încât o parte dintre state sunt nevoite să cumpere petrol sau gaze naturale, cheltuind sume mari pentru achiziție, transport și depozitare. Diferite tipuri de combustibil biologic pot fi obținute practic în orice țară. Întrucât pentru fabricarea și prelucrarea acestuia va fi necesară crearea de noi întreprinderi și, resectiv, de locuri de muncă, acest lucru va aduce beneficii economiei naționale și va avea un efect pozitiv asupra bunăstării oamenilor.

Perfecționarea tehnologiilor și dezvoltarea de noi metode vor putea amplifica efectul pozitiv al biocombustibilului. Astfel, elaborearea tehnologiilor care utilizează plancton și alge va permite reducerea semnificativă a prețului acestuia.

În același timp, în stadiul actual al dezvoltării științelor și tehnologiilor, producția de biocombustibil este legată de o serie de dificultăți și inconveniente. În primul rând, este vorba de limitări naturale în cultivarea plantelor.

Pentru creșterea culturilor utilizate pentru producerea biomasei, este necesar să se țină cont de o serie de factori, și anume:

• Utilizarea apei. Plantele agricole consumă multă apă, care este o resursă limitată, mai ales în zonele aride.
• Invazivitate. Culturile cultivate pentru combustibil sunt adesea agresive. Ele sufocă flora autentică, din cauza căreia poate avea de suferit biodiversitatea și ecosistemul regiunii.
• Îngrășăminte. Pentru creșterea multor plante este necesară adăugarea suplimentară de substanțe nutritive, care pot dăuna altor culturi sau ecosistemului general.
• Clima. Anumite zone climatice (de exemplu, deșertul sau tundra) nu sunt adecvate pentru cultivarea culturilor de biocombustibil.

Cultivarea intensivă a plantelor agricole este legată și de epuizarea resurselor agricole. Nerespectarea regulilor agrotehnice poate duce la scăderea conținutului de compenți utili ai solului și, în consecință, la epuizarea acestuia, ceea ce va agrava problema alimentară.

Are loc pertubarea ecosistemului. Pentru producerea biomasei, de obicei, este necesară extinderea teritoriilor utilizate în agricultură.

Adesea, în acet scop, se efetuează curățarea terenului, ceea ce duce la distrugerea microecosistemului (de exemplu, pădurii), la moartea plantelor și animalelor.

Pentru producerea de biocombustibil, se cultivă deja un volum mare de culturi agricole. Pentru producerea biomasei se utilizează peste 50% din rapița produsă în Europa, peste o treime din cerealele americane, aproape jumătate din trestia de zahăr cultivată în Brazilia.

Apar probleme în legătură cu cultivarea monoculturilor. Pentru a obține o recoltă mai mare de biomasă, producătorii însămânțează adesea terenurile cu o anumită plantă. Această practică nu se răsfrânge prea bine asupra stării terenurilor agricole, deoarece monocultura duce la modificarea mediului înconjurător.

Pe câmpurile ocupate de o singură specie de plante, de obicei parazitează varietăți speciale de dăunători. Încercarea de a le combate cu ajutorul insecticidelor și pesticidelor duce doar la dezvoltarea rezistenței la aceste mijloace.

Pentru a evita problemele descrise mai sus, oamenii de știință recomandă să nu se neglijeze biodiversitatea culturilor, combinând pe câmpuri mai multe plante, precum și să se folosească soiuri locale de floră.

Generațiile de combustibil alternativ

Sortimentul larg de materie primă vegetală folosită pentru biomasă este împărțit în mod obișnuit în mai multe generații.

Prima generație. În această categorie se încadrează culturile agricole care conțin un procent ridicat de amidon, zaharuri, grăsimi. Acestea sunt plante populare precum porumbul, sfecla de zahăr, rapița, soia.

Deoarece cultivarea acestor culturi dăunează climei, iar retragerea lor de pe piață influențează prețurile produselor, oamenii de știință încearcă să le înlocuiască cu alte tipuri de biomasă.

Din plantele agricole care aparțin primei generații de materie primă, în prezent se produc aproape toate tipurile de combustibil lichid modern (biodiesel, etanol).

A doua generație. În grupul de biomasă intră lemnul, iarba, deșeurile agricole (coji, pleavă). Obținerea biocombustibilului dintr-o astfel de materie primă necesită costuri mari, dar permite rezolvarea problemei eliminării deșeurilor nealimentare cu producerea simultană de materiale combustibile.

Caracteristica culturilor care fac parte din această varietate este prezența în ele a ligninei și celulozei. Datorită acestora, biomasa poate fi arsă și gazificată, precum și supusă pirolizei, obținându-se combustibil lichid.

Principalul dezavantaj al biomasei de a doua generație este considerat randamentul insuficient pe unitatea de suprafață, din cauza căruia pentru astfel de culturi trebuie alocate resurse funciare semnificative.

A treia generație. Materia primă pentru producerea biocombustibilului sunt algele, care sunt cultivate la scară industrială, de exemplu, în bazine deschise.

Cea mai promițătoare variantă este considerată biocombustibilul obținut din alge unicelulare. Astfel de plante câștigă rapid masă, iar pentru cultivarea lor nu sunt necesare terenuri fertile.

O astfel de practică are perspective mari, însă în prezent aceste tehnologii sunt doar în curs de dezvoltare. Oamenii de știință fac, de asemenea, cercetări pentru crearea de metode care să permită obținerea de biocombustibil de generația a patra și chiar a cincea.

Cele trei tipuri de biocombustibili

În funcție de starea de agregare a substanței, se disting trei tipuri principale de biocombustibil:

1. Solid: lemn de foc, turbă, deșeuri metabolice animale și de producție agricolă.
2. Lichid: biodiesel, dimetil eter, bioetanol, biobutanol.
3. Gazos: biogaz, metan, biohidrogen.

Fiecare tip de substanță are specificul său, despre care vom vorbi mai jos.

Tipul #1: solid

Printre cele mai populare varietăți solide de combustibil biologic se numără lemnul, turba, deșeurile de origine animală.

Lemn (lemne de foc, așchii, rumeguș)

Un tip străvechi de biocombustibil este lemnul de foc, bine cunoscut de toată lumea, care a fost folosit din timpuri străvechi pentru încălzirea caselor și prepararea alimentelor. Încă este utilizat activ în diferite țări pentru producerea de energie termică/electrică, în special, o mare centrală termoelectrică austriacă, cu o putere de 66 de megawați, funcționează pe lemne de foc.

În același timp, acest tip de materie primă prezintă dezavantaje. Valoarea energetică a lemnelor de foc este relativ scăzută: la ardere, o parte din substanță se depune sub formă de funingine, motiv pentru care șemineele și sobele trebuie curățate regulat. În plus, refacerea rezervelor de lemn necesită un anumit timp – noii copaci vor crește abia după 15-20 de ani.

O alternativă excelentă la lemnele de foc obișnuite sunt peleții (granulele), pentru a căror producție se utilizează lemn neconform: scoarță, așchii, rumeguș presat, crengi.

Peleții obținuți din lemn, turbă și diverse deșeuri au culori diferite. Cei deschiși la culoare sunt folosiți pentru aprinderea șemineelor și sobelor, în timp ce cei închisi, cu un conținut mai mare de scoarță, sunt destinați cazanelor cu combustibil solid.

Pentru producerea peleților de combustibil, materia primă este măcinată în pulbere, care apoi este uscată și presată la temperatură înaltă. Datorită ligninei conținute în lemn, se formează o masă lipicioasă, din care se formează mici cilindri cu lungimea de 5-70 mm și diametrul de 6-10 mm.

O alternativă modernă la lemnele de foc tradiționale sunt brichetele de combustibil de formă patru-, șase- sau octogonală. Acest material ecologic are o putere calorică ridicată.

Producția de peleți poate fi organizată independent, confecționând o presă pentru brichete de combustibil.

Printre tipurile populare de biocombustibil se numără așchiile de lemn, care servesc adesea ca sursă de energie în centralele termoelectrice europene. Producția acestei materii prime se realizează în exploatări forestiere sau pe linii speciale de producție, echipate cu mașini de mărunțit (shreddere).

Turbă combustibilă de mlaștină și de pădure

Aceasta este o varietate răspândită de biocombustibil, utilizată în scopuri casnice și industriale de secole. Turba reprezintă un strat de mușchi care nu s-a descompus complet în condiții de mlaștină, a cărei extracție se realizează în multe țări ale lumii: Rusia, Belarus, Canada, Suedia, Indonezia și altele.

Turba, care conține 50-60% carbon, este considerată un material gazogen popular. Această materie primă valoroasă poate fi utilizată nu numai ca combustibil, ci și ca îngrășământ sau izolator termic.

Pentru comoditatea procesului de producție, biomasa este de obicei prelucrată la locul de extracție. Procesul constă în curățarea (cernerea) materiei prime de impurități, urmată de uscare și formare sub formă de brichete sau peleți.

Combustibil din deșeuri agricole

În producția agricolă, de regulă, se acumulează un număr mare de deșeuri vegetale diverse: învelișurile exterioare ale plantelor, cojile de nuci, paiele.

Această materie primă poate fi, de asemenea, supusă presării și granulării, obținându-se peleți de combustibil ale căror caracteristici practic nu diferă de peleții fabricați din biomasă lemnoasă.

Biocombustibil de origine animală

Alături de lemne, încă din vechime oamenii au început să folosească combustibil de origine animală, și anume bălegarul uscat al animalelor domestice. Tehnologiile moderne de uscare și prelucrare a acestei materii prime permit obținerea de varietăți solide de biocombustibil, complet lipsite de miros neplăcut.

Din timpuri străvechi, popoarele nomade foloseau drept combustibil bălegarul uscat de cai, cămile, bovine. În prezent, din deșeurile animalelor domestice se fabrică biocombustibil sub formă de brichete sau peleți.

Deoarece în prezent deșeurile zootehnice se acumulează la scară industrială, fabricarea combustibilului din ele rezolvă simultan problema eliminării acestora.

Tipul #2: lichid

Variantele lichide de biocombustibil, caracterizate prin siguranță și ecologicitate, sunt utilizate în mare parte ca înlocuitor al benzinei și al altor mijloace similare. Printre cele mai răspândite variante se numără bioetanolul, biometanolul, biobutanolul, biodieselul, dimetil eterul.

Bioetanol din culturi vegetale

Acesta este un biocombustibil lichid răspândit, utilizat pentru alimentarea automobilelor. Deși substanța pură nu este folosită drept combustibil, adăugarea sa în benzină contribuie la îmbunătățirea funcționării motorului, creșterea puterii acestuia, controlul încălzirii motorului și reducerea emisiilor de gaze de eșapament.

La multe benzinării din Europa, Asia, America de Nord și de Sud se oferă nu numai combustibil tradițional, ci și diverse tipuri de biocombustibil, în special amestecuri care conțin bioetanol.

Bioetanolul a fost apreciat și de iubitorii de șeminee. Această substanță are o bună degajare de căldură, iar la arderea sa nu se formează funingine sau fum, iar cantitatea de dioxid de carbon emisă este redusă la minimum.

Datorită acestor particularități, combustibilul poate fi folosit chiar și pentru încălzirea unui șemineu în clădirile de apartamente. Mai multe detalii despre biocombustibilul pentru șeminee sunt scrise în acest articol.

Producerea bioetanolului se realizează din materii prime de prima generație, care conțin amidon sau zahăr. Cerealele, porumbul, trestia de zahăr, sfecla sunt prelucrate prin tehnologia fermentației alcoolice.

Biobutanol pentru alimentarea automobilelor

Biobutanol – un analog al butanolului obținut pe cale biologică. Lichid incolor, cu un miros caracteristic, utilizat pe scară largă ca materie primă chimică în industrie și poate fi folosit și ca combustibil pentru transport.

Indicatorul de densitate energetică a butanolului este apropiat de cel al benzinei, ceea ce permite înlocuirea parțială a acesteia în pilele de combustie. Spre deosebire de bioetanol, biobutanolul poate fi utilizat independent, fără a adăuga combustibili tradiționali.

Materia primă pentru producerea acestei biosubstanțe o constituie cele mai diverse plante: sfeclă, manioc, grâu, porumb.

Eter dimetilic (C₂H₆O)

Acesta este, de asemenea, un combustibil ecologic. La arderea sa, în gazele de eșapament nu există compuși de sulf, iar conținutul de compuși de azot este cu 90% mai mic decât la arderea benzinei.

Eterul dimetilic poate fi utilizat fără filtre speciale, dar în construcția automobilului (sistemul de alimentare, aprinderea motorului) trebuie aduse modificări radicale.

Eterul dimetilic este considerat o variantă promițătoare de combustibil auto. Mașinile cu motoare proiectate pentru acest combustibil sunt dezvoltate de companii mari precum Volvo, SAIC Motor, KAMAZ, Nissan

Fără nicio modificare, se poate utiliza combustibilul combinat care conține 30% eter dimetilic în mașinile echipate cu motoare LPG.

Combustibilul lichid poate fi produs din diverse materii prime: gaze naturale, pulbere de cărbune, biomasă și, în special, din deșeuri ale producției de celuloză și hârtie, care se transformă în lichid la o presiune redusă.

Biometanol din alge unicelulare

Această substanță este un analog al metanolului obișnuit, care este utilizat pe scară largă pentru producerea unei serii de compuși chimici (acid acetic, formaldehidă) și, de asemenea, este folosit ca antigel și solvent.

Pentru prima dată, problema producției acestui tip de biocombustibil a fost ridicată în anii 1980, când un grup de oameni de știință a propus obținerea unei substanțe lichide prin transformarea biochimică a fitoplanctonului marin, a cărui cultivare urma să se realizeze în bazine speciale.

Biometanolul are o serie de avantaje potențiale:

• randament energetic ridicat – 14 la obținerea metanului, 7 la producerea metanolului;
• productivitate excelentă a fitoplanctonului – până la 100 de tone pe hectar pe an;
• neexigența organismelor unicelulare, pentru cultivarea cărora nu sunt necesare apă dulce și soluri fertile;
• conservarea resurselor agricole, deoarece fitoplanctonul este cultivat în iazuri sau golfuri marine.

Deși producția industrială a biometanolului nu este încă stabilită, în prezent se desfășoară cercetări persistente și dezvoltarea de tehnologii pentru dezvoltarea producției acestui tip de combustibil alternativ.

Biodieselul ca alternativă la combustibilul pentru transport

Acesta este un biocarburant lichid pentru motoare, compus dintr-un amestec de esteri ai acizilor grași. Substanța este sigură pentru oameni și animale, se descompune aproape complet în sol în 28 de zile și are un punct de aprindere relativ ridicat (<100).

Biodieselul reduce procentul de emisii de gaze nocive și, de asemenea, prelungește durata de viață a motorului, deoarece conține componente lubrifiante.

Combustibilul este utilizat pentru alimentarea motoarelor auto, atât singur, cât și în combinație cu combustibilul obișnuit. Trebuie avut în vedere doar termenul scurt de păstrare a substanței biologice: după trei luni, începe descompunerea substanței biologice, cu pierderea completă a proprietăților.

Pentru biodiesel, în țările UE a fost adoptat standardul special EN14214. Într-o serie de țări este în vigoare și standardul EN590, care permite adăugarea a 5% biodiesel în alt combustibil.

Tipul #3: gazos

Principalele varietăți de combustibil biologic gazos includ biogazul și biohidrogenul.

Biogazul ca înlocuitor al gazului natural

Biogazul este practic un analog complet al gazului natural: conține 13-50% CO_2, 49-87% metan, precum și impurități de H₂ și H₂S. Dacă această substanță este purificată de dioxidul de carbon, se poate obține biometan.

Combustibilul biologic gazos este fabricat din biomasă prin metoda fermentației cu hidrogen sau metan. Aceasta din urmă este provocată de trei tipuri de microorganisme: mai întâi, materia primă este supusă acțiunii bacteriilor hidrolitice, care sunt apoi înlocuite de microbi producători de acid și microbi producători de metan.

Producerea biogazului poate fi realizată în instalații industriale și artizanale. Cea mai răspândită metodă de producție este fermentarea anaerobă în metantancuri.

Ca materie primă pot fi utilizate diverse materiale: siloz, dejecții, alge, ape uzate, gunoi de grajd, reziduuri fecale, deșeuri menajere. Substanța inițială este adusă la o stare omogenă, după care, cu ajutorul unui încărcător, este introdusă în reactor.

Acolo se menține o temperatură confortabilă de +35-38°C, necesară pentru desfășurarea procesului de fermentație metanică.

Materia primă este amestecată constant, iar produsul gazos rezultat este evacuat într-un gazometru (rezervor de stocare), de unde ajunge la un electrogenerator.

Mai multe detalii despre obținerea biogazului din dejecții și amenajarea unei instalații de biogaz sunt scrise în articolele:

1. Cum să produgeți bioconbustibil din gunoi de grajd în condiții casnice
2. Instalație de biogaz pentru casă privată realizată manual: recomandări pentru construcție și un exemplu de amenajare a unui proiect DIY

Biohidrogen obținut prin metoda chimică

O varietate de combustibil biologic gazos, care reprezintă un analog al hidrogenului obișnuit, se obține din biomasă prin metode biochimice sau termochimice.

Prin metoda termochimică, materia primă pregătită (de exemplu, deșeuri de lemn) este încălzită la o temperatură de 500—800°C fără acces la oxigen, eliberându-se gazele H₂, CO, CH₄.

O metodă promițătoare de producere a biohidrogenului este biofotoliza. În acest caz, gazul este produs cu ajutorul algelor plasate în apă de mare și ape uzate.

În metoda biochimică, materia primă se menține în condiții confortabile la presiune normală și o temperatură de aproximativ 30°C.

În biomasă se introduc microorganisme speciale Enterobacter cloacae, Rodobacter speriodes, care descompun produsul inițial, eliberând hidrogen. Pentru accelerarea producției cu utilizarea polizaharidelor, se admite adăugarea de enzime.

Concluzii și material video util pe această temă

În videoclipul prezentat mai jos puteți vedea procesul de fabricare a unui tip popular de biocombustibil – brichete din lemn:

Tipurile de combustibil biologic diferă nu doar prin starea de agregare, ci și prin caracteristici. La alegerea unor astfel de materiale, este necesar să se ia în considerare utilizarea lor planificată, eficiența, proprietățile funcționale și costul.

Aveți experiență în utilizarea combustibililor alternativi? Sau doriți să adresați întrebări pe tema biocombustibilului? Vă rugăm, comentați publicația și participați la discuții. Secțiunea de feedback este situată mai jos.