Vrste biogoriv: primerjava lastnosti trdnega, tekočega in plinastega goriva

Alternativa tradicionalnim virom energije so različne vrste biogoriv, za izdelavo katerih se uporablja rastlinska ali živalska surovina, industrijski odpadki in produkti življenjskega delovanja organizmov.

Predlagamo, da spoznate prednosti in slabosti uporabe takšnega goriva, izveste značilnosti proizvodnje, funkcionalne lastnosti ter ocenite učinkovitost uporabe različnih vrst biološkega goriva. Navedene informacije vam bodo pomagale pri izbiri alternativnih virov energije.

Kaj je biološko gorivo

Najbolj obetavna smer v energetiki so tehnologije, ki predvidevajo uporabo obnovljivih virov, med katere sodi tudi biološko gorivo.

Najbolj razširjena vrsta biološkega goriva so navadna drva. 38 % svetovnega prebivalstva jih uporablja za ogrevanje in pripravo hrane.

Kot surovino za njegovo proizvodnjo se lahko uporabi biomasa rastlinskega ali živalskega izvora, vključno z odpadki industrijskih proizvodenj ali z ostanki življenjske dejavnosti živali.

Obdelava takšnih snovi poteka s termokemično ali biološko metodo; pri slednji se gorivo pridobiva s pomočjo različnih vrst mikroorganizmov.

Delež uporabe bioloških vrst goriv stalno narašča, kar prispeva k ohranjanju fosilnih virov ogljikovodikov (+)

V mnogih državah delujejo posebni programi za povečanje deleža biogoriva v nacionalni in regionalni porabi energije. V številnih državah obstajajo tudi obvezne norme glede uporabe tega vira energije.

Prednosti in slabosti biogoriv

Biološke vrste goriv imajo svoje pozitivne in negativne strani. Zanimanje za uporabo te vrste surovine temelji na njenih nespornih prednostih.

Sem spadajo:

• Proračunska cena. Čeprav so trenutno cene biogoriva skoraj enake ceni bencina, se biološke snovi štejejo za bolj ugodno vrsto goriva, saj pri zgorevanju povzročajo manj emisij. Biogorivo je primerno za uporabo v različnih pogojih, pri čemer ga je mogoče prilagoditi motorjem različnih konstrukcij. Dodatna prednost je optimizacija delovanja motorja, ki dlje ostane čist zaradi majhne količine saj in izpušnih plinov.
• Mobilnost. Biološko gorivo se od drugih vrst alternativnih virov energije razlikuje po svoji mobilnosti. Sončne in vetrne elektrarne običajno vključujejo težke akumulatorske baterije, zato se pogosto uporabljajo stacionarno, medtem ko biogorivo brez večjih težav prevažamo iz ene regije v drugo.
• Obnovljiv vir energije. Čeprav po mnenju raziskovalcev obstoječih zalog surove nafte zadošča vsaj za nekaj sto let, so fosilne zaloge vseeno končne. Biogorivo, proizvedeno iz rastlin in živalskih odpadkov, spada med obnovljive vire, ki jim v dogledni prihodnosti ne grozi izginotje.
• Varovanje zemeljske atmosfere. Velika pomanjkljivost tradicionalnih ogljikovodikov je velik odstotek CO₂, ki se sprošča pri zgorevanju. Ta plin v atmosferi našega planeta ustvarja učinek tople grede in s tem ustvarja pogoje za globalno segrevanje. Pri zgorevanju bioloških snovi pa se količina ogljikovega dioksida zmanjša na 65 %. Poleg tega kulture, ki se uporabljajo pri proizvodnji biogoriv, porabljajo ogljikov monoksid in s tem zmanjšujejo njegov delež v zraku.
• Gospodarska varnost. Zaloge ogljikovodikov so neenakomerno porazdeljene, zato je nekaj držav prisiljenih kupovati nafto ali zemeljski plin ter porabiti velika sredstva za nakup, prevoz in skladiščenje. Različne vrste biološkega goriva je mogoče pridobivati praktično v vsaki državi. Ker bo za njegovo proizvodnjo in predelavo potrebno ustanoviti nova podjetja in s tem delovna mesta, bo to koristilo narodnemu gospodarstvu in pozitivno vplivalo na blaginjo ljudi.

Izboljšanje tehnologij in razvoj novih metod bosta lahko okrepila pozitivni učinek biogoriva. Tako bo razvoj tehnologij z uporabo planktona in alg omogočil znatno znižanje njegove cene.

Hkrati je na sedanji stopnji razvoja znanosti in tehnologij proizvodnja biogoriva povezana z vrsto težav in neprijetnosti. Najprej so to naravne omejitve pri gojenju rastlin.

Za rast kultur, ki se uporabljajo za proizvodnjo biomase, je treba upoštevati vrsto dejavnikov, in sicer:

• Uporaba vode. Kmetijske rastline porabijo veliko vode, ki je omejen vir, zlasti v sušnih območjih.
• Invazivnost. Kulture, gojene za gorivo, so pogosto agresivne. Zadušijo avtentično floro, zaradi česar lahko trpita biotska raznovrstnost in ekosistem regije.
• Gnojila. Za rast mnogih rastlin je potrebno dodatno vnašanje hranil, ki lahko škodijo drugim kulturam ali celotnemu ekosistemu.
• Podnebje. Posamezna podnebna območja (na primer puščava ali tundra) niso primerna za gojenje biogorivnih kultur.

Aktivno gojenje kmetijskih rastlin je povezano tudi z izčrpavanjem kmetijskih virov. Neupoštevanje pravil agrotehnike lahko privede do zmanjšanja vsebnosti koristnih sestavin v tleh in posledično do njihovega izčrpavanja, kar bo povzročilo zaostritev prehranskega problema.

Prihaja do motnje ekosistema. Za proizvodnjo biomase je običajno potrebno širjenje območij, ki so vključena v kmetijstvo.

Pogosto se v ta namen izvaja čiščenje območja, kar vodi v uničenje mikroekosistema (na primer gozda), pogin rastlin in živali.

Za proizvodnjo biogoriva se že zdaj goji velik obseg kmetijskih kultur. Za proizvodnjo biomase gre več kot 50 % pridelane oljne repice v Evropi, več kot tretjina ameriškega žita in skoraj polovica sladkornega trsa, pridelanega v Braziliji.

Pojavljajo se težave z gojenjem monokultur. Za večji pridelek biomase proizvajalci pogosto zasejejo zemljišča z določeno rastlino. Takšna praksa se ne odraža preveč dobro na stanju kmetijskih zemljišč, saj monokultura vodi v spremembo okolja.

Na poljih, ki jih zaseda ena vrsta rastlin, običajno parazitirajo posebne vrste škodljivcev. Poskus boja proti njim z insekticidi in pesticidi vodi le v razvoj odpornosti na ta sredstva.

Da bi se izognili zgoraj opisanim težavam, znanstveniki svetujejo, naj ne zanemarjamo biotske raznovrstnosti kultur, temveč na poljih združujemo več rastlin in uporabljamo lokalne sorte flore.

Generacije alternativnega goriva

Širok nabor rastlinskih surovin, ki se uporabljajo za biomaso, običajno delimo na več generacij.

Prva generacija. V to kategorijo spadajo kmetijske rastline, ki vsebujejo visok odstotek škroba, sladkorjev in maščob. To so priljubljene rastline, kot so koruza, sladkorna pesa, ogrščica, soja.

Ker gojenje teh rastlin škodi podnebju, njihov umik s trga pa vpliva na oblikovanje cen izdelkov, jih znanstveniki poskušajo nadomestiti z drugimi vrstami biomase.

Iz kmetijskih rastlin, ki spadajo v prvo generacijo surovin, se danes proizvajajo skoraj vse vrste sodobnega tekočega goriva (biodizel, etanol).

Druga generacija. V skupino biomase spadajo les, trava, kmetijski odpadki (lupine, luščine). Pridobivanje biogoriva iz takih surovin zahteva velike stroške, vendar omogoča reševanje problema odstranjevanja neživilskih ostankov ob hkratni proizvodnji gorljivih materialov.

Značilnost rastlin, ki spadajo v to kategorijo, je prisotnost lignina in celuloze. Zahvaljujoč njima je biomaso mogoče sežigati in uplinjati ter podvreči pirolizi, pri čemer dobimo tekoče gorivo.

Glavna pomanjkljivost biomase druge generacije je nezadosten izkoristek na enoto površine, zaradi česar je treba za take rastline nameniti velike zemljiške vire.

Tretja generacija. Surovina za proizvodnjo biogoriva so alge, ki se gojijo v industrijskem obsegu, na primer v odprtih vodnih telesih.

Najbolj obetavna možnost je biogorivo, pridobljeno iz enoceličnih alg. Take rastline hitro pridobivajo maso, za njihovo gojenje pa niso potrebna rodovitna zemljišča.

Takšna praksa ima velike možnosti, vendar se takšne tehnologije trenutno šele razvijajo. Znanstveniki tudi vodijo raziskave za ustvarjanje metod, ki omogočajo pridobivanje biogoriva četrte in celo pete generacije.

Tri vrste biogoriv

Glede na agregatno stanje snovi ločimo tri osnovne vrste biogoriva:

1. Trdo: drva, šota, odpadki življenjskih dejavnosti živali in kmetijske proizvodnje.
2. Tekoče: biodizel, dimetil eter, bioetanol, biobutanol.
3. Plinasta: bioplin, metan, biovodik.

Vsaka vrsta snovi ima svoje posebnosti, o katerih bomo govorili v nadaljevanju.

Vrsta #1: trdno

Med najbolj priljubljene trdne vrste biološkega goriva spadajo les, šota in živalski odpadki.

Les (drva, sekanci, žagovina)

Stara vrsta biogoriva so vsem dobro znana drva, ki se že od nekdaj uporabljajo za ogrevanje hiš in pripravo hrane. Še vedno jih aktivno uporabljajo v različnih državah za pridobivanje toplotne/električne energije, zlasti na drva deluje velika avstrijska termoelektrarna z močjo 66 megavatov.

Hkrati ima takšna surovina tudi pomanjkljivosti. Energijska vrednost drv je razmeroma nizka: pri zgorevanju del snovi usede kot saje, zato je treba kamine in peči redno čistiti. Poleg tega je za obnovitev zalog lesa potreben določen čas – nova drevesa zrastejo šele čez 15-20 let.

Odlična alternativa običajnim drvom so peleti (granule), za proizvodnjo katerih se uporablja nekvaliteten les: lubje, sekanci, stisnjena žagovina, veje.

Peleti, pridobljeni iz lesa, šote in različnih odpadkov, imajo različne barve. Svetli se uporabljajo za kurjenje kaminov in peči, medtem ko so temni, z večjo vsebnostjo lubja, namenjeni kotlom na trda goriva.

Za proizvodnjo gorivnih peletov se surovina zmelje v prah, ki se nato posuši in stisne pri visoki temperaturi. Zaradi lignina v lesu nastane lepljiva masa, iz katere se oblikujejo majhni valjčki dolžine 5-70 mm in premera 6-10 mm.

Sodobna alternativa tradicionalnim drvom so gorivni briketi štiri-, šest- ali osemkotne oblike. Ta okolju prijazen material ima visoko toplotno oddajo.

Proizvodnjo peletov lahko vzpostavite sami, tako da izdelate stiskalnico za gorivne brikete.

Med priljubljene vrste biogoriva spada lesna sekanci, ki pogosto služijo kot vir energije v evropskih toplotnih elektrarnah. Pridobivanje te surovine poteka na sečnjah ali na posebnih proizvodnih linijah, opremljenih z drobilnimi stroji.

Močvirna in gozdna gorivna šota

To je razširjena vrsta biogoriva, ki se že stoletja uporablja v gospodinjstvih in industriji. Šota je plast mahu, ki se v močvirskih razmerah ni popolnoma razgradila, njeno pridobivanje pa poteka v mnogih državah sveta: Rusiji, Belorusiji, Kanadi, Švedski, Indoneziji in drugih.

Šota, ki vsebuje 50–60 % ogljika, velja za priljubljen plinonosni material. Ta dragocena surovina se lahko uporablja ne le kot gorivo, ampak tudi kot gnojilo ali toplotni izolator.

Za lažji proizvodni proces se biomasa običajno predela na mestu pridobivanja. Postopek obsega čiščenje (presejanje) surovine od nečistoč, čemur sledi sušenje in oblikovanje v brikete ali pelete.

Gorivo iz kmetijskih odpadkov

V kmetijski proizvodnji se običajno nabere veliko število različnih rastlinskih odpadkov: zunanje lupine rastlin, orehove lupine, slama.

Takšno surovino je mogoče tudi stiskati in granulirati, pri čemer dobimo gorivne pelete, katerih lastnosti se skoraj ne razlikujejo od peletov iz lesne biomase.

Biotopivo živalskega izvora

Poleg drv so ljudje že v starih časih začeli uporabljati gorivo živalskega izvora, in sicer kizjake – posušen gnoj domačih živali. Sodobne tehnologije sušenja in predelave takšne surovine omogočajo pridobivanje trdnih vrst biogoriva, ki so popolnoma brez neprijetnega vonja.

Že od nekdaj so nomadska ljudstva uporabljala kot gorivo posušen gnoj konj, kamel in goveda. Danes se iz odpadkov domačih živali proizvaja biogorivo v obliki briketov ali peletov.

Ker se danes odpadki živinoreje kopičijo v industrijskem obsegu, izdelava goriva iz njih hkrati rešuje vprašanje njihovega odstranjevanja.

Vrsta #2: tekoče

Tekoče oblike biogoriva, ki so varne in okolju prijazne, se večinoma uporabljajo kot nadomestilo za bencin in druga podobna sredstva. Med najpogostejše oblike spadajo bioetanol, biometanol, biobutanol, biodizel in dimetil eter.

Bioetanol iz rastlinskih kultur

To je pogosto tekoče biogorivo, ki se uporablja za polnjenje avtomobilov. Čeprav se čista snov ne uporablja kot gorivo, njen dodatek bencinu izboljša delovanje motorja, poveča njegovo moč, omogoča nadzor nad segrevanjem motorja in zmanjšuje emisije izpušnih plinov.

Na številnih bencinskih črpalkah v Evropi, Aziji, Severni in Južni Ameriki ponujajo ne le tradicionalno gorivo, ampak tudi različne vrste biogoriva, predvsem mešanice, ki vsebujejo bioetanol.

Bioetanol so cenili tudi ljubitelji kaminov. Ta snov ima dobro toplotno oddajanje, poleg tega pri njenem gorenju ne nastaja saje ali dim, količina sproščenega ogljikovega dioksida pa je minimalna.

Zaradi takšnih lastnosti gorivo lahko uporabimo celo za kurjenje ognjišča v večstanovanjskih stavbah. Več o biogorivu za kamine je napisano v tem članku.

Pridobivanje bioetanola poteka iz surovine prve generacije, ki vsebuje škrob ali sladkor. Žita, koruza, sladkorni trs in pesa se predelujejo s tehnologijo alkoholnega vrenja.

Biobutanol za polnjenje avtomobilov

Biobutanol – analog butanola, pridobljen z biološko potjo. Brezbarvna tekočina z značilnim vonjem, ki se pogosto uporablja kot kemična surovina v industriji, lahko pa se uporablja tudi kot transportno gorivo.

Kazalnik energijske gostote butanola je blizu bencinu, kar omogoča delno zamenjavo slednjega v gorivnih celicah. Za razliko od bioetanola se biobutanol lahko uporablja samostojno, brez dodajanja tradicionalnih vrst goriva.

Surovine za proizvodnjo te bio snovi so najrazličnejše rastline: pesa, manioka, pšenica, koruza.

Dimetil eter (C₂H₆O)

To je tudi okolju prijazno gorivo. Pri njegovem zgorevanju v izpušnih plinih ni spojin žvepla, vsebnost dušikovih spojin pa je za 90 % nižja kot pri zgorevanju bencina.

Dimetil eter je mogoče uporabljati brez posebnih filtrov, vendar je treba v konstrukcijo avtomobila (sistem za dovod goriva, vžig motorja) vnesti korenite spremembe.

Dimetil eter velja za obetavno možnost avtomobilskega goriva. Vozila z motorji, zasnovanimi za to gorivo, razvijajo velika podjetja, kot so Volvo, SAIC Motor, Kamaz, Nissan.

Brez kakršnih koli predelav je mogoče uporabljati kombinirano gorivo, ki vsebuje 30 % dimetil etra, v vozilih, ki so opremljena z motorji na utekočinjen naftni plin (LPG).

Tekoče gorivo je mogoče proizvajati iz različnih surovin: zemeljskega plina, premogovega prahu, biomase in predvsem iz ostankov celulozno-papirne proizvodnje, ki se pri nizkem tlaku pretvorijo v tekočino.

Biometanol iz enoceličnih alg

Ta snov je analog običajnega metanola, ki se pogosto uporablja za proizvodnjo številnih kemičnih spojin (ocetna kislina, formaldehid), uporablja pa se tudi kot antifriz in topilo.

Vprašanje o proizvodnji te vrste biogoriva je bilo prvič postavljeno v 1980-ih, ko je skupina znanstvenikov predlagala pridobivanje tekoče snovi s pomočjo biokemične transformacije morskega fitoplanktona, katerega gojenje bi potekalo v posebnih vodnih telesih.

Biometanol ima vrsto potencialnih prednosti:

• visok energijski izkoristek – 14 pri pridobivanju metana, 7 pri proizvodnji metanola;
• odlično produktivnost fitoplanktona – do 100 ton na hektar na leto;
• nezahtevnost enoceličnih organizmov, za kultivacijo katerih ni potrebna sladka voda niti rodovitna zemlja;
• ohranjanje kmetijskih virov, ker se fitoplankton goji v ribnikih ali morskih zalivih.

Čeprav industrijska proizvodnja biometanola še ni vzpostavljena, se trenutno izvajajo intenzivne raziskave in razvoj tehnologij za razvoj proizvodnje te vrste alternativnega goriva.

Biodizel kot alternativa transportnemu gorivu

To je tekoče motorno biogorivo, sestavljeno iz mešanice estrov maščobnih kislin. Snov je varna za ljudi in živali, se skoraj popolnoma razgradi v zemlji v 28 dneh in ima relativno visoko (<100) temperaturo vžiga.

Biodizel zmanjšuje delež izpustov škodljivih plinov in podaljšuje življenjsko dobo motorja, saj vsebuje mazalne komponente.

Gorivo se uporablja za polnjenje avtomobilskih motorjev samostojno ali v kombinaciji z običajnim gorivom. Upoštevati je treba le kratek rok trajanja biološke snovi: po treh mesecih se začne razpad biološke snovi s popolno izgubo lastnosti.

Za biodizel je v državah EU sprejet poseben standard EN14214. V več državah velja tudi standard EN590, ki dovoljuje dodatek 5 % biodizla v drugo gorivo.

Vrsta #3: plinasto

Med glavne vrste plinastega biološkega goriva spadata bioplin in biovodik.

Bioplin kot zamenjava za zemeljski plin

Bioplin je skoraj popoln analog zemeljskega plina: vsebuje 13-50 % CO_2, 49-87 % metana ter primesi H₂ in H₂S. Če to snov očistimo ogljikovega dioksida, lahko pridobimo biometan.

Plinsko biogorivo se proizvaja iz biomase z vodikovim ali metanovim vrenjem. Slednje povzročijo tri vrste mikroorganizmov: najprej surovino obdelajo hidrolizne bakterije, ki jih nato zamenjajo kislotvorne in metanotvorne mikrobe.

Proizvodnja bioplina lahko poteka v industrijskih in obrtnih napravah. Najpogostejši način proizvodnje je aeronobna fermentacija v metanskih tankih.

Kot surovina se lahko uporabljajo različni materiali: silaža, gnoj, alge, odpadne vode, ptičji iztrebki, fekalni ostanki, gospodinjski odpadki. Začetno snov se homogenizira, nato pa se z nakladalnikom postavi v reaktor.

Tam se vzdržuje udobna temperatura +35-38 °C, potrebna za potek metanovega vrenja.

Surovina se nenehno meša, pri tem pa se nastali plinasti produkt odvaja v plinohram (shranjevalni blok), od koder pride v elektrogenerator.

Več o pridobivanju bioplina iz gnoja in ureditvi bioplinske naprave je zapisano v člankih:

1. Kako sami doma izdelati biogorivo iz gnoja
2. Bioglinasta naprava za zasebni dom z lastnimi rokami: priporočila za izdelavo in primer izdelave domače naprave

Biovodik, pridobljen s kemijsko metodo

Vrsta plinastega biogoriva, ki je analog običajnega vodika, se pridobiva iz biomase s biokemijsko ali termokemijsko metodo.

Pri termokemijski metodi se pripravljeno surovino (npr. lesni odpadki) segreje na temperaturo 500–800 °C brez dostopa kisika, pri čemer se sproščajo plini H₂, CO, CH₄.

Perspektivna metoda proizvodnje biovodika je biofotoliza. V tem primeru se plin proizvaja s pomočjo alg, ki jih damo v morsko vodo, kanalizacijske odtoke.

Pri biokemični metodi se surovina hrani v ugodnih pogojih pri normalnem tlaku in temperaturi okoli 30 °C.

V biomaso se vnesejo posebni mikroorganizmi Enterobacter cloacae, Rodobacter speriodes, ki razgradijo prvotni produkt in sproščajo vodik. Za pospešitev proizvodnje s polisaharidi je dovoljeno dodajanje encimov.

Zaključki in koristen video na to temo

V spodnjem posnetku si lahko ogledate postopek izdelave priljubljene vrste biogoriva – lesnih briketov:

Vrste biološkega goriva se razlikujejo ne le po agregatnem stanju, ampak tudi po lastnostih. Pri izbiri takšnih materialov je treba upoštevati njihovo načrtovano uporabo, učinkovitost, funkcionalne lastnosti in ceno.

Imate izkušnje z uporabo alternativnega goriva? Ali želite postaviti vprašanja o biogorivu? Prosimo, komentirajte objavo in sodelujte v razpravah. Obrazec za povratne informacije se nahaja spodaj.