Biocombustíveis. Tipos e tipos de combustíveis ecológicos

No final do século 20, a humanidade enfrentou um grande problema para encontrar novas fontes alternativas de energia. A razão para isso era a crise iminente de combustível e energia e a poluição cada vez maior do meio ambiente. Era preciso encontrar novas fontes de energia térmica que pudessem substituir o petróleo e o gás. Junto com o desenvolvimento da energia solar, surgiu outra direção mais promissora e, principalmente, mais orçamentária - o uso de biocombustíveis.

Os biocombustíveis são combustíveis obtidos a partir do processamento de biomassa por meios termoquímicos ou biológicos - com a ajuda de bactérias. Como biomassa podem ser utilizadas matérias-primas vegetais e animais, bem como resíduos orgânicos de produção e dejetos de animais de criação. As fontes mais utilizadas são plantas e resíduos de madeira.

Dependendo do estado de agregação, os seguintes tipos de biocombustíveis são diferenciados:

• Sólido (madeira, aparas de madeira, briquetes de combustível, pellets de combustível, turfa de combustível);
• Líquido (bioetanol, biobutanol, biometanol, biodiesel);
• Gasoso (biogás, biohidrogênio).

Biocombustíveis sólidos

A lenha, como há séculos atrás, continua a ser usada para obter calor e eletricidade. Um exemplo da maior usina de biomassa da Europa é a CHP austríaca. Sua capacidade é de 66 MW.

Apesar do fato de que o mundo está ativamente desenvolvendo e financiando projetos para criar florestas energéticas onde a biomassa lenhosa é cultivada, o uso de vários produtos da indústria madeireira para a produção de biocombustíveis está atraindo cada vez mais atenção. Essas empresas já estão bastante desenvolvidas e fornecem ativamente seus produtos ao mercado. Isso inclui briquetes de combustível e pellets de combustível - pellets.

Para obter briquetes de combustível, vários resíduos biológicos, como excrementos de pássaros e estrume, são secos e prensados. Os briquetes resultantes são usados ​​para aquecimento de instalações residenciais e industriais.

Grânulos de combustível - os pellets são usados ​​de maneira semelhante. Eles são produzidos a partir de serragem, aparas de madeira, cascas, madeira abaixo do padrão, palha, resíduos agrícolas (cascas de girassol, cascas de nozes). Para obter pellets, a biomassa é primeiro triturada em farinha, depois vai para o secador e daí para uma prensa especial, onde, sob a influência da pressão e da alta temperatura, a lignina contida nos resíduos da madeira torna-se pegajosa. Permite a obtenção de cilindros prontos de biocombustível na saída. Uma qualidade distinta dos pellets de combustível é seu baixo teor de cinzas - cerca de 3%.

A tecnologia de obtenção de turfa combustível para aquecimento de edifícios residenciais também é simples. As matérias-primas são entregues diretamente do local de extração para a planta de processamento de turfa, onde a turfa é limpa de impurezas (peneirada), seca e prensada em briquetes.

Outro tipo de biocombustível - cavacos de madeira - é usado na Europa em grandes usinas termelétricas com capacidade de um a vários megawatts. A produção de aparas de madeira é realizada diretamente na extração ou na produção por meio de picadores especiais - trituradores. Como matéria-prima, geralmente são usados ​​resíduos de madeira e madeira de pequeno porte - galhos, cascas, tocos, etc.

Gerações de combustíveis alternativos

A ampla gama de materiais vegetais usados ​​para biomassa é geralmente dividida em várias gerações.

A primeira geração inclui culturas agrícolas, que contêm uma alta porcentagem de amido, açúcares e gorduras. Essas são plantas populares como milho, beterraba sacarina, colza, soja. Como o cultivo dessas safras prejudica o clima e sua retirada do mercado afeta o preço dos produtos, os cientistas estão tentando substituí-los por outros tipos de biomassa.

Quase todos os tipos de combustíveis líquidos modernos (biodiesel, etanol) são produzidos atualmente a partir de plantas agrícolas pertencentes à primeira geração de matérias-primas.

O grupo da segunda geração da biomassa inclui madeira, grama, resíduos agrícolas (cascas, cascas). A obtenção de biocombustíveis a partir dessas matérias-primas é cara, mas permite resolver a questão do descarte de resíduos não alimentares com a produção simultânea de materiais combustíveis.

Uma característica das culturas incluídas nesta variedade é a presença de lignina e celulose. Graças a eles, a biomassa pode ser queimada e gaseificada, bem como submetida à pirólise, obtendo-se um combustível líquido. A principal desvantagem da biomassa de segunda geração é considerada um rendimento insuficiente por unidade de área, razão pela qual recursos significativos de terra têm de ser alocados para essas culturas.

A matéria-prima para a produção de biocombustíveis de terceira geração são as algas, cultivadas em escala industrial, por exemplo, em corpos d'água abertos.

A opção mais promissora são os biocombustíveis obtidos de algas unicelulares. Essas plantas ganham peso rapidamente, enquanto seu cultivo não requer terras férteis.

Essa prática tem grandes perspectivas, mas atualmente tais tecnologias estão apenas sendo desenvolvidas. Os cientistas também estão conduzindo pesquisas sobre a criação de métodos para obter biocombustíveis de quarta e até quinta geração.

Biocombustíveis líquidos

Os biocombustíveis líquidos estão se tornando cada vez mais populares devido à sua compatibilidade e segurança com o meio ambiente. É usado principalmente em motores de combustão interna. Este tipo de combustível é obtido a partir do processamento de diversos materiais vegetais.

Existem principais tipos de biocombustíveis líquidos:

1. Bioetanol
2. Biobutanol
3. Biometanol
4. Biodiesel

Bioetanol

Assume posição de liderança na lista de biocombustíveis líquidos. Seu escopo é em carros comuns e, nos últimos anos, também tem sido usado como biocombustível para lareiras residenciais. O bioetanol misturado à gasolina como combustível apresenta uma série de vantagens sobre a gasolina convencional: melhora o desempenho do motor do carro, aumenta sua potência, não superaquece o motor, não forma fuligem, depósitos de carbono e fumaça.

O bioetanol é uma ótima alternativa para os amantes de lareira. Por não formar fumaça, fuligem e emite uma pequena quantidade de dióxido de carbono durante a combustão. Pode ser usado para aquecer lareiras, mesmo em edifícios de apartamentos. Ao mesmo tempo, não há nenhuma perda de calor, como normalmente acontece com o funcionamento de lareiras convencionais com chaminé.

É produzido segundo a tecnologia de fermentação alcoólica a partir de matérias-primas contendo amido ou açúcar: milho, cereais, cana-de-açúcar, beterraba sacarina. É economicamente justificado obter etanol a partir de matérias-primas que contêm celulose.

Biobutanol

Como combustível para motores, é mais preferível do que o bioetanol: mistura-se melhor com a gasolina e também pode ser usado como combustível separado. Para obtê-lo, são utilizadas culturas tradicionais: cana-de-açúcar, milho, trigo, beterraba sacarina. Embora menos popular que o bioetanol.

Biometanol

Sua tecnologia de produção ainda é imperfeita e requer a introdução de muitos outros desenvolvimentos inovadores. Supõe-se que seja obtido por transformação bioquímica do fitoplâncton marinho cultivado em reservatórios especiais.Mas até agora não foi possível estabelecer a produção em escala industrial. As aplicações do biometanol são as mesmas do metanol convencional. É a produção de uma série de substâncias (formaldeído, metacrilato de metila, metilaminas, ácido acético, etc.), como solvente e anticongelante.

Biodiesel

É usado em motores de automóveis separadamente e em mistura com o óleo diesel convencional. Além da ausência do impacto negativo do biodiesel no meio ambiente, inúmeros estudos destacam outra vantagem. Devido ao baixo teor de enxofre, as propriedades lubrificantes do biodiesel são melhores, o que ajuda a prolongar a vida útil dos motores em série. As matérias-primas para a produção de biodiesel podem ser plantas (algodão, soja, colza) e óleos graxos (palma, colza, coco), algas.

Vantagens e desvantagens dos biocombustíveis

Os combustíveis biológicos têm seus lados positivos e negativos. O interesse na utilização desse tipo de matéria-prima se deve às vantagens indiscutíveis. Esses incluem:

• Custo do orçamento... Enquanto os biocombustíveis custam atualmente quase o mesmo preço da gasolina, os biomateriais são considerados um combustível mais lucrativo porque produzem menos emissões quando queimados. Os biocombustíveis são adequados para várias aplicações e podem ser adaptados a diferentes projetos de motores. Outra vantagem é a otimização do motor, que fica mais limpo por mais tempo, com menos fuligem e gases de escapamento.
• Mobilidade... Os biocombustíveis diferem de outras opções de energia alternativa em sua mobilidade. A construção de usinas de energia solar e eólica geralmente inclui baterias de armazenamento pesadas, de modo que costumam ser usadas estacionárias, enquanto o biocombustível pode ser transportado de uma região para outra sem muitos problemas.
• Fonte de energia renovável... Embora, de acordo com os pesquisadores, os depósitos existentes de petróleo bruto durem pelo menos várias centenas de anos, as reservas fósseis ainda são finitas. Os biocombustíveis, feitos de plantas e dejetos animais, estão entre os recursos renováveis ​​que não estão ameaçados de extinção em um futuro previsível.
• Proteção da atmosfera terrestre... Uma grande desvantagem dos hidrocarbonetos tradicionais é a grande porcentagem de CO2 que é emitida durante a combustão. Esse gás cria um efeito estufa na atmosfera de nosso planeta, criando condições para o aquecimento global. Quando substâncias biológicas são queimadas, a quantidade de dióxido de carbono é reduzida para 65%. Além disso, as lavouras utilizadas na produção de biocombustíveis consomem monóxido de carbono, reduzindo sua proporção no ar.
• Segurança econômica... As reservas de hidrocarbonetos estão distribuídas de forma desigual, então alguns estados são forçados a comprar petróleo ou gás natural, gastando grandes quantias de dinheiro em aquisição, transporte e armazenamento. Vários tipos de combustíveis biológicos podem ser obtidos em quase todos os países. Uma vez que a sua produção e processamento exigirão a criação de novas empresas e, consequentemente, empregos, isso beneficiará a economia nacional e terá um efeito positivo no bem-estar das pessoas.

Melhorar as tecnologias e desenvolver novos métodos pode aumentar os efeitos positivos dos biocombustíveis. Assim, o desenvolvimento de tecnologias com plâncton e algas reduzirá significativamente seu preço.

Ao mesmo tempo, no atual estágio de desenvolvimento das ciências e tecnologias, a produção de biocombustíveis está associada a uma série de dificuldades e inconvenientes. Em primeiro lugar, essas são limitações naturais no cultivo de plantas. Para o crescimento das safras utilizadas para a produção de biomassa, uma série de fatores devem ser levados em consideração, a saber:

• Uso de água... As plantações consomem muita água, que é um recurso limitado, especialmente em áreas áridas.
• Invasividade... As safras de combustível são freqüentemente agressivas. Eles afogam a flora autêntica, que pode causar danos à biodiversidade e ao ecossistema da região.
• Fertilizantes... Muitas plantas requerem entradas de nutrientes adicionais que podem prejudicar outras culturas ou o ecossistema em geral.
• Clima. Certas zonas climáticas (por exemplo, deserto ou tundra) não são adequadas para o cultivo de biocombustíveis.

O cultivo ativo de plantas agrícolas também está associado ao esgotamento dos recursos agrícolas. O não cumprimento das regras da tecnologia agrícola pode levar à diminuição do conteúdo dos componentes úteis do solo e, consequentemente, ao seu esgotamento, o que agravará o problema alimentar.

O ecossistema está perturbado. A produção de biomassa geralmente requer uma expansão de terras agrícolas. Muitas vezes, para esse fim, o território é desmatado, o que leva à destruição do microecossistema (por exemplo, uma floresta), à morte de plantas e animais.

Um grande volume de safras já está sendo cultivado para a produção de biocombustíveis. Mais de 50% da canola na Europa é usada para produção de biomassa, mais de um terço dos grãos americanos, quase metade da cana-de-açúcar cultivada no Brasil

Existem problemas com o cultivo de monoculturas. Para obter mais rendimentos de biomassa, os produtores costumam semear a terra com uma planta específica. Essa prática não é muito boa para o estado das terras agrícolas, pois a monocultura leva a uma mudança no meio ambiente.

Nos campos ocupados por um tipo de planta, tipos especiais de pragas costumam parasitar. A tentativa de controlá-los com o auxílio de inseticidas e pesticidas só leva ao desenvolvimento de resistência a esses agentes.

Para evitar os problemas descritos acima, os cientistas aconselham não negligenciar a biodiversidade das culturas, combinando várias plantas no campo, e também usar variedades locais da flora.

Biocombustíveis gasosos

Existem dois tipos principais de combustíveis gasosos:

• Biogás
• Biohidrogênio

Biogás

Produto da fermentação de resíduos orgânicos, que pode ser utilizado como resíduo fecal, esgoto, lixo doméstico, resíduo de matadouro, esterco, esterco, além de silagem e algas. É uma mistura de metano e dióxido de carbono. Os fertilizantes orgânicos são outro produto do processamento de resíduos domésticos na produção de biogás. A tecnologia de produção está associada à transformação de substâncias orgânicas complexas sob a influência de bactérias que realizam a fermentação do metano.

No início do processo tecnológico, a massa residual é homogeneizada, então a matéria-prima preparada é alimentada usando um carregador em um reator aquecido e isolado, onde o processo de fermentação do metano ocorre diretamente a uma temperatura de cerca de 35-38 ° C A massa de resíduos é constantemente misturada. O biogás resultante entra em um tanque de gás (usado para armazenar gás) e, em seguida, é enviado a um gerador elétrico. O biogás resultante substitui o gás natural convencional. Pode ser usado como biocombustível ou gerar eletricidade a partir dele.

Biohidrogênio

Pode ser obtido a partir da biomassa por métodos termoquímicos, bioquímicos ou biotecnológicos. O primeiro método de obtenção está associado ao aquecimento de resíduos de madeira a uma temperatura de 500-800 ° C, como resultado da qual uma mistura de gases - hidrogênio, monóxido de carbono e metano - começa a se desenvolver. No método bioquímico, são utilizadas enzimas da bactéria Rodobacter speriodes, Enterobacter cloacae, que causam a produção de hidrogênio durante a divisão de resíduos vegetais contendo celulose e amido. O processo ocorre em pressão normal e baixa temperatura.O biohidrogênio é usado na produção de células a combustível de hidrogênio para transporte e energia. Ainda não é amplamente utilizado.

Tendências no desenvolvimento do mercado global de biocombustíveis

Os fatores que impulsionam a disseminação dos biocombustíveis são as ameaças da segurança energética, das mudanças climáticas e da desaceleração econômica. A expansão da produção de biocombustíveis em todo o mundo visa aumentar a participação no consumo de combustíveis limpos, especialmente nos transportes; redução da dependência do petróleo importado para muitos países; redução das emissões de gases de efeito estufa; desenvolvimento Econômico. Os biocombustíveis são uma alternativa aos combustíveis tradicionais derivados do petróleo. Os centros mundiais de produção de biocombustíveis em 2014 são EUA, Brasil e União Europeia. O tipo de biocombustível mais difundido é o bioetanol, sua participação é de 82% de todos os combustíveis produzidos no mundo a partir de matérias-primas biológicas. Os principais fabricantes são EUA e Brasil. O biodiesel está em segundo lugar. 49% da produção de biodiesel está concentrada na União Europeia. No longo prazo, a demanda cada vez maior por biocombustíveis dos transportes terrestres, aéreos e marítimos pode mudar dramaticamente a situação atual no mercado global de energia. O uso de matérias-primas agrícolas para a produção de biocombustíveis líquidos e o crescimento de sua produção têm levado à demanda por produtos agrícolas, o que influenciou os preços das culturas alimentares utilizadas na produção de biocombustíveis. Os biocombustíveis de segunda geração continuam a crescer, com a produção global de biocombustíveis de segunda geração estimada em 10 bilhões de litros até 2020. A produção mundial de biocombustíveis até 2020 deve aumentar 25% e chegar a aprox. 140 bilhões de litros. Na União Europeia, a maior parte da produção de biocombustíveis é biodiesel produzido a partir de sementes oleaginosas (colza). De acordo com as previsões, a produção de bioetanol a partir do trigo e do milho, assim como da beterraba sacarina, terá expansão nos países da UE. No Brasil, a produção de bioetanol deve continuar crescendo em ritmo acelerado e chegará a aproximadamente 41 bilhões de litros até 2017. Em geral, a produção de bioetanol e biodiesel deve crescer rapidamente até 2020 e chegará a 125 e 25 bilhões de litros, respectivamente. A produção de biocombustíveis começou a crescer rapidamente na Ásia. Em 2014, a China é o terceiro maior produtor de bioetanol, e essa produção deve crescer mais de 4% ao ano nos próximos dez anos. Na Índia, projeta-se que a produção de bioetanol a partir do melaço aumente em mais de 7% ao ano. Ao mesmo tempo, a produção de biodiesel a partir de novas safras, como a pinhão-manso, está se expandindo.

De acordo com as projeções da Agência Mundial de Energia (AIE), a escassez de petróleo em 2025 será estimada em 14%. De acordo com a AIE, mesmo que o volume total de produção de biocombustíveis (incluindo bioetanol e biodiesel) chegue a 220 bilhões de litros até 2021, sua produção cobrirá apenas 7% da demanda mundial de combustível. A taxa de crescimento da produção de biocombustíveis está muito aquém da taxa de crescimento da demanda por eles. Isso se deve à disponibilidade de matérias-primas baratas e financiamento insuficiente. O uso comercial massivo de biocombustíveis será impulsionado pela obtenção de um equilíbrio de preços com os combustíveis convencionais derivados do petróleo. De acordo com as previsões dos cientistas, a participação das fontes renováveis ​​de energia até 2040 chegará a 47,7%, e da biomassa - 23,8%.

Com o atual nível de desenvolvimento de tecnologia, a produção de biocombustíveis constituirá uma pequena parte da oferta global de energia, e os preços da energia afetarão o custo das matérias-primas agrícolas.Os biocombustíveis podem impactar a segurança alimentar de diferentes maneiras - o aumento dos preços das commodities impulsionado pela produção de biocombustíveis pode prejudicar os importadores de alimentos, por outro lado, estimular a produção agrícola doméstica pelos pequenos agricultores.

EQUIPE DE GASES

Os combustíveis gasosos também são obtidos da biomassa, que também são excelentes para automóveis. Por exemplo, o metano é um dos principais componentes dos gases naturais e dos chamados gases associados produzidos durante a destilação do petróleo. Esse mineral pode ser facilmente substituído por uma montanha desnecessária de resíduos orgânicos - de esterco banal a resíduos de indústrias de peixes, carnes, laticínios e vegetais. Essa biomassa alimenta as bactérias que produzem biogás. Após a limpeza do gás dióxido de carbono, obtém-se o chamado biometano. Sua principal diferença em relação ao metano comum, com o qual funcionam muitos modelos de produção, é que ele não é um mineral. Bem, alguma coisa, mas o estrume e as plantas antes do fim da vida no planeta não acabarão.

Esquema de produção de biometano (todos os diagramas e tabelas abrem em tamanho real com um clique do mouse):

Biocombustíveis como fonte alternativa de energia:

A humanidade sempre se deparou agudamente com a questão de encontrar fontes de energia baratas, cujo recebimento não exigisse custos excessivos. O problema do uso de recursos energéticos tornou-se especialmente agudo no século 20, quando ficou claro que a queima impensada de hidrocarbonetos levaria a uma redução ainda maior em suas reservas terrestres. Os cientistas chegaram à conclusão de que as reservas de petróleo e gás irão se esgotar com o tempo e os custos de desenvolvimento de novos campos aumentarão significativamente, à medida que mais equipamentos e capacidades de produção terão que ser atraídos. Durante este período, a ecologia deteriorou-se significativamente, reagindo de forma dolorosa ao desaparecimento da cobertura florestal e à contínua poluição da atmosfera, intestinos e água.

É cada vez maior a relevância da busca por fontes alternativas de energia térmica, que possam substituir o gás natural e o petróleo. E nessa direção efetiva, junto com a energia solar, a energia eólica passou a ser a utilização de portadores de energia de origem biológica (biocombustível).

Sob o combustível de origem biológica (biocombustíveis) deve ser entendido como um produto sintetizado a partir de matérias-primas animais ou vegetais, bem como de resíduos biológicos, que, sob certa influência, liberam energia térmica.

Entre outras definições biocombustíveis há também o seguinte: “Biocombustível é um combustível obtido a partir de biomassa como resultado de uma reação termoquímica ou biológica”.

54-60% dos biocombustíveis são as suas formas tradicionais: lenha, resíduos de plantas e estrume seco para aquecimento de casas e cozinha. Eles são usados ​​por 38% da população mundial.

MENU VEGETARIANO

O óleo diesel também é preparado de acordo com receitas não padronizadas. As matérias-primas são colza, soja, diversos óleos e gorduras. Esse combustível é marcado com a letra B e números correspondentes à proporção dos componentes da planta na mistura. O índice de cetano do combustível é maior do que o de um combustível convencional: 51 contra 42-45. O combustível é altamente biodegradável sem agredir o meio ambiente e praticamente não contém enxofre. Entre as desvantagens significativas está o curto prazo de validade.

Os bioaditivos para combustível diesel ainda não receberam um uso tão difundido como o bioetanol. No entanto, é produzido em muitos países. Existem países onde o conteúdo biológico de 5% é legalizado e não precisa ser mencionado na venda.