Na konci 20. storočia sa pred ľudstvom objavila otázka hľadania nových alternatívnych zdrojov energie. Dôvodom bola hroziaca palivová a energetická kríza a neustále sa zvyšujúce znečistenie životného prostredia. Bolo potrebné nájsť nové zdroje tepelnej energie, ktoré by mohli nahradiť ropu a plyn. Spolu s rozvojom solárnej energie sa objavilo ďalšie sľubnejšie, a čo je najdôležitejšie, rozpočtovejšie smerovanie - využívanie biopalív.
Biopalivá sú palivá získané zo spracovania biomasy termochemickými alebo biologickými prostriedkami - pomocou baktérií. Ako biomasa sa môžu používať rastlinné aj živočíšne suroviny, ako aj organické zvyšky z výroby a odpad z hospodárskych zvierat. Najčastejšie používaným zdrojom sú rastliny a drevný odpad.
V závislosti od stavu agregácie sa rozlišujú tieto typy biopalív:
- Masív (drevo, drevná štiepka, palivové brikety, palivové pelety, palivová rašelina);
- Kvapalina (bioetanol, biobutanol, biometanol, bionafta);
- Plynné (bioplyn, biovodík).
Tuhé biopalivá
Palivové drevo sa rovnako ako pred stáročiami naďalej používa na získavanie tepla a elektriny. Príkladom najväčšej elektrárne na biomasu v Európe je rakúska CHP. Jeho kapacita je 66 MW.
Napriek tomu, že svet aktívne rozvíja a financuje projekty na vytváranie energetických lesov, kde sa pestuje drevná biomasa, čoraz viac pozornosti vzbudzuje záujem o využitie rôznych výrobkov drevospracujúceho priemyslu na získavanie biopalív. Takéto podniky sú už dosť dobre rozvinuté a aktívne dodávajú svoje výrobky na trh. Patria sem palivové brikety a palivové pelety - pelety.
Na získanie palivových brikiet sa sušia a lisujú rôzne biologické odpady, ako napríklad vtáčí trus a hnoj. Výsledné brikety sa používajú na vykurovanie bytových a priemyselných priestorov.
Podobným spôsobom sa používajú palivové granule - pelety. Vyrábajú sa z pilín, drevnej štiepky, kôry, neštandardného dreva, slamy, poľnohospodárskeho odpadu (slnečnicové šupky, škrupiny z orechov). Na získanie peliet sa biomasa najskôr rozdrví na múku, potom vstúpi do sušiarne a z nej do špeciálneho lisu, kde sa pod tlakom a vysokou teplotou lignín obsiahnutý v drevnom odpade stáva lepkavým. Umožňuje získať na výstupe pripravené valce s biopalivom. Výraznou kvalitou palivových peliet je ich nízky obsah popola - asi 3%.
Jednoduchá je aj technológia získavania rašeliny používanej na vykurovanie obytných budov. Suroviny sa dodávajú priamo z miesta ťažby do závodu na spracovanie rašeliny, kde sa rašelina očistí od nečistôt (preoseje), vysuší a stlačí na brikety.
Iný typ biopaliva - drevná štiepka - sa v Európe používa vo veľkých tepelných elektrárňach s kapacitou od jedného do niekoľkých megawattov. Výroba drevnej štiepky sa uskutočňuje priamo pri ťažbe alebo pri výrobe pomocou špeciálnych štiepkovačov - drvičov. Ako surovina sa zvyčajne používa malé drevo a zvyšky po ťažbe - konáre, kôra, pne atď.
Generácie alternatívnych palív
Široká škála rastlinných materiálov používaných na biomasu je zvyčajne rozdelená do niekoľkých generácií.
Prvá generácia zahŕňa poľnohospodárske plodiny, ktoré obsahujú vysoké percento škrobu, cukrov, tukov. Sú to také populárne rastliny ako kukurica, cukrová repa, repka, sója. Pretože pestovanie týchto plodín je škodlivé pre klímu a ich stiahnutie z trhu ovplyvňuje ceny produktov, vedci sa ich snažia nahradiť inými druhmi biomasy.
Takmer všetky druhy moderných kvapalných palív (bionafta, etanol) sa v súčasnosti vyrábajú z poľnohospodárskych rastlín patriacich k prvej generácii surovín.
Do skupiny druhej generácie biomasy patrí drevo, tráva, poľnohospodársky odpad (škrupiny, plevy). Získavanie biopalív z týchto surovín je nákladné, ale umožňuje vyriešiť otázku zneškodňovania nepotravinových zvyškov pri súčasnej výrobe horľavých materiálov.
Charakteristikou plodín obsiahnutých v tejto odrode je prítomnosť lignínu a celulózy v nich. Vďaka nim možno biomasu spaľovať a splyňovať, ako aj podrobiť pyrolýze, pričom sa získa kvapalné palivo. Za hlavnú nevýhodu biomasy druhej generácie sa považuje nedostatočný výnos na jednotku plochy, a preto je pre tieto plodiny potrebné prideliť značné pôdne zdroje.
Surovinou na výrobu biopalív tretej generácie sú riasy, ktoré sa pestujú v priemyselnom meradle napríklad na otvorených vodných plochách.
Za najsľubnejšiu možnosť sa považujú biopalivá získané z jednobunkových rias. Takéto rastliny rýchlo priberajú na váhe, zatiaľ čo na ich kultiváciu nie je potrebná úrodná pôda.
Táto prax má veľké vyhliadky, ale v súčasnosti sa tieto technológie vyvíjajú iba v súčasnosti. Vedci tiež uskutočňujú výskum vývoja metód na získavanie biopalív štvrtej a dokonca piatej generácie.
Kvapalné biopalivá
Kvapalné biopalivá sú čoraz viac populárne kvôli ich ekologickej nezávadnosti a bezpečnosti. Používa sa hlavne v spaľovacích motoroch. Tento druh paliva sa získava spracovaním rôznych rastlinných materiálov.
Existujú hlavné typy kvapalných biopalív:
- Bioetanol
- Biobutanol
- Biometanol
- Bionafta
Bioetanol
Zaujíma popredné miesto v zozname kvapalných biopalív. Jeho rozsah je v bežných automobiloch a v posledných rokoch sa používa aj ako biopalivo pre domáce krby. Bioetanol zmiešaný s benzínom ako palivom má oproti bežnému benzínu množstvo výhod: zlepšuje výkon motora automobilu, zvyšuje jeho výkon, neprehrieva motor, netvorí sadze, sadze ani dym.
Bioetanol je skvelou alternatívou pre milovníkov krbu. Pretože netvorí dym, sadze a počas spaľovania emituje malé množstvo oxidu uhličitého. Môže byť použitý na vykurovanie krbov aj v bytových domoch. Zároveň vôbec nedochádza k žiadnym tepelným stratám, ako to býva pri prevádzke klasických krbov s komínom.
Vyrába sa technológiou alkoholového kvasenia zo surovín obsahujúcich škrob alebo cukor: kukurica, obilniny, cukrová trstina, cukrová repa. Ekonomicky je opodstatnené získavať etanol zo surovín obsahujúcich celulózu.
Biobutanol
Ako palivo pre motory je výhodnejšie ako bioetanol: lepšie sa mieša s benzínom a možno ho tiež použiť ako samostatné palivo. Na jeho získanie sa používajú tradičné plodiny: cukrová trstina, kukurica, pšenica, cukrová repa. Aj keď menej populárny ako bioetanol.
Biometanol
Jeho výrobná technológia je stále nedokonalá a vyžaduje si zavedenie mnohých ďalších inovatívnych riešení. Predpokladá sa, že sa získa biochemickou transformáciou morského fytoplanktónu kultivovaného v špeciálnych nádržiach.Ale doteraz nebolo možné zaviesť výrobu v priemyselnom meradle. Aplikácie pre biometanol sú rovnaké ako pre konvenčný metanol. Jedná sa o výrobu mnohých látok (formaldehyd, metylmetakrylát, metylamíny, kyselina octová atď.), Ako rozpúšťadla a nemrznúcej zmesi.
Bionafta
Používa sa v automobilových motoroch samostatne aj v zmesi s klasickou naftou. Okrem absencie negatívneho vplyvu bionafty na životné prostredie poukázali početné štúdie na ďalšiu výhodu. Vďaka nízkemu obsahu síry je lepšia mazacia schopnosť bionafty, čo pomáha predĺžiť životnosť sériových motorov. Suroviny na výrobu bionafty môžu byť ako rastliny (bavlna, sója, repka olejná), tak aj mastné oleje (palmový, repkový, kokosový), riasy.
Výhody a nevýhody biopalív
Biologické palivá majú svoje pozitívne aj negatívne stránky. Záujem o použitie tohto druhu suroviny je spôsobený jeho nepochybnými výhodami. Tie obsahujú:
- Rozpočtové náklady... Zatiaľ čo biopalivá majú v súčasnosti ceny takmer rovnakej ceny ako benzín, biomateriály sa považujú za výnosnejšie palivo, pretože pri spaľovaní produkujú menej emisií. Biopalivá sú vhodné na rôzne použitie a je možné ich prispôsobiť rôznym konštrukciám motorov. Ďalším plusom je optimalizácia motora, ktorý zostáva dlhšie čistý s menším počtom sadzí a výfukových plynov.
- Mobilita... Biopalivá sa odlišujú od iných alternatívnych energetických možností svojou mobilitou. Konštrukcia solárnych a veterných zariadení zvyčajne zahŕňa ťažké akumulátory, takže sa najčastejšie používajú stacionárne, zatiaľ čo biopalivo sa dá bez väčších problémov prepravovať z jedného regiónu do druhého.
- Obnoviteľný zdroj energie... Aj keď podľa výskumníkov budú existujúce ložiská ropy trvať najmenej niekoľko sto rokov, zásoby fosílií sú stále konečné. Biopalivá vyrobené z rastlín a živočíšneho odpadu sú obnoviteľné zdroje, ktorým v dohľadnom čase nehrozí vyhynutie.
- Ochrana zemskej atmosféry... Veľkou nevýhodou tradičných uhľovodíkov je veľké percento CO2, ktoré sa emituje počas spaľovania. Tento plyn vytvára skleníkový efekt v atmosfére našej planéty a vytvára podmienky pre globálne otepľovanie. Pri spaľovaní biologických látok sa množstvo oxidu uhličitého zníži na 65%. Okrem toho plodiny používané pri výrobe biopalív spotrebúvajú oxid uhoľnatý, čím sa znižuje jeho podiel vo vzduchu.
- Ekonomická bezpečnosť... Zásoby uhľovodíkov sú nerovnomerne rozložené, takže niektoré štáty sú nútené nakupovať ropu alebo zemný plyn a na nákup, prepravu a skladovanie vynakladať veľké množstvo peňazí. Rôzne druhy biologických palív možno zohnať takmer v každej krajine. Pretože jeho výroba a spracovanie si bude vyžadovať vytváranie nových podnikov, a tým aj pracovných miest, bude to prospešné pre národné hospodárstvo a bude mať pozitívny vplyv na blaho ľudí.
Vylepšené technológie a vývoj nových metód môžu zvýšiť pozitívne účinky biopalív. Rozvoj technológií využívajúcich planktón a riasy teda výrazne zníži jeho cenu.
Zároveň je v súčasnej fáze vývoja vied a technológií výroba biopalív spojená s mnohými ťažkosťami a nepríjemnosťami. V prvom rade ide o prirodzené obmedzenia pri pestovaní rastlín. Pri raste plodín používaných na výrobu biomasy je potrebné brať do úvahy niekoľko faktorov, a to:
- Použitie vody... Plodiny konzumujú veľa vody, čo je obmedzený zdroj, najmä v suchých oblastiach.
- Invazívnosť... Plodiny pestované na palive sú často agresívne. Utopia autentickú flóru, ktorá môže poškodiť biodiverzitu a ekosystém regiónu.
- Hnojivá... Mnoho rastlín vyžaduje ďalšie vstupy živín, ktoré môžu poškodiť iné plodiny alebo celkový ekosystém.
- Podnebie. Určité klimatické pásma (napr. Púšť alebo tundra) nie sú vhodné na pestovanie plodín na biopalivá.
Aktívne pestovanie poľnohospodárskych rastlín súvisí aj s vyčerpaním poľnohospodárskych zdrojov. Nedodržiavanie pravidiel poľnohospodárskej technológie môže viesť k zníženiu obsahu užitočných zložiek pôdy a v dôsledku toho k ich vyčerpaniu, čo sa prehĺbi. problém s jedlom.
Ekosystém je narušený. Výroba biomasy zvyčajne vyžaduje rozšírenie poľnohospodárskej pôdy. Z tohto dôvodu sa územie často vyčistí, čo vedie k zničeniu mikroekosystému (napríklad lesa), smrti rastlín a živočíchov.
Už sa pestuje veľké množstvo plodín na výrobu biopalív. Viac ako 50% repky olejnej v Európe sa používa na výrobu biomasy, viac ako tretina amerického obilia, takmer polovica cukrovej trstiny pestovaná v Brazílii
Problémy sú s rastom monokultúr. Na získanie väčších výnosov biomasy pestovatelia často zasievajú pôdu konkrétnou rastlinou. Táto praktika nie je pre stav poľnohospodárskej pôdy veľmi dobrá, pretože monokultúra vedie k zmene životného prostredia.
Na poliach obsadených jedným druhom rastlín zvyčajne parazitujú špeciálne druhy škodcov. Pokus o ich kontrolu pomocou insekticídov a pesticídov vedie iba k rozvoju rezistencie na tieto látky.
Aby sa zabránilo vyššie opísaným problémom, vedci odporúčajú nezanedbávať biodiverzitu plodín kombinujúcich niekoľko rastlín na poliach a tiež používať miestne odrody flóry.
Plynné biopalivá
Existujú dva hlavné typy plynných palív:
- Bioplyn
- Biovodík
Bioplyn
Fermentačný produkt organického odpadu, ktorý je možné použiť ako fekálne zvyšky, odpadové vody, domáci odpad, odpad z bitúnkov, hnoj, hnoj a tiež siláž a riasy. Je to zmes metánu a oxidu uhličitého. Organické hnojivá sú ďalším produktom spracovania domového odpadu pri výrobe bioplynu. Technológia výroby je spojená s transformáciou komplexných organických látok pod vplyvom baktérií vykonávajúcich metánovú fermentáciu.
Na začiatku technologického procesu sa odpadová hmota homogenizuje, potom sa pripravená surovina privádza pomocou nakladača do vyhrievaného a izolovaného reaktora, kde proces fermentácie metánu prebieha priamo pri teplote asi 35 - 38 ° C. Hmota odpadu sa neustále mieša. Výsledný bioplyn vstupuje do plynovej nádrže (používanej na skladovanie plynu) a potom sa dodáva do elektrického generátora. Výsledný bioplyn nahrádza konvenčný zemný plyn. Môže byť použitý ako biopalivo alebo na výrobu elektriny z neho.
Biovodík
Môže sa získať z biomasy termochemickými, biochemickými alebo biotechnologickými metódami. Prvý spôsob získavania je spojený so zahrievaním drevného odpadu na teplotu 500 - 800 ° C, v dôsledku čoho sa začne vyvíjať zmes plynov - vodík, oxid uhoľnatý a metán. V biochemickej metóde sa používajú enzýmy baktérií Rodobacter speriodes, Enterobacter cloacae, ktoré spôsobujú tvorbu vodíka pri štiepení rastlinných zvyškov obsahujúcich celulózu a škrob. Proces prebieha pri normálnom tlaku a nízkej teplote.Biovodík sa používa na výrobu vodíkových palivových článkov v doprave a energii. Zatiaľ nie je veľmi používaný.
Trendy vo vývoji globálneho trhu s biopalivami
Hlavnými faktormi šírenia biopalív sú hrozby vyplývajúce z energetickej bezpečnosti, zmeny podnebia a hospodárskeho poklesu. Rozšírenie výroby biopalív po celom svete má za cieľ zvýšiť podiel čistej spotreby paliva, najmä v doprave; znížená závislosť od dovážanej ropy pre mnoho krajín; zníženie emisií skleníkových plynov; ekonomický vývoj. Biopalivá sú alternatívou k tradičným palivám získavaným z ropy. Svetovými centrami na výrobu biopalív v roku 2014 sú USA, Brazília a Európska únia. Najrozšírenejším typom biopaliva je bioetanol, jeho podiel predstavuje 82% všetkých palív vyrobených na svete z biologických surovín. Poprednými výrobcami sú USA a Brazília. Na druhom mieste je bionafta. 49% výroby bionafty je sústredených v Európskej únii. Z dlhodobého hľadiska môže neustále rastúci dopyt po biopalivách z pozemnej, leteckej a námornej dopravy dramaticky zmeniť súčasnú situáciu na globálnom trhu s energiou. Používanie poľnohospodárskych surovín na výrobu kvapalných biopalív a rast ich výroby viedli k dopytu po poľnohospodárskych výrobkoch, čo ovplyvnilo ceny potravinárskych plodín používaných pri výrobe biopalív. Biopalivá druhej generácie naďalej rastú, pričom sa očakáva, že globálna produkcia biopalív druhej generácie dosiahne do roku 2020 10 miliárd litrov. Svetová produkcia biopalív do roku 2020 by sa mala zvýšiť o 25% a predstavovať cca. 140 miliárd litrov. V Európskej únii je najväčšou časťou výroby biopalív bionafta vyrobená z olejnín (repky olejnej). Podľa predpovedí sa v krajinách EÚ rozšíri výroba bioetanolu z pšenice a kukurice, ako aj cukrovej repy. Očakáva sa, že v Brazílii bude výroba bioetanolu naďalej rásť zrýchleným tempom a do roku 2017 dosiahne približne 41 miliárd litrov. Všeobecne sa predpokladá, že výroba bioetanolu a bionafty rýchlo stúpne do roku 2020 a bude predstavovať 125, respektíve 25 miliárd litrov. Výroba biopalív začala v Ázii rýchlo rásť. Od roku 2014 je Čína tretím najväčším producentom bioetanolu a očakáva sa, že táto výroba v nasledujúcich desiatich rokoch porastie o viac ako 4% ročne. V Indii sa predpokladá zvýšenie výroby bioetanolu z melasy o viac ako 7% ročne. Zároveň sa rozširuje výroba bionafty z nových plodín, ako je jatropha.
Podľa prognóz Svetovej energetickej agentúry (IEA) sa bude nedostatok ropy v roku 2025 odhadovať na 14%. Podľa IEA, aj keď celkový objem výroby biopalív (vrátane bioetanolu a bionafty) do roku 2021 dosiahne 220 miliárd litrov, potom jeho výroba pokryje iba 7% svetového dopytu po palivách. Tempo rastu výroby biopalív výrazne zaostáva za tempom rastu dopytu po nich. Je to z dôvodu dostupnosti lacných surovín a nedostatočného financovania. Masívne komerčné využitie biopalív bude poháňané dosiahnutím cenovej rovnováhy s konvenčnými palivami z ropy. Podľa prognóz vedcov podiel obnoviteľných zdrojov energie do roku 2040 dosiahne 47,7% a biomasa - 23,8%.
Pri súčasnej úrovni technologického rozvoja bude výroba biopalív predstavovať malú časť globálnych dodávok energie a ceny energie ovplyvnia náklady na poľnohospodárske suroviny.Biopalivá môžu mať vplyv na potravinovú bezpečnosť rôznymi spôsobmi - rast cien komodít spôsobený výrobou biopalív môže poškodiť dovozcov potravín, na druhej strane stimulovať domácu poľnohospodársku výrobu drobných poľnohospodárov.
PLYNOVÝ TÍM
Plynné palivá sa tiež získavajú z biomasy, ktoré sú vynikajúce aj pre automobily. Napríklad metán je jednou z hlavných zložiek prírodných a takzvaných pridružených plynov, ktoré vznikajú pri destilácii ropy. Takýto minerál sa dá ľahko nahradiť nepotrebnou horou organického odpadu - od banálneho hnoja po odpad z rybárskeho, mäsového, mliekarenského a zeleninového priemyslu. Táto biomasa napája baktérie, ktoré produkujú bioplyn. Po jeho vyčistení od oxidu uhličitého sa získa takzvaný biometán. Jeho hlavný rozdiel od bežného metánu, na ktorom pracuje veľa výrobných modelov, je ten, že nejde o minerál. No, niečo, ale hnoj a rastliny pred koncom života na planéte nedôjde.
Schéma výroby biometánu (všetky diagramy a tabuľky sa otvárajú v plnej veľkosti kliknutím myši):
Biopalivá ako alternatívny zdroj energie:
Ľudstvo vždy ostro čelilo otázke hľadania lacných zdrojov energie, ktorých príjem si nevyžadoval nadmerné náklady. Problém využívania energetických zdrojov sa stal obzvlášť akútnym v 20. storočí, keď sa ukázalo, že bezmyšlienkovité spaľovanie uhľovodíkov povedie k ďalšiemu znižovaniu ich zemských zásob. Vedci prišli na to, že zásoby ropy a zemného plynu sa časom vyčerpajú a náklady na vývoj nových polí sa výrazne zvýšia, pretože bude potrebné prilákať viac zariadení a výrobných kapacít. V tomto období sa výrazne zhoršila ekológia, ktorá bolestivo reagovala na miznúcu lesnú pokrývku a pokračujúce znečisťovanie atmosféry, vnútorností a vody.
Dôležitosť hľadania alternatívnych zdrojov tepelnej energie, ktoré by mohli nahradiť zemný plyn a ropu, vzrástla. A takýmto efektívnym smerom sa spolu so slnečnou energiou stala veterná energia využívaním energetických nosičov biologického pôvodu (biopalivo).
Pod palivom biologického pôvodu (biopalivá) treba chápať ako produkt syntetizovaný zo živočíšnych alebo rastlinných surovín, ako aj z biologického odpadu, ktorý pod určitým vplyvom uvoľňuje tepelnú energiu.
Okrem iných definícií biopalivá existuje tiež toto: „Biopalivo je palivo získavané z biomasy v dôsledku termochemickej alebo biologickej reakcie.“
54 - 60% biopalív sú jeho tradičné formy: palivové drevo, zvyšky rastlín a sušený hnoj na vykurovanie domov a varenie. Používa ich 38% svetovej populácie.
VEGETARIÁNSKE MENU
Nafta sa tiež pripravuje podľa neštandardných receptúr. Suroviny sú repka, sója, rôzne oleje a tuky. Takéto palivo je označené písmenom B a číslami zodpovedajúcimi podielu zložiek rastliny v zmesi. Cetánové číslo paliva je vyššie ako u konvenčného paliva: 51 verzus 42–45. Palivo je vysoko biologicky odbúrateľné bez poškodenia životného prostredia a prakticky neobsahuje síru. Medzi významné nevýhody patrí krátka trvanlivosť.
Biologické prísady do motorovej nafty sa zatiaľ nepoužívajú tak často ako bioetanol. Napriek tomu sa vyrába v mnohých krajinách. Existujú krajiny, kde je 5% bio obsah legalizovaný a pri predaji nemusí byť uvedený.
