Vrste biogoriva: usporedba karakteristika krutog, tekućeg i plinovitog goriva

Alternativa tradicionalnim izvorima energije su različite vrste biogoriva, za čiju se proizvodnju koriste biljne ili životinjske sirovine, industrijski otpad i rezultati životne aktivnosti organizama.

Predlažemo da se upoznate s prednostima i nedostacima korištenja takvog goriva, saznate značajke proizvodnje, funkcionalne karakteristike te procijenite učinkovitost korištenja različitih vrsta biološkog goriva. Navedene informacije pomoći će vam u odabiru alternativnih izvora energije.

Što je biološko gorivo

Najperspektivnije područje u energetici su tehnologije koje predviđaju korištenje obnovljivih izvora, među koje spada i biološko gorivo.

Najrasprostranjenija vrsta biološkog goriva su obična drva. 38% stanovništva Zemlje koristi ih za grijanje i pripremu hrane

Kao sirovina za njegovu proizvodnju može se koristiti biomasa biljnog/životinjskog podrijetla, uključujući industrijski otpad ili ostatke životinjskog metabolizma.

Obrada takvih tvari provodi se termokemijskom ili biološkom metodom; u potonjem slučaju gorivo se dobiva pomoću različitih vrsta mikroorganizama.

Udio korištenja bioloških vrsta goriva stalno raste, čime se doprinosi očuvanju fosilnih izvora ugljikovodika (+)

U mnogim zemljama djeluju posebni programi za povećanje udjela biogoriva u nacionlnoj i regionlnoj potrošnji energije. U nizu država postoje i obvezne norme korištenja tog izvora energije.

Prednosti i nedostaci biogoriva

Biološke vrste goriva imaju svoje pozitivne i negativne strane. Interes za korištenje ove vrste sirovine potaknut je njezinim nesumnjivim prednostima.

One uključuju:

• Povoljna cijena. Iako su trenutno cijene biogoriva gotovo jednake cijeni benzina, biološke tvari smatraju se povoljnijom vrstom goriva jer pri izgaranju proizvode manje emisije. Biogorivo je prikladno za uporabu u različitim uvjetima, a može se prilagoditi motorima različitih konstrukcija. Još jedna prednost je optimizacija rada motora koji duže ostaje čist zbog male količine čađe i ispušnih plinova.
• Mobilnost. Biološko gorivo razlikuje se od drugih opcija alternativnih izvora energije svojom mobilnošću. U konstrukciji solarnih i vjetroelektrana obično su ugrađene teške akumulatorske baterije, zbog čega se one najčešće koriste stacionarno, dok se biogorivo može bez većih poteškoća prevoziti iz jedne regije u drugu.
• Obnovljivi izvor energije. Iako, prema mišljenju istraživača, postojeće zalihe sirove nafte bit će dovoljne za najmanje nekoliko stotina godina, fosilne rezerve ipak su konačne. Biogorivo, proizvedeno od biljaka i ostataka životinjskog metabolizma, spada u obnovljive resurse kojima u doglednoj budućnosti ne prijeti nestanak.
• Zaštita Zemljine atmosfere. Veliki nedostatak tradicionalnih ugljikovodika je visok postotak CO₂ koji se oslobađa izgaranjem. Taj plin stvara efekt staklenika u atmosferi našeg planeta, stvarajući uvjete za globalno zagrijavanje. Izgaranjem bioloških tvari količina ugljikovog dioksida smanjuje se do 65%. Osim toga, kulture koje se koriste u proizvodnji biogoriva troše ugljikov monoksid, smanjujući njegov udio u zraku.
• Ekonomska sigurnost. Zalihe ugljikovodika su neravnomjerno raspoređene, stoga su neke države prisiljene kupovati naftu ili prirodni plin, trošeći velika sredstva na nabavu, transport i skladištenje. Različite vrste biogoriva mogu se proizvoditi praktički u svakoj zemlji. Budući da će za njegovu proizvodnju i preradu biti potrebno stvaranje novih poduzeća i, posljedično, radnih mjesta, to će koristiti nacionalnom gospodarstvu i pozitivno utjecati na blagostanje ljudi.

Usavršavanje tehnologija i razvoj novih metoda mogu pojačati pozitivan učinak biogoriva. Primjerice, razvoj tehnologija korištenjem planktona i algi omogućit će znatno smanjenje njegove cijene.

U isto vrijeme, na sadašnjem stupnju razvoja znanosti i tehnologije, proizvodnja biogoriva povezana je s nizom poteškoća i neugodnosti. Prije svega, to su prirodna ograničenja u uzgoju biljaka.

Za rast kultura koje se koriste za proizvodnju biomase potrebno je uzeti u obzir niz čimbenika, a to su:

• Korištenje vode. Poljoprivredne biljke troše mnogo vode, koja je ograničen resurs, osobito u sušnim područjima.
• Invazivnost. Kulture uzgajane za gorivo često su agresivne. One guše autentičnu floru, zbog čega može stradati bioraznolikost i ekosustav regije.
• Gnojiva. Za rast mnogih biljaka potrebno je dodatno unošenje hranjivih tvari, koje mogu naštetiti drugim kulturama ili cjelokupnom ekosustavu.
• Klima. Pojedine klimatske zone (primjerice, pustinja ili tundra) nisu prikladne za uzgoj kultura za biogorivo.

Aktivni uzgoj poljoprivrednih biljaka povezan je i s iscrpljivanjem poljoprivrednih resursa. Nepoštivanje pravila agrotehnike može dovesti do smanjenja sadržaja korisnih komponenti u tlu i, posljedično, do njegovog iscrpljivanja, što će izazvati pogoršanje prehrambenog problema.

Dolazi do narušavanja ekosustava. Za proizvodnju biomase obično je potrebno proširenje područja koja su uključena u poljoprivredu.

Često se u tu svrhu provodi čišćenje terena, što dovodi do uništenja mikroekosustava (primjerice, šume), stradavanja biljaka i životinja.

Za proizvodnju biogoriva već se sada uzgaja velika količina poljoprivrednih kultura. Na proizvodnju biomase odlazi više od 50% proizvedene uljane repice u Europi, više od trećine američkog žita, gotovo polovica šećerne trske uzgajane u Brazilu.

Javljaju se problemi s uzgojem monokultura. Kako bi dobili veći prinos biomase, proizvođači često zasijavaju zemlju određenom biljkom. Takva praksa ne odražava se dobro na stanje poljoprivrednih površina, jer monokultura dovodi do promjene okoliša.

Na poljima na kojima raste jedna vrsta biljaka, obično parazitiraju posebne vrste štetnika. Pokušaj borbe protiv njih pomoću insekticida i pesticida dovodi samo do razvoja otpornosti na ta sredstva.

Kako bi izbjegli gore opisane probleme, znanstvenici savjetuju da se ne zanemaruje bioraznolikost kultura, kombinirajući na poljima nekoliko biljaka, te da se koriste lokalne sorte flore.

Generacije alternativnog goriva

Široki asortiman biljnog materijala koji se koristi za biomasu uobičajeno se dijeli na nekoliko generacija.

Prva generacija. U ovu kategoriju spadaju poljoprivredne kulture koje sadrže visok postotak škroba, šećera, masti. To su popularne biljke poput kukuruza, šećerne repe, uljane repice, soje.

Budući da uzgoj ovih kultura šteti klimi, a njihovo uklanjanje s tržišta utječe na oblikovanje cijena proizvoda, znanstvenici ih pokušavaju zamijeniti drugim vrstama biomase.

Od poljoprivrednih biljaka koje pripadaju prvoj generaciji sirovina, trenutno se proizvode gotovo sve vrste suvremenog tekućeg goriva (biodizel, etanol).

Druga generacija. U skupinu biomase spadaju drvo, trava, poljoprivredni otpad (ljuske, pleva). Dobivanje biogoriva iz takvih sirovina zahtijeva velike troškove, ali omogućuje rješavanje pitanja zbrinjavanja neprehrambenih ostataka uz istovremenu proizvodnju zapaljivih materijala.

Posebnost kultura koje ulaze u ovu vrstu je prisutnost lignina i celuloze u njima. Zahvaljujući njima biomasa se može spaljivati i rasplinjavati, te podvrgavati pirolizi, čime se dobiva tekuće gorivo.

Glavnim nedostatkom biomase druge generacije smatra se nedovoljan prinos po jedinici površine, zbog čega je za takve kulture potrebno izdvajati značajne zemljišne resurse.

Treća generacija. Sirovina za proizvodnju biogoriva su alge koje se uzgajaju u industrijskim razmjerima, primjerice u otvorenim vodenim površinama.

Najperspektivnijom varijantom smatra se biogorivo dobiveno iz jednostaničnih algi. Takve biljke brzo dobivaju na masi, a za njihov uzgoj nije potrebno plodno tlo.

Takva praksa ima velike perspektive, ali trenutno se takve tehnologije tek razvijaju. Znanstvenici također provode istraživanja o stvaranju metoda koje omogućuju dobivanje biogoriva četvrte, pa čak i pete generacije.

Tri vrste biogoriva

Ovisno o agregatnom stanju tvari, razlikuju se tri glavne vrste biogoriva:

1. Kruto: drva, treset, otpad od životinja i poljoprivredne proizvodnje.
2. Tekuće: biodizel, dimetil eter, bioetanol, biobutanol.
3. Plinovita: bioplin, metan, biovodik.

Svaki tip tvari ima svoje specifičnosti, o kojima će biti riječi u nastavku.

Vrsta #1: kruto

Među najpopularnijim krutim vrstama biološkog goriva spadaju drvo, treset i životinjski otpad.

Drvo (ogrjev, sječka, piljevina)

Drevni oblik biogoriva su svima dobro poznata drva za ogrjev, koja se od davnina koriste za grijanje domova i pripremu hrane. I dalje se aktivno koriste u različitim zemljama za proizvodnju toplinske/električne energije, posebice velika austrijska termoelektrana koja radi na drva, snage 66 megavata.

U isto vrijeme, takva sirovina ima nedostatke. Energetska vrijednost drva za ogrjev relativno je niska: pri izgaranju dio tvari taloži se kao čađa, zbog čega je potrebno redovito čistiti kamine i peći. Osim toga, za obnavljanje zaliha drva potrebno je određeno vrijeme – nova stabla izrast će tek za 15-20 godina.

Izvrsna alternativa običnim drvima za ogrjev su peleti (granule), za čiju se proizvodnju koristi nekonformno drvo: kora, sječka, prešana piljevina, granje.

Peleti dobiveni od drva, treseta i raznog otpada imaju različite boje. Svijetli se koriste za loženje kamina i peći, dok su tamni, s većim udjelom kore, namijenjeni kotlovima na kruta goriva.

Za proizvodnju gorivih peleta sirovina se melje u prah, koji se zatim suši i preša na visokoj temperaturi. Zahvaljujući ligninu sadržanom u drvu, nastaje ljepljiva masa od koje se formiraju mali cilindri duljine 5-70 mm i promjera 6-10 mm.

Moderna alternativa tradicionalnim drvima za ogrjev su gorivi briketi četverokutnog, šesterokutnog ili osmerokutnog oblika. Ovaj ekološki čisti materijal ima visoku toplinsku vrijednost.

Proizvodnju peleta možete organizirati sami izradom preše za gorive brikete.

Među popularne vrste biogoriva ubraja se drvena sječka, koja često služi kao izvor energije u europskim termoelektranama. Proizvodnja ove sirovine odvija se na sječama ili na posebnim proizvodnim linijama opremljenim strojevima s drobilicama.

Močvarni i šumski gorivi treset

Ovo je raširena vrsta biogoriva koja se stoljećima koristi u kućanstvima i industriji. Treset je sloj mahovine koji se nije potpuno razgradio u uvjetima močvare, a njegovo se iskopavanje obavlja u mnogim zemljama svijeta: Rusiji, Bjelorusiji, Kanadi, Švedskoj, Indoneziji i drugima.

Treset, koji sadrži 50-60% ugljika, smatra se popularnim plinonosnim materijalom. Ova vrijedna sirovina može se koristiti ne samo kao gorivo, već i kao gnojivo ili toplinski izolator.

Radi pogodnosti proizvodnog procesa, biomasa se obično prerađuje na mjestu vađenja. Proces se sastoji od čišćenja (prosijavanja) sirovine od stranih primjesa, nakon čega slijedi sušenje i oblikovanje u brikete ili granule.

Gorivo iz poljoprivrednog otpada

U poljoprivrednoj proizvodnji u pravilu se nakuplja velik broj različitih biljnih otpadaka: vanjske ovojnice biljaka, ljuske orašastih plodova, slama.

Takvu sirovinu također se može podvrgnuti prešanju i granuliranju, čime se dobivaju gorivi peleti čije se karakteristike gotovo ne razlikuju od granula izrađenih od drvne biomase.

Biogorivo životinjskog podrijetla

Uz drva za ogrjev, ljudi su još u starini počeli koristiti gorivo životinjskog podrijetla, naime kizjaci – osušeni stajski gnoj domaćih životinja. Suvremene tehnologije sušenja i prerade takve sirovine omogućuju dobivanje krutih vrsta biogoriva koje su potpuno lišene neugodnog mirisa.

Od davnina su nomadski narodi koristili osušeni gnoj konja, deva, goveda kao gorivo. Danas se iz otpadaka izlučevina domaćih životinja proizvodi biogorivo u obliku briketa ili peleta.

Budući da se danas otpad iz stočarstva nakuplja u industrijskim razmjerima, proizvodnja goriva iz njega istovremeno rješava pitanje njihova zbrinjavanja.

Vrsta #2: tekuće

Tekuće varijante biogoriva, koje se odlikuju sigurnošću i ekološkom prihvatljivošću, većinom se koriste kao zamjena za benzin i druga slična sredstva. Među najčešće varijante ubrajaju se bioetanol, biometanol, biobutanol, biodizel, dimetil eter.

Bioetanol iz biljnih kultura

Ovo je uobičajeno tekuće biogorivo koje se koristi za punjenje automobila. Iako se čista tvar ne koristi kao gorivo, njezin dodatak benzinu pridonosi poboljšanju rada motora, povećanju njegove snage, kontroli zagrijavanja motora i smanjenju emisije ispušnih plinova.

Na mnogim benzinskim postajama u Europi, Aziji, Sjevernoj i Južnoj Americi nudi se ne samo tradicionalno gorivo, već i različite vrste biogoriva, prije svega mješavine koje sadrže bioetanol.

Bioetanol su cijenili i ljubitelji kamina. Ova tvar ima dobru toplinsku predaju, a pritom pri njezinom izgaranju ne nastaju čađa ili dim, a količina emitiranog ugljičnog dioksida svedena je na minimum.

Zahvaljujući takvim značajkama, gorivo se može koristiti čak i za loženje ognjišta u višestambenim zgradama. Više o biogorivu za kamine napisano je u ovom članku.

Proizvodnja bioetanola odvija se iz sirovine prve generacije koja sadrži škrob ili šećer. Žitarice, kukuruz, šećerna trska, repa prerađuju se tehnologijom alkoholnog vrenja.

Biobutanol za punjenje automobila

Biobutanol – biološki dobiven analog butanola. Bezbojna tekućina karakterističnog mirisa, široko se koristi kao kemijska sirovina u industriji, a može se koristiti i kao transportno gorivo.

Indikator energetskog intenziteta butanola blizak je benzinu, što omogućuje djelomičnu zamjenu potonjeg u gorivnim ćelijama. Za razliku od bioetanola, biobutanol se može koristiti samostalno, bez dodavanja tradicionalnih vrsta goriva.

Sirovina za proizvodnju ove bio-tvari su raznovrsne biljke: repa, manioka, pšenica, kukuruz.

Dimetil eter (C₂H₆O)

Ovo je također ekološki čisto gorivo. Pri njegovom izgaranju u ispušnim plinovima nema sumpornih spojeva, a sadržaj dušikovih spojeva je 90% niži nego pri izgaranju benzina.

Dimetil eter se može koristiti bez posebnih filtara, ali u konstrukciju automobila (sustav opskrbe gorivom, paljenje motora) moraju se unijeti temeljne promjene.

Dimetil eter smatra se perspektivnom opcijom automobilskog goriva. Vozila s motorima dizajniranim za ovo gorivo razvijaju velike tvrtke poput Volva, SAIC Motor, KAMAZ, Nissan.

Bez ikakvih preinaka može se koristiti kombinirano gorivo koje sadrži 30% dimetil etera u vozilima opremljenim LPG motorima.

Tekuće gorivo može se proizvoditi iz različitih sirovina: prirodnog plina, ugljene prašine, biomase, a posebno iz ostataka proizvodnje celuloze i papira koji se pretvaraju u tekućinu pri niskom tlaku.

Biometanol iz jednostaničnih algi

Slična tvar je analog uobičajenog metanola, koji se široko koristi za proizvodnju niza kemijskih spojeva (octena kiselina, formaldehid), a također se koristi kao antifriz i otapalo.

Pitanje proizvodnje ove vrste biogoriva prvi put je postavljeno 1980-ih, kada je skupina znanstvenika predložila dobivanje tekuće tvari biokemijskom transformacijom morskog fitoplanktona, čije će se uzgajanje odvijati u posebnim akumulacijama.

Biometanol ima niz potencijalnih prednosti:

• visoki energetski prinos – 14 kod dobivanja metana, 7 kod proizvodnje metanola;
• izvrsnu produktivnost fitoplanktona – do 100 tona po hektaru godišnje;
• nepretencioznost jednostaničnih organizama, za čije uzgajanje nije potrebna slatka voda, plodna tla;
• očuvanje poljoprivrednih resursa, budući da se fitoplankton uzgaja u ribnjacima ili morskim zaljevima.

Iako industrijska proizvodnja biometanola još uvijek nije uspostavljena, trenutno se provode intenzivna istraživanja i razvoj tehnologija za razvoj proizvodnje ove vrste alternativnog goriva.

Biodizel kao alternativa transportnom gorivu

Ovo je tekuće motorno biogorivo koje se sastoji od mješavine estera masnih kiselina. Tvar je sigurna za ljude i životinje, gotovo se potpuno razgrađuje u tlu za 28 dana, a također ima relativno visoku (<100) temperaturu paljenja.

Biodizel smanjuje postotak ispuštanja štetnih plinova, a također produljuje vijek trajanja motora jer sadrži podmazujuće komponente.

Gorivo se koristi za punjenje automobilskih motora samostalno ili u kombinaciji s običnim gorivom. Treba uzeti u obzir samo kratak rok trajanja biološke tvari: nakon tri mjeseca počinje razgradnja biološke tvari s potpunim gubitkom svojstava.

Za biodizel je u zemljama EU usvojen poseban standard EN14214. U nizu zemalja također vrijedi standard EN590 koji dopušta dodavanje 5% biodizela u drugo gorivo.

Vrsta #3: plinovito

Glavne vrste plinovitog biološkog goriva uključuju bioplin i biovodik.

Bioplin kao zamjena za prirodni plin

Bioplin je gotovo potpuni analog prirodnog plina: sadrži 13-50% CO_2, 49-87% metana, te primjese H₂ i H₂S. Ako se ova tvar očisti od ugljičnog dioksida, može se dobiti biometan.

Plinovito biogorivo proizvodi se iz biomase metodom vodikovog ili metanskog vrenja. Potonje uzrokuju tri vrste mikroorganizama: prvo se sirovina izlaže djelovanju hidroliznih bakterija, koje zatim zamjenjuju kiselinotvorni i metanotvorni mikrobi.

Proizvodnja bioplina može se odvijati u industrijskim i domaćim uređajima. Najčešći način proizvodnje je anaerobno vrenje u metan-tankovima.

Kao sirovina mogu se koristiti različiti materijali: silaža, stajski gnoj, alge, otpadne vode, ptičji izmet, fekalni ostaci, kućni otpad. Početna tvar se dovodi u homogeno stanje, nakon čega se pomoću utovarivača stavlja u reaktor.

Tamo se održava ugodna temperatura od +35-38°C, potrebna za provođenje procesa metanskog vrenja.

Sirovina se stalno miješa, a nastali plinoviti proizvod odvodi se u plinski spremnik (blok za skladištenje), odakle dolazi do električnog generatora.

Više o dobivanju bioplina iz stajskog gnoja i uređenju bioplinskog postrojenja napisano je u člancima:

1. Kako napraviti biogorivo vlastitim rukama od stajskog gnoja u kućnim uvjetima
2. Bioplinsko postrojenje za privatnu kuću vlastitim rukama: preporuke za uređenje i primjer izrade samogradnje

Biovodik dobiven kemijskom metodom

Vrsta plinovitog biogoriva, koja je analog običnog vodika, dobiva se iz biomase pomoću biokemijske ili termokemijske metode.

Kod termokemijske metode pripremljena sirovina (npr. drvni otpad) zagrijava se na temperaturu 500–800 °C bez pristupa kisika, pri čemu se oslobađaju plinovi H₂, CO, CH₄.

Perspektivna metoda proizvodnje biovodika jest biofotoliza. U tom se slučaju plin proizvodi pomoću algi koje se stavljaju u morsku vodu, kanalizacijske otpadne vode.

Kod biokemijske metode sirovina se izdržava u ugodnim uvjetima pri normalnom tlaku i temperaturi od približno 30°C.

U biomasu se unose posebni mikroorganizmi Enterobacter cloacae, Rodobacter speriodes, koji razgrađuju početni proizvod, oslobađajući vodik. Kako bi se ubrzala proizvodnja upotrebom polisaharida, dopušteno je dodavanje enzima.

Zaključci i koristan video na temu

Na videu prikazanom u nastavku može se vidjeti proces izrade popularne vrste biogoriva – drvenih briketa:

Vrste biološkog goriva razlikuju se ne samo po agregatnom stanju, već i po karakteristikama. Pri odabiru takvih materijala potrebno je uzeti u obzir njihovu planiranu upotrebu, učinkovitost, funkcionalna svojstva i cijenu.

Imate li iskustva s korištenjem alternativnog goriva? Ili želite postaviti pitanja o biogorivu? Molimo vas, komentirajte publikaciju i sudjelujte u raspravama. Blok povratne veze nalazi se ispod.