Rodzaje biopaliw: porównanie charakterystyk paliw stałych, ciekłych i gazowych

Alternatywą dla tradycyjnych źródeł energii są różne rodzaje biopaliw, do produkcji których wykorzystuje się surowce roślinne lub zwierzęce, odpady przemysłowe oraz produkty działalności życiowej organizmów.

Proponujemy zapoznać się z zaletami i wadami stosowania takiego paliwa, poznać specyfikę produkcji, parametry użytkowe oraz ocenić efektywność wykorzystania różnych typów biopaliwa. Przedstawione informacje pomogą zorientować się w wyborze alternatywnych źródeł energii.

Czym jest biopaliwo

Najbardziej perspektywicznym kierunkiem w energetyce są technologie przewidujące wykorzystanie zasobów odnawialnych, do których zalicza się również biopaliwo.

Najbardziej rozpowszechnionym rodzajem biopaliwa są zwykłe drewno opałowe. 38% ludności Ziemi używa go do ogrzewania i przygotowywania posiłków.

Jako surowiec do jego produkcji można wykorzystywać biomasę pochodzenia roślinnego/zwierzęcego, w tym odpady z produkcji przemysłowej lub pozostałości pochodzenia zwierzęcego.

Przetwarzanie takich substancji odbywa się metodą termochemiczną lub biologiczną – w tym drugim przypadku paliwo uzyskuje się przy pomocy różnych rodzajów mikroorganizmów.

Udział wykorzystania biologicznych rodzajów paliw stale rośnie, co sprzyja zachowaniu kopalnych zasobów węglowodorów (+)

W wielu krajach funkcjonują specjalne programy mające na celu zwiększenie udziału biopaliwa w krajowym i regionalnym zużyciu energii. W szeregu państw obowiązują również obligatoryjne normy stosowania tego źródła energii.

Zalety i wady biopaliwa

Biologiczne rodzaje paliw mają swoje pozytywne i negatywne strony. Zainteresowanie wykorzystaniem tego rodzaju surowca wynika z jego niewątpliwych zalet.

Należą do nich:

• Korzystna cena. Choć obecnie ceny biopaliwa praktycznie pokrywają się z kosztem benzyny, substancje biologiczne są uważane za bardziej opłacalny rodzaj paliwa, ponieważ podczas spalania emitują mniej zanieczyszczeń. Biopaliwo nadaje się do stosowania w różnych warunkach, a ponadto można je dostosować do silników o różnej konstrukcji. Kolejnym atutem jest optymalizacja pracy silnika, który dłużej pozostaje czysty ze względu na niewielką ilość sadzy i mniejszą emisję spalin.
• Mobilność. Biopaliwo różni się od innych alternatywnych źródeł energii swoją mobilnością. Konstrukcje instalacji solarnych i wiatrowych zazwyczaj obejmują ciężkie akumulatory, dlatego najczęściej są one wykorzystywane stacjonarnie, podczas gdy biopaliwo można bez większych trudności transportować z jednego regionu do drugiego.
• Odnawialne źródło energii. Chociaż zdaniem badaczy istniejące złoża ropy naftowej wystarczą co najmniej na kilkaset lat, zasoby kopalne są jednak ograniczone. Biopaliwo wytwarzane z roślin i odpadów pochodzenia zwierzęcego należy do zasobów odnawialnych, którym w dającej się przewidzieć przyszłości nie grozi wyczerpanie.
• Ochrona atmosfery ziemskiej. Istotną wadą tradycyjnych węglowodorów jest wysoki procent CO₂, który wydziela się podczas spalania. Gaz ten tworzy w atmosferze naszej planety efekt cieplarniany, stwarzając warunki do globalnego ocieplenia. Natomiast podczas spalania substancji biologicznych ilość dwutlenku węgla zmniejsza się do 65%. Ponadto rośliny wykorzystywane do produkcji biopaliwa pochłaniają tlenek węgla, zmniejszając jego udział w powietrzu.
• Bezpieczeństwo ekonomiczne. Zasoby węglowodorów są rozmieszczone nierównomiernie, dlatego część państw zmuszona jest kupować ropę naftową lub gaz ziemny, wydając na zakup, transport, składowanie dużych środków. Różne rodzaje biopaliw można uzyskiwać praktycznie w każdym kraju. Ponieważ do ich wytwarzania i przetwarzania potrzebne będzie utworzenie nowych przedsiębiorstw, a co za tym idzie miejsc pracy, przyniesie to korzyści gospodarce narodowej i pozytywnie wpłynie na dobrobyt ludzi.

Doskonalenie technologii i rozwój nowych metod może wzmocnić pozytywny efekt biopaliw. Tak, opracowanie technologii z wykorzystaniem planktonu i alg pozwoli znacznie obniżyć ich cenę.

W tym samym czasie na obecnym etapie rozwoju nauk i technologii produkcja biopaliw związana jest z szeregiem trudności i niedogodności. Przede wszystkim są to naturalne ograniczenia w uprawie roślin.

Do wzrostu upraw wykorzystywanych do produkcji biomasy należy uwzględnić szereg czynników, a mianowicie:

• Gospodarka wodna. Rośliny rolnicze zużywają dużo wody, która jest ograniczonym zasobem, szczególnie w suchych miejscach.
• Inwazyjność. Uprawiane na paliwo rośliny często są agresywne. Zagłuszają autentyczną florę, przez co może ucierpieć bioróżnorodność i ekosystem regionu.
• Nawozy. Do wzrostu wielu roślin wymagane jest dodatkowe wprowadzenie substancji odżywczych, które mogą zaszkodzić innym uprawom lub całemu ekosystemowi.
• Klimat. Poszczególne strefy klimatyczne (np. pustynia lub tundra) nie nadają się do uprawy roślin biopaliwowych.

Aktywna uprawa roślin rolniczych wiąże się również z wyczerpywaniem zasobów glebowych. Nieprzestrzeganie zasad agrotechniki może prowadzić do zmniejszenia zawartości użytecznych składników gleb, a w konsekwencji do ich wyczerpania, co spowoduje zaostrzenie problemu żywnościowego.

Następuje naruszenie ekosystemu. Do produkcji biomasy zwykle wymagane jest poszerzenie obszarów zaangażowanych w rolnictwo.

Nie rzadko w tym celu przeprowadza się oczyszczanie terenu, co prowadzi do zniszczenia mikroekosystemu (np. lasu), śmierci roślin i zwierząt.

Do produkcji biopaliw już teraz uprawiana jest duża ilość roślin rolniczych. Na produkcję biomasy przeznacza się ponad 50% produkowanego w Europie rzepaku, ponad jedną trzecią amerykańskiego zboża, prawie połowę uprawianej w Brazylii trzciny cukrowej.

Pojawiają się problemy z uprawą monokultur. Aby uzyskać większy plon biomasy, producenci często obsiewają ziemie określoną rośliną. Taka praktyka nie najlepiej odbija się na stanie użytków rolnych, ponieważ monokultura prowadzi do zmiany środowiska.

Na polach zajętych przez jeden gatunek roślin zwykle pasożytują szczególne odmiany szkodników. Próba walki z nimi za pomocą insektycydów i pestycydów prowadzi jedynie do wytworzenia oporności na te środki.

Aby uniknąć opisanych powyżej problemów, naukowcy radzą nie zaniedbywać bioróżnorodności upraw, łącząc na polach kilka roślin, a także stosować lokalne odmiany flory.

Generacje paliwa alternatywnego

Szeroki asortyment surowców roślinnych używanych do produkcji biomasy dzieli się zwykle na kilka pokoleń.

Pierwsze pokolenie. Do tej kategorii należą rośliny uprawne, w których zawartość skrobi, cukrów i tłuszczów jest wysoka. Są to popularne rośliny, takie jak kukurydza, burak cukrowy, rzepak, soja.

Ponieważ uprawa tych roślin szkodzi klimatowi, a ich wycofanie z rynku wpływa na kształtowanie cen produktów, naukowcy starają się zastąpić je innymi rodzajami biomasy.

Z roślin uprawnych należących do pierwszego pokolenia surowców obecnie wytwarza się prawie wszystkie rodzaje nowoczesnego paliwa ciekłego (biodiesel, etanol).

Drugie pokolenie. Do grupy biomasy zalicza się drewno, trawę, odpady rolnicze (łupiny, plewy). Uzyskanie biopaliwa z takich surowców wymaga dużych nakładów, ale pozwala rozwiązać problem utylizacji odpadów nieżywnościowych przy jednoczesnej produkcji materiałów palnych.

Cechą charakterystyczną roślin należących do tej odmiany jest obecność w nich ligniny i celulozy. Dzięki nim biomasę można spalać i zgazować, a także poddawać pirolizie, uzyskując paliwo ciekłe.

Główną wadą biomasy drugiego pokolenia jest niewystarczająca wydajność z jednostki powierzchni, przez co pod takie uprawy trzeba przeznaczać znaczne zasoby ziemi.

Trzecie pokolenie. Surowcem do produkcji biopaliwa są algi, które są hodowane na skalę przemysłową, na przykład w otwartych zbiornikach wodnych.

Za najbardziej obiecującą opcję uważa się biopaliwo otrzymywane z alg jednokomórkowych. Rośliny te szybko przybierają na masie, a do ich uprawy nie są potrzebne żyzne gleby.

Taka praktyka ma duże perspektywy, jednak obecnie technologie te są dopiero opracowywane. Naukowcy prowadzą również badania nad stworzeniem metod pozwalających uzyskać biopaliwo czwartego, a nawet piątego pokolenia.

Trzy rodzaje biopaliwa

W zależności od stanu skupienia substancji wyróżnia się trzy główne rodzaje biopaliwa:

1. Stałe: drewno opałowe, torf, odpady pochodzenia zwierzęcego i rolniczego.
2. Ciekłe: biodiesel, eter dimetylowy, bioetanol, biobutanol.
3. Gazowe: biogaz, metan, biowodór.

Każdy rodzaj substancji ma swoją specyfikę, o której będzie mowa poniżej.

Typ 1: stałe

Do najpopularniejszych stałych odmian biopaliwa należą drewno, torf, odchody zwierzęce.

Drewno (opał, zrębki, trociny)

Starożytnym rodzajem biopaliwa są dobrze znane wszystkim drewno opałowe, które od dawna wykorzystywane jest do ogrzewania domów i przygotowywania posiłków. Nadal aktywnie używa się go w różnych krajach do wytwarzania ciepła/energii elektrycznej, w szczególności na opał działa duża austriacka elektrociepłownia, której moc wynosi 66 megawatów.

Jednocześnie taki surowiec ma wady. Wartość energetyczna opału jest stosunkowo niska: podczas spalania część substancji osadza się w postaci sadzy, przez co kominki i piece wymagają regularnego czyszczenia. Ponadto uzupełnienie zapasów drewna wymaga określonego czasu – nowe drzewa wyrosną dopiero po 15-20 latach.

Doskonałą alternatywą dla zwykłego opału są pellety (granulki), do produkcji których wykorzystuje się drewno niespełniające norm: korę, zrębki, prasowane trociny, gałęzie.

Pellety otrzymywane z drewna, torfu i różnych odpadów mają różny kolor. Jasne używane są do palenia w kominkach i piecach, natomiast ciemne, z większą zawartością kory, przeznaczone są do kotłów na paliwo stałe.

Do produkcji pelletów paliwowych surowiec jest rozdrabniany na pył, który następnie suszy się i prasuje w wysokiej temperaturze. Dzięki zawartej w drewnie ligninie powstaje kleista masa, z której formowane są małe cylindryki o długości 5-70 mm i średnicy 6-10 mm.

Nowoczesną alternatywą dla tradycyjnego opału są brykiety paliwowe o kształcie cztero-, sześcio- lub ośmiokątnym. Ten ekologiczny materiał ma wysoką wydajność cieplną.

Można samodzielnie uruchomić produkcję pelletów, wykonując prasę do brykietów paliwowych.

Do popularnych rodzajów biopaliwa zalicza się zrębki drzewne, które często służą jako źródło energii w europejskich elektrociepłowniach. Produkcja tego surowca odbywa się na pozyskiwaniu drewna lub na specjalnych liniach produkcyjnych wyposażonych w maszyny rozdrabniające (shredery).

Torf paliwowy bagienny i leśny

To rozpowszechniona odmiana biopaliwa, stosowana w celach domowych i przemysłowych od wieków. Torf to nie w pełni rozłożona w warunkach bagiennych warstwa mchu, której wydobycie odbywa się w wielu krajach świata: Rosji, Białorusi, Kanadzie, Szwecji, Indonezji i innych.

Torf zawierający 50-60% węgla uważany jest za popularny materiał gazonośny. Ten cenny surowiec może być stosowany nie tylko jako paliwo, ale także jako nawóz lub izolator cieplny.

Dla wygody procesu produkcyjnego biomasę zazwyczaj przetwarza się na miejscu wydobycia. Proces polega na oczyszczeniu (przesiewaniu) surowca z obcych wtrąceń, a następnie suszeniu i formowaniu w postaci brykietów lub granulek.

Paliwo z odpadów rolniczych

W produkcji rolniczej zazwyczaj gromadzi się wiele różnych odpadów roślinnych: zewnętrzne osłony roślin, łupiny orzechów, słoma.

Podobny surowiec można również poddawać prasowaniu i granulacji, uzyskując pelety paliwowe, których właściwości praktycznie nie różnią się od granulek wykonanych z biomasy drzewnej.

Biopaliwo pochodzenia zwierzęcego

Obok drewna opałowego, już w starożytności ludzie zaczęli stosować paliwo pochodzenia zwierzęcego, a mianowicie kizjak – wyschnięty nawóz zwierząt domowych. Nowoczesne technologie suszenia i przetwarzania takiego surowca pozwalają uzyskać stałe odmiany biopaliwa, całkowicie pozbawione nieprzyjemnego zapachu.

Od dawna ludy koczownicze używały jako paliwa wysuszonego nawozu koni, wielbłądów, bydła. Obecnie z odpadów zwierząt domowych wytwarza się biopaliwo w postaci brykietów lub peletów.

Ponieważ obecnie odpady hodowlane gromadzą się na skalę przemysłową, wytwarzanie z nich paliwa jednocześnie rozwiązuje problem ich utylizacji.

Typ 2: ciekłe

Ciekłe odmiany biopaliwa, charakteryzujące się bezpieczeństwem i ekologicznością, są stosowane głównie jako zamienniki benzyny i innych podobnych środków. Do najpopularniejszych odmian należą bioetanol, biometanol, biobutanol, biodiesel, eter dimetylowy.

Bioetanol z roślin uprawnych

Jest to popularne ciekłe biopaliwo, używane do tankowania samochodów. Chociaż czysta substancja nie jest stosowana jako paliwo, jej dodatek do benzyny poprawia pracę silnika, zwiększa jego moc, umożliwia kontrolę nagrzewania się silnika i zmniejsza emisję spalin.

Na wielu stacjach benzynowych w Europie, Azji, Ameryce Północnej i Południowej oferowane jest nie tylko tradycyjne paliwo, ale także różne rodzaje biopaliwa, przede wszystkim mieszanki zawierające bioetanol.

Bioetanol docenili również miłośnicy kominków. Substancja ta ma dobrą wydajność cieplną, a podczas spalania nie powstaje sadza ani dym, a ilość wydzielanego dwutlenku węgla jest minimalna.

Dzięki takim właściwościom paliwo można stosować nawet do ogrzewania paleniska w budynkach wielorodzinnych. Więcej o biopaliwie do kominków napisano w tym artykule.

Produkcja bioetanolu odbywa się z surowców pierwszej generacji, zawierających skrobię lub cukier. Zboża, kukurydza, trzcina cukrowa, buraki są przetwarzane w procesie fermentacji alkoholowej.

Biobutanol do tankowania samochodów

Biobutanol – analog butanolu otrzymywany na drodze biologicznej. Bezbarwna ciecz o charakterystycznym zapachu, szeroko stosowana jako surowiec chemiczny w przemyśle, a także może być używana jako paliwo transportowe.

Wskaźnik energochłonności butanolu jest zbliżony do benzyny, co pozwala częściowo zastępować ją w ogniwach paliwowych. W przeciwieństwie do bioetanolu, biobutanol może być stosowany samodzielnie, bez dodawania tradycyjnych rodzajów paliwa.

Surowcem do produkcji tej biomasy są różnorodne rośliny: buraki, maniok, pszenica, kukurydza.

Eter dimetylowy (C₂H₆O)

To również paliwo przyjazne dla środowiska. Podczas jego spalania w spalinach nie występują związki siarki, a zawartość związków azotu jest o 90% niższa niż podczas spalania benzyny.

Eter dimetylowy można stosować bez specjalnych filtrów, ale w konstrukcję samochodu (układ zasilania, zapłon silnika) trzeba wprowadzić radykalne zmiany.

Eter dimetylowy uważany jest za perspektywiczny wariant paliwa samochodowego. Pojazdy z silnikami przystosowanymi do tego paliwa opracowują takie duże firmy jak Volvo, SAIC Motor, KAMAZ, Nissan.

Bez żadnych przeróbek można stosować paliwo kombinowane zawierające 30% eteru dimetylowego w samochodach wyposażonych w silniki LPG.

Płynne paliwo może być produkowane z różnych surowców: gazu ziemnego, pyłu węglowego, biomasy, a przede wszystkim z pozostałości produkcji celulozowo-papierniczej, które przekształcają się w ciecz pod niewielkim ciśnieniem.

Biometanol z jednokomórkowych glonów

Podobna substancja jest analogiem zwykłego metanolu, który jest szeroko stosowany do produkcji szeregu związków chemicznych (kwas octowy, formaldehyd), a także używany jako płyn niezamarzający i rozpuszczalnik.

Po raz pierwszy kwestia produkcji tego rodzaju biopaliwa została poruszona w latach 80. XX wieku, kiedy grupa naukowców zaproponowała otrzymywanie płynnej substancji poprzez biochemiczną transformację morskiego fitoplanktonu, którego hodowla będzie prowadzona w specjalnych zbiornikach wodnych.

Biometanol ma szereg potencjalnych zalet:

• wysoką wydajność energetyczną – 14 przy otrzymywaniu metanu, 7 przy produkcji metanolu;
• doskonałą produktywność fitoplanktonu – do 100 ton z hektara rocznie;
• niewymagające jednokomórkowe organizmy, do hodowli których nie potrzeba słodkiej wody ani żyznych gleb;
• zachowanie zasobów rolniczych, ponieważ fitoplankton hoduje się w stawach lub zatokach morskich.

Chociaż przemysłowa produkcja biometanolu nie została jeszcze uruchomiona, obecnie prowadzone są intensywne badania i rozwój technologii w celu rozwoju produkcji tego rodzaju paliwa alternatywnego.

Biodiesel jako alternatywa dla paliwa transportowego

To ciekłe biopaliwo silnikowe, składające się z mieszaniny estrów kwasów tłuszczowych. Substancja jest bezpieczna dla ludzi i zwierząt, ulega prawie całkowitemu rozkładowi w ziemi w ciągu 28 dni, a także ma stosunkowo wysoką (<100) temperaturę zapłonu.

Biodiesel zmniejsza procent emisji szkodliwych gazów, a także wydłuża okres eksploatacji silnika, ponieważ zawiera składniki smarujące.

Paliwo jest używane do zasilania silników samochodowych zarówno samodzielnie, jak i w kombinacji z konwencjonalnym paliwem. Należy wziąć pod uwagę jedynie krótki okres przechowywania substancji biologicznej: po trzech miesiącach rozpoczyna się rozpad substancji biologicznej z całkowitą utratą właściwości.

Dla biodiesla w krajach UE przyjęto specjalną normę EN14214. W niektórych krajach obowiązuje również norma EN590, dopuszczająca dodatek 5% biodiesla do innego paliwa.

Typ 3: gazowe

Do głównych odmian gazowego biopaliwa należą biogaz i biowodór.

Biogaz jako zamiennik gazu ziemnego

Biogaz stanowi praktycznie pełny odpowiednik gazu ziemnego: zawiera 13-50% CO_2, 49-87% metanu, a także domieszki H₂ i H₂S. Jeśli substancję tę oczyści się z dwutlenku węgla, można uzyskać biometan.

Gazowe biopaliwo wytwarzane jest z biomasy metodą fermentacji wodorowej lub metanowej. Ta ostatnia wywoływana jest przez trzy rodzaje mikroorganizmów: najpierw surowiec poddawany jest działaniu bakterii hydrolitycznych, które następnie zastępowane są przez bakterie kwasotwórcze i metanotwórcze.

Produkcja biogazu może odbywać się w urządzeniach przemysłowych i rzemieślniczych. Najbardziej powszechną metodą produkcji jest fermentacja beztlenowa w metanotankach.

Jako surowce mogą być stosowane różnorodne materiały: kiszonka, obornik, algi, ścieki, ptasie odchody, pozostałości kałowe, odpady bytowe. Substancja wyjściowa jest doprowadzana do stanu homogennego, po czym za pomocą ładowarki umieszcza się ją w reaktorze.

Tam utrzymuje się komfortową temperaturę +35-38°C, niezbędną do przeprowadzenia procesu fermentacji metanowej.

Surowiec jest stale mieszany, a powstający produkt gazowy jest odprowadzany do gazometru (bloku magazynowego), skąd trafia do generatora elektrycznego.

Więcej o uzyskiwaniu biogazu z obornika i aranżacji instalacji biogazowej napisano w artykułach:

1. Jak samodzielnie wytworzyć biopaliwo z obornika w warunkach domowych
2. Instalacja biogazowa dla domu prywatnego własnoręcznie: zalecenia dotyczące budowy i przykład aranżacji samoróbki

Biowodór otrzymywany metodą chemiczną

Odmianę gazowego biopaliwa, stanowiącą odpowiednik zwykłego wodoru, otrzymuje się z biomasy za pomocą metod biochemicznych lub termochemicznych.

W metodzie termochemicznej przygotowany surowiec (np. odpady drzewne) podgrzewa się do temperatury 500—800°C bez dostępu tlenu, przy czym wydzielają się gazy H₂, CO, CH₄.

Obiecującą metodą wytwarzania biowodoru jest biofotoliza. W tym przypadku gaz produkowany jest za pomocą alg, które umieszczane są w wodzie morskiej, ściekach

W metodzie biochemicznej surowiec jest przechowywany w komfortowych warunkach, przy normalnym ciśnieniu i temperaturze około 30°C.

Do biomasy wprowadza się specjalne mikroorganizmy Enterobacter cloacae, Rodobacter speriodes, które rozkładają surowiec, wydzielając wodór. W celu przyspieszenia produkcji z wykorzystaniem polisacharydów dopuszcza się dodawanie enzymów.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

W prezentowanym poniżej filmie można zobaczyć proces wytwarzania popularnego rodzaju biopaliwa – brykietów drzewnych:

Rodzaje biopaliw różnią się nie tylko stanem skupienia, ale także charakterystykami. Przy wyborze tego rodzaju materiału należy wziąć pod uwagę ich planowane zastosowanie, efektywność, właściwości funkcjonalne i koszt.

Czy mają Państwo doświadczenie w stosowaniu alternatywnego paliwa? A może chcą Państwo zadać pytania na temat biopaliwa? Prosimy o komentowanie publikacji i udział w dyskusjach. Blok informacji zwrotnej znajduje się poniżej.