Biokuro rūšys: kietojo, skystojo ir dujinio kuro charakteristikų palyginimas

Alternatyva tradiciniams energijos ištekliams yra įvairių rūšių biokuras, kurio gamyboje naudojamos augalinės ar gyvulinės žaliavos, pramonės atliekos bei organizmų gyvybinės veiklos rezultatai.

Siūlome suprasti tokio kuro naudojimo privalumus ir trūkumus, išsiaiškinti gamybos ypatybes, funkcines charakteristikas, taip pat įvertinti skirtingų rūšių biologinio kuro naudojimo efektyvumą. Pateikta informacija padės orientuotis renkantis alternatyvius energijos išteklių šaltinius.

Kas yra biokuras

Perspektyviausia kryptis energetikos sektoriuje yra atsinaujinančių išteklių, įskaitant biologinį kurą, naudojimą apimančios technologijos.

Labiausiai paplitusi biologinio kuro rūšis yra paprastos malkos. 38% pasaulio gyventojų juos naudoja šildymui ir maisto ruošimui

Kaip žaliavą jo gamybai galite paimti augalinės/gyvulinės kilmės biomasę, įskaitant pramonines atliekas arba gyvūnines atliekas.

Tokios medžiagos apdorojamos termocheminiais arba biologiniais metodais, pastaruoju atveju kuras gaunamas naudojant įvairių rūšių mikroorganizmus.

Biologinio kuro naudojimo dalis nuolat auga, o tai prisideda prie iškastinių angliavandenilių išteklių išsaugojimo (+)

Daugelis šalių turi specialias programas, skirtas padidinti biokuro dalį nacionaliniame ir regioniniame energijos suvartojime. Nemažai valstybių taip pat turi privalomus šio energijos šaltinio naudojimo standartus.

Biokuro privalumai ir trūkumai

Biologinis kuras turi savo teigiamų ir neigiamų pusių. Susidomėjimą šios rūšies žaliavos naudojimu sukelia neabejotini jos pranašumai.

Jie apima:

• Biudžeto kaina. Nors šiuo metu biokuro kainos beveik nesiskiria nuo benzino, biologinės medžiagos yra laikomos pelningesne kuro rūšimi, nes degdamos išskiria mažiau emisijų. Biokuras tinkamas naudoti įvairiomis sąlygomis, gali būti pritaikytas skirtingos konstrukcijos varikliams. Kitas privalumas – optimizuotas variklio darbas, kuris ilgiau išlieka švarus dėl nedidelio suodžių ir išmetamųjų dujų kiekio.
• Mobilumas. Biologinis kuras nuo kitų alternatyvių energijos šaltinių skiriasi nešiojamumu. Saulės ir vėjo instaliacijose dažniausiai būna sunkios baterijos, todėl jos dažniausiai naudojamos nuolat, o biokurą iš vieno regiono į kitą galima gabenti be didesnio vargo.
• Atsinaujinantis energijos šaltinis. Nors mokslininkai mano, kad esami žalios naftos telkiniai išliks mažiausiai kelis šimtus metų, iškastiniai ištekliai vis dar yra riboti. Biokuras, pagamintas iš augalų ir gyvulinių atliekų, yra vienas iš atsinaujinančių išteklių, kuriems artimiausioje ateityje negresia išnykti.
• Žemės atmosferos apsauga. Pagrindinis tradicinių angliavandenilių trūkumas yra didelis CO procentas₂, kuris išsiskiria degant. Šios dujos sukuria šiltnamio efektą mūsų planetos atmosferoje, sudarydamos sąlygas visuotiniam atšilimui. Deginant biologines medžiagas, anglies dvideginio kiekis sumažėja iki 65%. Be to, biokuro gamyboje naudojami augalai sunaudoja anglies monoksidą, todėl sumažėja jo dalis ore.
• Ekonominis saugumas. Angliavandenilių atsargos pasiskirsto netolygiai, todėl kai kurios valstybės yra priverstos pirkti naftą ar gamtines dujas, išleisdamos dideles pinigų sumas įsigijimui, transportavimui ir saugojimui. Įvairių rūšių biologinis kuras gali būti gaminamas beveik bet kurioje šalyje. Kadangi jo gamybai ir perdirbimui reikės kurti naujas įmones ir atitinkamai darbo vietas, tai bus naudinga šalies ekonomikai ir teigiamai paveiks žmonių gerovę.

Technologijų tobulinimas ir naujų metodų kūrimas gali sustiprinti teigiamą biokuro poveikį. Taigi technologijų, naudojančių planktoną ir dumblius, plėtra gerokai sumažins jo kainą.

Tuo pačiu metu dabartiniame mokslo ir technologijų vystymosi etape biokuro gamyba yra susijusi su daugybe sunkumų ir nepatogumų. Visų pirma, tai yra natūralūs augalų auginimo apribojimai.

Auginant pasėlius, naudojamus biomasės gamybai, reikia atsižvelgti į keletą veiksnių, būtent:

• Vandens naudojimas. Žemės ūkio augalai sunaudoja daug vandens, o tai yra ribotas išteklius, ypač sausose vietose.
• Invaziškumas. Degalams auginami augalai dažnai būna agresyvūs.Jie užgniaužia autentišką florą, todėl gali nukentėti regiono biologinė įvairovė ir ekosistema.
• Trąšos. Daugeliui augalų augti reikia papildomų maistinių medžiagų, kurios gali pakenkti kitiems augalams arba visai ekosistemai.
• Klimatas. Tam tikros klimato zonos (pavyzdžiui, dykuma ar tundra) netinkamos biokuro augalams auginti.

Aktyvus žemės ūkio augalų auginimas taip pat yra susijęs su žemės ūkio išteklių eikvojimu.Nesilaikant žemės ūkio technologijos taisyklių gali sumažėti naudingųjų dirvožemio komponentų kiekis ir dėl to išeikvoti, o tai apsunkins žemės ūkio technikos taisykles. maisto problema.

Ekosistema yra sutrikdyta. Biomasės gamybai paprastai reikia plėsti žemės ūkio plotus.

Dažnai šiam tikslui teritorija yra išvaloma, dėl to sunaikinama mikroekosistema (pavyzdžiui, miškai), miršta augalai ir gyvūnai.

Jau dabar auginamas didelis kiekis javų biokurui gaminti. Daugiau nei 50% Europoje užaugintų rapsų, daugiau nei trečdalis amerikietiškų grūdų ir beveik pusė Brazilijoje užaugintų cukranendrių sunaudojama biomasės gamybai.

Problemų kyla auginant monokultūras. Norėdami gauti didesnį biomasės derlių, gamintojai dažnai pasėja konkrečius augalus. Ši praktika nėra labai tinkama žemės ūkio paskirties žemei, nes monokultūra lemia aplinkos pokyčius.

Vienos rūšies augalų užimami laukai dažniausiai būna užkrėsti specialių rūšių kenkėjų.Bandymas su jais kovoti naudojant insekticidus ir pesticidus tik lemia atsparumo šiems veiksniams išsivystymą.

Siekiant išvengti aukščiau aprašytų problemų, mokslininkai pataria neapleisti pasėlių biologinės įvairovės, derinant kelis augalus laukuose, taip pat naudoti vietines floros veisles.

Alternatyvių degalų kartos

Platus biomasei naudojamų augalinių žaliavų asortimentas dažniausiai skirstomas į kelias kartas.

Pirmoji karta. Šiai kategorijai priskiriami žemės ūkio augalai, kuriuose yra daug krakmolo, cukrų ir riebalų. Tai tokie populiarūs augalai kaip kukurūzai, cukriniai runkeliai, rapsai, sojos pupelės.

Kadangi šių kultūrų auginimas kenkia klimatui, o jų pašalinimas iš rinkos daro įtaką maisto kainoms, mokslininkai bando juos pakeisti kitomis biomasės rūšimis.

Beveik visų rūšių šiuolaikinis skystasis kuras (biodyzelinas, etanolis) šiuo metu gaminamas iš žemės ūkio augalų, priklausančių pirmajai žaliavų kartai.

Antroji karta. Biomasės grupei priklauso mediena, žolė ir žemės ūkio atliekos (lukštai, lukštai). Gaminti biokurą iš tokių žaliavų yra brangu, tačiau tai leidžia išspręsti ne maisto likučių perdirbimo klausimą kartu gaminant degiąsias medžiagas.

Į šią veislę įtrauktų kultūrų ypatybė yra lignino ir celiuliozės buvimas juose. Jų dėka biomasė gali būti deginama ir dujofikuojama, taip pat pirolizuojama ir gaunamas skystas kuras.

Pagrindiniu antrosios kartos biomasės trūkumu laikoma nepakankama grąža ploto vienetui, todėl tokiems pasėliams tenka skirti didelius žemės išteklius.

Trečioji karta. Biokuro gamybos žaliava yra dumbliai, kurie auginami pramoniniu mastu, pavyzdžiui, atviruose rezervuaruose.

Perspektyviausiu variantu laikomas biokuras, gaunamas iš vienaląsčių dumblių. Tokie augalai greitai priauga svorio, jiems auginti nereikia derlingos žemės.

Ši praktika yra daug žadanti, tačiau šiuo metu tokios technologijos tik kuriamos. Mokslininkai taip pat atlieka tyrimus, siekdami sukurti metodus, leidžiančius gauti ketvirtos ir net penktos kartos biokurą.

Trys biokuro rūšys

Priklausomai nuo medžiagos agregacijos būsenos, yra trys pagrindiniai biokuro tipai:

1. Tvirtas: malkos, durpės, gyvulių ir žemės ūkio atliekos.
2. Skystis: biodyzelinas, dimetilo eteris, bioetanolis, biobutanolis.
3. Dujinis: biodujos, metanas, biovandenilis.

Kiekviena medžiagos rūšis turi savo specifiką, kuri bus aptarta toliau.

1 tipas: sunkus

Populiariausios kietojo biologinio kuro rūšys yra mediena, durpės ir gyvulinės atliekos.

Mediena (malkos, skiedros, pjuvenos)

Senovinė biokuro rūšis – gerai žinomos malkos, nuo seno naudojamos namams šildyti ir maistui gaminti. Iki šiol jie buvo aktyviai naudojami įvairiose šalyse šilumai/elektrai gaminti, ypač didelė Austrijos šiluminė elektrinė, kurios galia 66 megavatai, veikia iš medienos.

Tuo pačiu metu tokios žaliavos turi trūkumų. Malkų energetinė vertė palyginti maža: deginant dalis medžiagų nusėda suodžių pavidalu, todėl židinius ir krosnis reikia reguliariai valyti.Be to, medienos atsargoms papildyti reikia tam tikro laiko – nauji medžiai augs tik po 15-20 metų.

Puiki alternatyva įprastoms malkoms yra granulės (granulės), kurių gamybai naudojama nekokybiška mediena: žievė, medžio drožlės, presuotos pjuvenos, kalyte.

Granulės, gautos iš medienos, durpių ir įvairių atliekų, yra skirtingų spalvų. Šviesūs naudojami židiniams ir krosnims kūrenti, o tamsieji, turintys daug žievės, skirti kieto kuro katilams.

Kuro granulėms gaminti žaliavos sumalamos į dulkes, kurios vėliau išdžiovinamos ir spaudžiamos aukštoje temperatūroje. Dėl medienoje esančio lignino susidaro lipni masė, iš kurios susidaro nedideli 5-70 mm ilgio ir 6-10 mm skersmens cilindrai.

Šiuolaikinė alternatyva tradicinėms malkoms – keturių, šešių ar aštuonkampių kuro briketai. Ši aplinkai nekenksminga medžiaga pasižymi dideliu šilumos perdavimu

Granulių gamybą galite nustatyti patys, gamindami spausti kuro briketams.

Medienos drožlės yra viena iš populiariausių biokuro rūšių, kurios dažnai naudojamos kaip energijos šaltinis Europos šiluminėse elektrinėse. Šių žaliavų gamyba vykdoma kirtavietėse arba specialiose gamybos linijose su smulkintuvais.

Pelkių ir miško kuro durpės

Tai įprastas biokuro tipas, kuris šimtmečius buvo naudojamas buityje ir pramonėje. Durpės – pelkių sąlygomis nevisiškai suiręs samanų sluoksnis, kasamas daugelyje pasaulio šalių: Rusijoje, Baltarusijoje, Kanadoje, Švedijoje, Indonezijoje ir kt.

Durpės, kuriose yra 50–60 % anglies, laikomos populiaria dujas laikančia medžiaga. Ši vertinga žaliava gali būti naudojama ne tik kaip kuras, bet ir kaip trąša ar šilumos izoliatorius.

Siekiant palengvinti gamybos procesą, biomasė paprastai apdorojama gavybos vietoje. Procesą sudaro žaliavų valymas (sijojimas) nuo pašalinių intarpų, po to džiovinimas ir formavimas į briketus arba granules.

Kuras iš žemės ūkio atliekų

Žemės ūkio gamyboje, kaip taisyklė, susikaupia labai daug įvairių augalinių atliekų: išorinių augalų kevalų, riešutų kevalų, šiaudų.

Tokias žaliavas taip pat galima presuoti ir granuliuoti, gaminant kuro granules, kurių charakteristikos praktiškai nesiskiria nuo granulių, pagamintų iš medienos biomasės.

Gyvūninės kilmės biodegalai

Kartu su malkomis senovėje žmonės pradėjo naudoti gyvulinės kilmės kurą, būtent mėšlą – džiovintą naminių gyvulių mėšlą. Šiuolaikinės tokių žaliavų džiovinimo ir perdirbimo technologijos leidžia gauti kietų biokuro rūšių, kurios visiškai neturi nemalonaus kvapo.

Ilgą laiką klajoklių tautos kaip kurą naudojo džiovintą arklių, kupranugarių ir galvijų mėšlą. Šiuo metu biokuras gaminamas iš naminių gyvūnų atliekų briketų arba granulių pavidalu

Kadangi gyvulininkystės atliekos šiuo metu kaupiamos pramoniniu mastu, iš jų gaminant kurą kartu išsprendžiamas ir jų sutvarkymo klausimas.

2 tipas: skystis

Skysti biodegalai, kurie yra saugūs ir nekenksmingi aplinkai, dažniausiai naudojami kaip benzino ir kitų panašių produktų pakaitalas.Dažniausiai naudojami bioetanolis, biometanolis, biobutanolis, biodyzelinas ir dimetilo eteris.

Bioetanolis iš augalinių kultūrų

Tai įprastas skystas biokuras, naudojamas automobiliams degaluoti. Nors gryna medžiaga nenaudojama kaip kuras, jos pridėjimas prie benzino padeda pagerinti variklio veikimą, padidinti jo galią, kontroliuoti variklio šildymą ir sumažinti išmetamųjų teršalų kiekį.

Daugelis degalinių Europoje, Azijoje, Šiaurės ir Pietų Amerikoje siūlo ne tik tradicinį kurą, bet ir įvairių rūšių biokurą, pirmiausia mišinius, kuriuose yra bioetanolio.

Bioetanolį įvertino ir židinių mėgėjai. Ši medžiaga pasižymi geru šilumos perdavimu, be to, jai degant nesusidaro suodžiai ir dūmai, sumažinamas išmetamo anglies dioksido kiekis.

Dėl šių savybių kurą galima naudoti net daugiabučių namų židiniams kūrenti. Daugiau apie biokurą židiniams skaitykite Šis straipsnis.

Bioetanolis gaminamas iš pirmos kartos žaliavų, kurių sudėtyje yra krakmolo arba cukraus. Grūdai, kukurūzai, cukranendrės, runkeliai apdorojami alkoholio fermentacijos technologija.

Biobutanolis degalų papildymui automobiliams

Biobutanolis yra biologiškai gautas butanolio analogas. Bespalvis skystis, turintis būdingą kvapą, plačiai naudojamas kaip cheminė žaliava pramonėje, taip pat gali būti naudojamas kaip transporto kuras.

Butanolio energijos intensyvumas artimas benzino, todėl pastarąjį galima iš dalies pakeisti kuro elementuose. Skirtingai nuo bioetanolio, biobutanolį galima naudoti savarankiškai, nepridedant tradicinių degalų rūšių.

Šios biomedžiagos gamybos žaliava yra įvairiausi augalai: burokėliai, maniokai, kviečiai, kukurūzai.

Dimetilo eteris (C₂H₆O)

Tai taip pat aplinkai nekenksmingas kuras. Jį deginant išmetamosiose dujose nėra sieros junginių, o azoto junginių kiekis yra 90% mažesnis nei deginant benziną.

Dimetilo eterį galima naudoti ir be specialių filtrų, tačiau būtina atlikti esminius automobilio konstrukcijos pakeitimus (maitinimo sistemą, variklio uždegimą).

Dimetilo eteris laikomas perspektyviu automobilių degalų pasirinkimu. Automobilius su šiam kurui skirtais varikliais kuria tokios stambios įmonės kaip Volvo, SAIC Motor, KAMAZ, Nissan

Be jokių modifikacijų automobiliuose, kuriuose sumontuoti SND varikliai, galite naudoti kombinuotus degalus, kuriuose yra 30 % dimetilo eterio.

Skystas kuras gali būti gaminamas iš įvairių žaliavų: gamtinių dujų, anglies dulkių, biomasės ir, visų pirma, iš celiuliozės ir popieriaus gamybos liekanų, kurios esant žemam slėgiui virsta skysčiu.

Biometanolis iš vienaląsčių dumblių

Ši medžiaga yra įprasto metanolio analogas, kuris plačiai naudojamas daugelio cheminių junginių (acto rūgšties, formaldehido) gamybai, taip pat naudojamas kaip antifrizas ir tirpiklis.

Šio tipo biokuro gamybos klausimas pirmą kartą buvo iškeltas devintajame dešimtmetyje, kai grupė mokslininkų pasiūlė biochemiškai transformuojant jūrinį fitoplanktoną gaminti skystą medžiagą, kuri būtų auginama specialiuose rezervuaruose.

Biometanolis turi daug galimų privalumų:

• didelis energijos vartojimo efektyvumas — 14 – metano gamybai, 7 – metanolio gamybai;
• puikus fitoplanktono produktyvumas — iki 100 tonų iš hektaro per metus;
• nereiklūs vienaląsčiai organizmai, kurio auginimui nereikia gėlo vandens ir derlingų dirvožemių;
• žemės ūkio išteklių išsaugojimas, kadangi fitoplanktonas auginamas tvenkiniuose arba jūros įlankose.

Nors pramoninė biometanolio gamyba dar neįkurta, šiuo metu vyksta atkaklūs tyrimai ir technologijų plėtra, plėtojanti šios rūšies alternatyvaus kuro gamybą.

Biodyzelinas kaip alternatyva transporto kurui

Tai skystas variklių biokuras, sudarytas iš riebalų rūgščių esterių mišinio. Medžiaga yra saugi žmonėms ir gyvūnams, beveik visiškai suyra žemėje per 28 dienas, taip pat turi gana aukštą (<100) pliūpsnio temperatūrą.

Biodyzelinas sumažina kenksmingų dujų išmetimo procentą ir prailgina variklio tarnavimo laiką, nes jame yra tepimo komponentų.

Degalai naudojami automobilių varikliams papildyti tiek atskirai, tiek kartu su įprastais degalais. Reikia atsižvelgti tik į trumpą biologinės medžiagos galiojimo laiką: po trijų mėnesių biologinė medžiaga pradeda irti visiškai prarandant savybes.

Biodyzelinui ES šalyse buvo priimtas specialus standartas EN14214. Daugelyje šalių taip pat galioja EN590 standartas, leidžiantis į kitus degalus dėti 5 % biodyzelino.

3 tipas: dujinis

Pagrindinės dujinio biologinio kuro rūšys yra biodujos ir biovandenilis.

Biodujos kaip gamtinių dujų pakaitalas

Biodujos yra beveik pilnas gamtinių dujų analogas: jose yra 13-50 % CO_2, 49-87% metano, taip pat H priemaišų₂ ir H₂S.Jei ši medžiaga yra išvalyta iš anglies dioksido, galima gauti biometano.

Dujinis biokuras gaminamas iš biomasės vandenilio arba metano fermentacijos būdu. Pastarąjį sukelia trijų tipų mikroorganizmai: pirma, žaliava yra veikiama hidrolizinių bakterijų, kurias vėliau pakeičia rūgštį formuojantys ir metaną formuojantys mikrobai.

Biodujų gamyba gali būti vykdoma naudojant pramoninius ir rankdarbius. Labiausiai paplitęs gamybos būdas yra aerobinis skaidymas metano rezervuaruose.

Kaip žaliava gali būti naudojamos įvairios medžiagos: silosas, mėšlas, dumbliai, nuotekos, kraikas, išmatų likučiai, buitinės atliekos. Pradinė medžiaga įvedama į vienalytę būseną, po to ji dedama į reaktorių naudojant kroviklį.

Ten palaikoma komfortiška +35-38°C temperatūra, būtina metano fermentacijos procesui.

Žaliava nuolat maišoma, o susidaręs dujinis produktas išleidžiamas į dujų laikiklį (saugyklą), iš kurio patenka į elektros generatorių.

Daugiau informacijos apie biodujų gavimą iš mėšlo ir biodujų gamyklos įrengimą rašoma straipsniuose:

1. Kaip pasigaminti biokurą savo rankomis iš mėšlo namuose
2. „Pasidaryk pats“ biodujų gamykla privačiam namui: įrenginio rekomendacijos ir naminio gaminio išdėstymo pavyzdys

Biovandenilis gaunamas cheminiu būdu

Tam tikros rūšies dujinis biokuras, kuris yra įprastinio vandenilio analogas, gaunamas iš biomasės naudojant biocheminius arba termocheminius metodus.

Termocheminiu būdu paruoštos žaliavos (pavyzdžiui, medienos atliekos) kaitinamos iki 500–800°C temperatūros be deguonies, todėl išsiskiria H dujos.₂,CO,CH₄.

Perspektyvus biovandenilio gamybos būdas yra bioftolizė. Šiuo atveju dujos gaminamos naudojant dumblius, kurie dedami į jūros vandenį, nuotekas

Taikant biocheminį metodą, žaliavos laikomos patogiomis sąlygomis esant normaliam slėgiui ir maždaug 30°C temperatūrai.

Į biomasę patenka specialūs mikroorganizmai Enterobacter cloacae ir Rodobacter speriod, kurie suskaido pirminį produktą, išskirdami vandenilį. Norint pagreitinti gamybą naudojant polisacharidus, galima pridėti fermentų.

Išvados ir naudingas vaizdo įrašas šia tema

Žemiau esančiame vaizdo įraše galite pamatyti populiarios biokuro rūšies – medienos briketų – gamybos procesą:

Biologinio kuro rūšys skiriasi ne tik savo agregacijos būkle, bet ir savybėmis. Renkantis tokias medžiagas, būtina atsižvelgti į jų paskirtį, efektyvumą, funkcines savybes ir kainą.

Ar turite alternatyvaus kuro naudojimo patirties? Arba norite užduoti klausimų apie biokurą? Prašome komentuoti įrašą ir dalyvauti diskusijose. Atsiliepimų blokas yra žemiau.