A bioüzemanyag fajtái: a szilárd, folyékony és gáznemű tüzelőanyagok jellemzőinek összehasonlítása

A hagyományos energiaforrások alternatíváját képviselik azok a bioüzemanyagok, amelyek előállításához nővényi vagy állati nyersanyagokat, ipari hulladékot és élő szervezetek anyagcsere-termékeit használják.

Javasoljuk, hogy ismerje meg az ilyen tüzelőanyag használatának előnyeit és hátrányait, tájékozódjon a gyártás sajátosságairól, a funkcionális jellemzőkről, valamint értékelje a különböző típusú bioüzemanyagok használatának hatékonyságát. A bemutatott információk segítenek eligazodni az alternatív energiaforrások kiválasztásában.

Mi a bioüzemanyag?

Az energetika legígéretesebb irányát azok a technológiák jelentik, amelyek a megújuló erőforrások hasznosítását célozzák, ide tartozik a bioüzemanyag is.

A legelterjedtebb bioüzemanyag a hagyományos tűzifa. A Föld lakosságának 38%-a használja fűtésre és ételkészítésre.

Előállításához nyersanyagként növényi vagy állati eredetű biomasszát lehet felhasználni, ideértve az ipari termelés hulladékait, valamint az állati életfolyamatok maradványait.

Az ilyen anyagok feldolgozása termokémiai vagy biológiai módszerrel történik; utóbbi esetben a tüzelőanyagot különböző mikroorganizmusok segítségével állítják elő.

A biológiai tüzelőanyagok felhasználásának aránya folyamatosan növekszik, ami hozzájárul a fosszilis szénhidrogénkészletek megőrzéséhez (+)

Számos országban speciális programok működnek a bioüzemanyagok részarányának növelésére a nemzeti és regionális energiafogyasztásban. Több államban kötelező előírások is léteznek ezen energiaforrás felhasználására vonatkozóan.

A bioüzemanyag előnyei és hátrányai

A biológiai tüzelőanyagoknak megvannak a maguk előnyös és hátrányos oldalai. Az ilyen típusú nyersanyag iránti érdeklődést annak kétségtelen előnyei váltották ki.

Ezek közé tartoznak:

• Alacsony költség. Bár a biotüzemanyagok ára jelenleg gyakorlatilag megegyezik a benzin árával, a biológiai anyagokat mégis előnyösebb tüzelőanyagnak tartják, mert égetésükkor kevesebb káros anyagot bocsátanak ki. A biotüzemanyag különböző körülmények között használható, és különböző szerkezetű motorokhoz illeszthető. További előnye a motor működésének optimalizálása, amely így tovább marad tisztán a csekély korom- és kipufogógáz-kibocsátás miatt.
• Mobilitás. A biológiai tüzelőanyag azzal különbözik más alternatív energiaforrásoktól, hogy mobilis. A napelemes és szélenergiás berendezések szerkezetében általában nehéz akkumulátorok találhatók, ezért legtöbbször helyhez kötötten használják őket, míg a biotüzelőanyag különösebb nehézség nélkül szállítható egyik régióból a másikba.
• Megújuló energiaforrás. Bár a kutatók szerint a meglevő nyersolajkészletek legalább néhány száz évig kitartanak, a fosszilis készletek mégis végesek. A növényekből és állati élettevékenység maradványaiból előállított biotüzelőanyag a megújuló energiaforrások közé tartozik, amelyeket belátható időn belül nem fenyeget a kimerülés.
• A Föld légkörének védelme. A hagyományos szénhidrogének nagy hátránya a magas CO₂-kibocsátás az égetés során. Ez a gáz bolygónk légkörében üvegházhatást kelt, ami a globális felmelegedés feltételeit teremti meg. A biológiai anyagok égetésekor azonban a szén-dioxid mennyisége akár 65%-kal is csökkenhet. Emellett a biotüzelőanyag előállításához használt növények is fogyasztják a szén-dioxidot, csökkentve annak légköri arányát.
• Gazdasági biztonság. A szénhidrogénkészletek egyenlőtlenül oszlanak el, ezért egys országok kénytelenek olajat vagy földgázt vásárolni, jelentős összegeket költve benszerzésre, szállításra, tárolásra. A bioüzemanyag külnböző fajtái szinte bármely országban előállíthatók. Mivel előállításukhoz és feldolgozásukhoz új vállalkozások létrehozására és ennek megfelelően munkahelyek teremtésére lesz szükség, ez hasznára válik a nemzetgazdaságnak és pozitívan hat az emberek jólétére.

A technológiák fejlesztése és az új módszerek kidolgozása fokozhatja a bioüzemanyag pozitív hatását. Így a plankton és algák felhasználásával kapcsolatos technológiák fejlesztése jelentősen csökkentheti annak árát.

Ugyanakkor a tudomány és technológia jelenlegi fejlettségi szintjén a bioüzemanyag-gyártás számos nehézséggel és kényelmetlenséggel jár. Mindenekelőtt a növények termesztésének természeti korlátairól van szó.

A biomassza előállításához használt növények termesztésénél számos tényezőt kell figyelembe venni, mégpedig:

• Vízhasználat. A mezőgazdasági növények sok vizet fogyasztanak, amely korlátozott erőforrás, különösen a száraz területeken.
• Invazivitás. Az üzemanyag céljából termesztett növények gyakran agresszívek. Elnyomják az őshonos flórát, ami miatt a régió biodiverzitása és ökoszisztémája károsodhat.
• Műtrágyák. Sok növény termesztéséhez további tápanyagok bevitele szükséges, amelyek károsíthatják más kultúrákat vagy az általános ökoszisztémát.
• Éghajlat. Bizonyos éghajlati övezetek (például sivatag vagy tundra) nem alkalmasak a bioüzemanyag-növények termesztésére.

A mezőgazdasági növények intenzív termesztése a termőföldi erőforrások kimerülésével is jár. A mezőgazdasági technológia szabályainak be nem tartása a talaj hasznos összetevőinek csökkenéséhez, és ezáltal annak kimerüléséhez vezethet, ami a táplálékellátási probléma súlyosbodását idézi elő.

Az ökoszisztéma megzavarása következik be. A biomassza előállításához általában a mezőgazdaságban használt területek bővítésére van szükség.

Gyakran e célból területeket tisztítanak meg, ami a mikroökoszisztéma (például erdő) pusztulásához, növények és állatok elpusztulásához vezet.

A bioüzemanyag előállításához már jelenleg is nagy mennyiségű mezőgazdasági növényt termesztenek. A biomassza-termeléshez felhasználják az Európában termesztett repce több mint 50%-át, az amerikai gabona több mint egyharmadát, és a Brazíliában termesztett cukornád csaknem felét.

Problémák merülnek fel a monokultúrás termesztéssel kapcsolatban. A nagyobb biomasszahozam elérése érdekében a termelők gyakran egy adott növénnyel vetik be a földeket. Ez a gyakorlat nem túl kedvezően hat a mezőgazdasági területek állapotára, mivel a monokultúra a környezet megváltozásához vezet.

Azokon a földeken, amelyeket egyetlen növényfaj foglal el, általában a kártevők speciális válozatai parazitálnak. A rovarirtók és növényvédő szerek segítségével történő védekezési kísérlet csupán az adott szerekkel szembeni rezisztencia kialakulásához vezet.

A fent leírt problémák elkerülése érdekében a tudósok azt tanácsolják, hogy ne hanyagolják el a növények biológiai sokféleségét, hanem több növényt kombináljanak a földeken, valamint használjanak helyi növényfajtákat.

Az alternatív tüzelőanyag generációi

A biomassza előállításhoz használt növényi nyersanyagok széles válaasztékát hagományosan több generációra osztják.

Első generáció. Ebbe a kategóriába azok a mezőgazdasági növények tartoznak, amelyek magas keményítő-, cukor- és zsírtartalommal rendelkeznek. Ilyen népszerű növények például a kukorica, a cukorrépa, a repce és a szója.

Mivel ezen növények termesztése károsítja az éghajatot, és piacról való kivonásuk befolyásolja a termékek árképzését, a tudósok megpróbálják más biomassza típusokkal helyettesíteni őket.

Az el első generációs nyersanyagok közé tartozó mezőgazdasági növényekből jelenleg szinte minden modern folyékony üzemanyagfajtát (biodízel, etanol) állítanak elő.

Második generáció. A biomassza csoportjába tartozik a fa, a fű, a mezőgazdasági hulladék (héj, pelyva). A z ilyen nyersanyagból történő bioüzemanyag-előállítás nagy kőltségekke jár, azonban leheővé teszi a nem élelmiszer-maradványok hasznosításának megoldását, egyúttal éghető anyagok termelését is.

A z ebbe a fajtába tatozó növények jellemzője, hgy lignin és cellulóz található benük. Ennek köszönhetően a biomassza elégethető és gázosítható, valamint pirolízisnek vethető alá, amivel folyékony üzemanyag nyerhető.

A második generációs biomassza fő hátrányának a területi egységre eső elégtelen hozamot tartják, ami miatt jelentős földterületeket kell ezeknek a növényeknek szánni.

Harmadik generáció. A bioüzemanyag gyártásához nyersanyagként szolgálnak az algák, amelyeket ipari méretben termesztenek, például nyílt vízfelületen.

A legígéretesebb lehetőségnek az egysejtű algákból nyert bioüzemanyagot tartják. Az ilyen növények gyorsan gyarapodnak, rádásul termesztésükhöz nincs szükség termékeny földekre.

Az ilyen gyakorlat nagy lehteőségekkel bír, azonban jelenleg ezek a technológiák még csak fejlesztés alatt állnak. A tudósok embellett kutatásokat folyttanak olyan módszerek kidolgozására, amelyeklehetővé teszik a negyedik, sőt akár ötödik generációs bioüzemanyag előállítását.

A bioüzemanyag három típusa

Attól függően, hogy az anyag milyen halmázapotban van, három alaptípusú bioüzemanyagot külőnböztetnek meg:

1. Szilárd: fa, tőzeg, állati élettevényeségből és mezőgazdasági termelésből származó hulladékok.
2. Folyékony: biodízel, dimetil-éter, bioetanol, biobutanol.
3. Gázneműek: biogáz, metán, biohidrogén.

Minden anyagtípusnak megvannak a maga sajátosságai, amelyekről alább lesz szó.

1. típus: szilárd

A legnépszerűbb szilárd bioüzemanyag-fajták közé tartozik a fa, a tőzeg és az állati hulladék.

Fa (tűzifa, faforgács, fűrészpor)

A jól ismert tűzifa ősi bioüzemanyag-fajta, amelyet régóta használnak házak fűtésére és ételkészítésre. A mai napig aktívan alkalmazzák különböző országokban hő- és villamos energia előállítására; például egy nagy osztrák hőerőmű, amelynek teljesítménye 66 megawatt, tűzifával működik.

Ugyanakkor az ilyen alapanyagnak vannak hátrányai is. A tűzifa energiatartalma viszonylag alacsony: az égés során az anyag egy része koromként rakódik le, ezért a kandallókat és kályhákat rendszeresen tisztítani kell. Ezenkívül a faállomány pótlása bizonyos időt vesz igénybe – az új fák csak 15-20 év múlva nőnek ki.

A hagyományos tűzifa kiváló alternatívája a pellet (granulátum), amelynek előállításához nem megfelelő minőségű fát használnak: kérget, faforgácsot, préselt fűrészport és ágakat.

A fából, tőzegből és különböző hulladékokból nyert pelletek különböző színűek. A világosakat kandallók és kályhák fűtésére használják, míg a sötétebbek, amelyek több kérget tartalmaznak, szilárd tüzelésű kazánokhoz valók.

A tüzelőanyag-pelletek gyártásához az alapanyagot porrá őrlik, majd magas hőmérsékleten szárítják és préselik. A fában található ligninnek köszönhetően ragadós anyag képződik, amelyből 5–70 mm hosszú és 6–10 mm átmérőjű kis hengereket formáznak.

A hagyományos tűzifa modern alternatívája a négyszög-, hatszög- vagy nyolcszög alakú tüzelőanyag-brikett. Ez a környezetbarát anyag magas hőleadással rendelkezik.

A pelletgyártást önállóan is el lehet kezdeni egy tüzelőanyag-brikett prés elkészítésével.

A népszerű bioüzemanyag-fajták közé tartozik a faforgács, amely gyakran szolgál energiaforrásként európai hőerőművekben. Ennek az alapanyagnak a termelése erdőgazdálkodási területeken vagy speciális gyártósorokon történik, amelyeket aprítógépekkel szerelnek fel.

Lápi és erdei tüzelőtőzeg

Ez egy elterjedt bioüzemanyag-fajta, amelyet évszázadok óta használnak háztartási és ipari célokra. A tőzeg nem teljesen lebomlott moharéteg a lápokban, amelynek kitermelése a világ számos országában folyik: Oroszországban, Fehéroroszországban, Kanadában, Svédországban, Indonéziában és másutt.

Az 50-60% szenet tartalmazó tőzeg népszerű gáztartalmú anyagnak számít. Ez az értékes alapanyag nemcsak tüzelőanyagként, hanem műtrágyaként vagy hőszigetelőként is használható.

A gyártási folyamat kényelme érdekében a biomasszát általában a kitermelés helyén dolgozzák fel. A folyamat a nyersanyag megtisztításából (szitálásából) áll, az idegen anyagok eltávolításával, majd szárítás és briketté vagy pelletekké formázása következik.

Mezőgazdasági hulladékból nyert tüzelőanyag

A mezőgazdasági termelés során általában nagy mennyiségű különféle növényi hulladék halmozódik fel: növények külső burkai, dióhéj, szalma.

Az ilyen nyersanyagot szintén préselni és granulálni lehet, így olyan tüzelőanyag-pelleteket kapunk, amelyek jellemzői gyakorlatilag nem különböznek a fa biomasszából készült granulátumokétól.

Állati eredetű bioüzemanyag

A tűzifa mellett már régen is elkezdték használni az állati eredetű tüzelőanyagokat, nevezetesen a kizsákot – a háziállatok megszáradt trágyáját. A modern szárítási és feldolgozási technológiák lehetővé teszik, hogy az ilyen nyersanyagokból olyan szilárd bioüzemanyagokat nyerjenek, amelyek teljesen mentesek a kellemetlen szagtól.

A nomád népek ősidők óta használták tüzelőanyagként a lovak, tevék és szarvasmarhák megszáradt trágyáját. Napjainkban a háziállatok élettevékenységéből származó hulladékokból brikett vagy pellet formájában állítanak elő bioüzemanyagot.

Mivel napjainkban az állattenyésztési hulladékok ipari méretekben halmozódnak fel, a belőlük történő üzemanyag-gyártás egyúttal megoldja az ártalmatlanításuk kérdését.

2. típus: folyékony

A folyékony bioüzemanyag-változatok, amelyek biztonságosak és környezetbarátak, többnyire a benzin és más hasonló anyagok helyettesítésére szolgálnak. A leggyakoribb változatok közé tartozik a bioetanol, a biometanol, a biobutanol, a biodízel és a dimetil-éter.

Növényi kultúrákból nyert bioetanol

Ez egy elterjedt folyékony bioüzemanyag, amelyet járművek tankolására használnak. Bár a tiszta anyagot nem használják tüzelőanyagként, a benzinhez való hozzáadása javítja a motor működését, növeli a teljesítményét, lehetővé teszi a motor hőmérsékletének szabályozását, és csökkenti a kipufogógáz-kibocsátást.

Európa, Ázsia, Észak- és Dél-Amerika számos benzinkútján nemcsak hagyományos üzemanyagot, hanem különféle bioüzemanyagokat is kínálnak, elsősorban bioetanolt tartalmazó keverékeket.

A kandallók kedvelői is megkedvelték a bioetanolt. Ez az anyag jó hőleadással rendelkezik, ráadásul égésekor nem keletkezik korom vagy füst, a felszabaduló szén-dioxid mennyisége pedig minimálisra csökken.

Ezen tulajdonságoknak köszönhetően az üzemanyag akár többemeletes házak tűzhelyeinek fűtésére is használható. A kandallókhoz való bioüzemanyagról bővebben ebben a cikkben olvashat.

A bioetanol előállítása első generációs, keményítőt vagy cukrot tartalmazó nyersanyagokból történik. A gabonaféléket, kukoricát, cukornádat, cukorrépát alkoholos erjesztési technológiával dolgozzák fel.

Biobutanol járművek tankolásához

Biobutanol – biológiai úton előállított butanol analóg. Színtelen folyadék, jellegzetes szagú, széles körben használják vegyi alapanyagként az iparban, és közlekedési üzemanyagként is alkalmazható.

A butanol energiasűrűsége közel áll a benzinéhez, ami lehetővé teszi, hogy részben helyettesítse az utóbbit az üzemanyagcellákban. A bioetanollal ellentétben a biobutanol önállóan is használható, hagyományos üzemanyagok hozzáadása nélkül.

Ennek a bioanyagnak az előállításához a legkülönfélébb növények szolgálnak alapanyagul: cékla, manióka, búza, kukorica.

Dimetil-éter (C₂H₆O)

Ez egy környezetbarát üzemanyag is. Égetésekor a kipufogógázokban nincsenek kénvegyületek, a nitrogénvegyületek tartalma pedig 90%-kal alacsonyabb, mint a benzin égésekor.

A dimetil-éter speciális szűrők nélkül is használható, de az autó szerkezetén (üzemanyag-ellátó rendszer, motor gyújtása) alapvető változtatásokat kell végezni.

A dimetil-étert az autóüzemanyag ígéretes változatának tartják. Az erre az üzemanyagra tervezett motorokkal szerelt járműveket olyan nagyvállatok fejlesztik, mint a Volvo, a SAIC Motor, a Kamaz és a Nissan.

Bármilyen átalakítás nélkül használható a 30% dimetil-étert tartalmazó kombinált üzemanyag azokban a járművekben, amelyek LPG-motorral vannak felszerelve.

Folyékony üzemanyag különféle alapanyagokból állítható elő: földgázból, szénporból, biomasszából és elsősorban a cellulóz- és papírgyártás maradékaiból, amelyek kis nyomáson folyadékká alakulnak.

Biometanol egysejtű algákból

Ez az anyag a hagyományos metanol analógja, amelyet széles körben használnak számos vegyi anyag (ecetsav, formaldehid) előállítására, valamint fagyállóként és oldószerként is alkalmazzák.

A bioüzemanyag e típusának előállítási kérdését először az 1980-as években vetették fel, amikor egy tudóscsoport azt javasolta, hogy folyékony anyagot nyerjének a tengeri fitoplankton biokémiai átalakításával, amelynek tenyésztését speciális víztestekben végeznék.

A biometanol számos potenciális előnnyel rendelkezik:

• magas energiahozam – 14 a metán előállítása során, 7 a metanol termelésekor;
• kiváló fitoplankton-termelékenység – hektáronként akár 100 tonna évente;
• az egysejtű szervezetek igénytelensége, amelyek tenyésztéséhez nincs szükség édesvízre, termékeny talajra;
• mezőgazdasági erőforrások megőrzése, mivel a fitoplankton tavakban vagy tengeri öblökben termesztik.

Bár a biometanol ipari előállítása még mindig nincs beindítva, jelenleg kitartó kutatások és technológiafejlesztések folynak az alternatív üzemanyag e típusának gyártása érdekében.

A biodízel, mint a közlekedési üzemanyag alternatívája

Ez egy folyékony motor-bioüzemanyag, amely zsírsav-észterek keverékéből áll. Az anyag biztonságos emberekre és állatokra, gyakorlatilag teljesen lebomlik a talajban 28 nap alatt, és viszonylag magas (<100) gyulladási hőmérséklettel rendelkezik.

A biodízel csökkenti a káros gázok kibocsátásának arányát, valamint meghosszabbítja a motor élettartamát, mivel kenőanyag-komponenseket tartalmaz.

Az üzemanyagot használják járműmotorok feltöltésére önmagában és hagyományos üzemanyaggal kombinálva is. Csapán a biológiar anyag rövid tárólási idejét kell fgyelembe venni: három hónap elteltével megkőződik a biológiai anyag lebomlása, ami a tulajdonságok teljes elvesztéséhez vezet.

A biodízel számára az EU-országokban elfogadtak egy speciális EN14214 szabványt. Számos országban érvényben van az EN590 szabvány is, amely lehetővé teszi 5% biodízel hozzáadását más üzemanyagokhoz.

3. típus: gáznemű

A gáznemű biológiai üzemanyag fő fajtái közé tartozik a biogáz és a biohidrogén.

A biogáz, mint a földgáz helyettesítője

A biogáz gyakorlatilag a földgáz teljes analógja: 13-50% CO_2, 49-87% metánt, valamint H₂ és H₂S szennyeződéseket tartalmaz. Ha ezt az anyagot megtisztítják a szén-dioxidtól, biometán nyerhető.

A gáznemű bioüzemanyagot biomasszából állítják elő hidrogénerjesztéses vagy metánerjesztéses eljárással. Ez utóbbit háromféle mikroorganizmus okozza: az alapanyag először hidrolizáló baktériumok hatásának van kitéve, amelyeket aztán savképző és metánképző mikrobák váltanak fel.

A biogáz gyártása végezhető ipari és házi készítésű berendezésekben. A leggyakoribb gyártási módszer az anaerob erjesztés metántartályokban.

Nyersanyagként sokféle anyag használható: szilázs, trágya, algák, szennyvíz, baromfiürülék, ürülékmaradványok, háztartási hulladék. Az alapanyagot homogén állapotba hozzák, majd rakodógép segítségével a reaktorba helyezik.

Ott +35-38°C-os kényelmes hőmérsékletet tartanak fenn, amely szükséges a metánerjesztési folyamat végrehajtásához.

Az alapanyagot folyamatosan keverik, miközben a keletkező gáznemű terméket a gáztartályba (tárolóblokkba) vezetik, ahonnan az elektromos generátorba kerül.

Részletesebben a biogáz trágyából való nyeréséről és a biogázberendezések kialakításáról a következő cikkekben olvashat:

1. Hogyan készítsünk saját kezűleg biotüzelőanyagot trágyából otthoni körülmények között
2. Házilag kivitelezhető biogázüzem magánházhoz: tippek a felépítéshez és egy barkácsolás példája

Kémiai módszerrel nyert biohidrogén

A gáznemű bioüzemanyag egy fajtája, amely a normál hidrogén analógját képviseli, biomasszából nyerik biokémiai vagy termokémiai módszerekkel.

A termokémiai eljárás során az előkészített alapanyagot (például fahulladékot) 500-800°C hőmérsékletre hevítik oxigén hozzáférése nélkül, miközben H₂, CO, CH₄ gázok szabadulnak fel.

A biohidrogén előállításának ígéretes módja a biofotolízis. Ekkor a gázt algák segítségével állítják elő, amelyeket tengervízbe, szennyvízcsatornába helyeznek.

Biokémiai eljárás esetén a nyersanyagot kényelmes körülmények között, normál nyomáson és körülbelül 30°C hőmérsékleten tartják.

A biomasszába speciális mikroorganizmusokat (Enterobacter cloacae, Rodobacter speriodes) juttatnak, amelyek lebontják a kiindulási anyagot, hidrogént szabadítva fel. A poliszacharidok felhasználásával történő termelés gyorsítása érdekében enzimek hozzáadása megengedett.

Következtetések és hasznos vidéó a témából

Az alábbi videón megtekinthető a népszerű bioüzemanyag-típus, a fabriketták gyártási folyamata:

A biológiai üzemanyagok típusai nemcsak halmazállapotukban, hanem jellemzőikben is különböznek. Az ilyen anyagok kiválasztásakor figyelembe kell venni a tervezett felhasználást, hatékonyságot, funkcionális tulajdonságokat és költséget.

Van tapasztalata alternatív tüzelőanyag használatában? Vagy szeretne kérdéseket feltenni a bioüzemanyag témájában? Kérjük, kommentálja a bejegyzést, és vegyen részt a beszélgetésekben. A visszajelzési blokk alább található.