Biodegvielas veidi: cietā, šķidrā un gāzveida kurināmā raksturlielumu salīdzinājums

Alternatīva tradicionālajiem energoresursiem ir dažādi biodegvielas veidi, kuru ražošanā izmanto augu vai dzīvnieku izcelsmes izejvielas, rūpniecības atkritumus un organismu dzīvības darbības produktus.

Piedāvājam Jums izprast šādas degvielas izmantošanas priekšrocības un trūkumus, uzzināt ražošanas īpatnības, funkcionālās īpašības, kā arī novērtēt dažādu bioloģiskās degvielas veidu izmantošanas efektivitāti. Sniegtā informācija palīdzēs Jums orientēties alternatīvo energoresursu avotu izvēlē.

Kas ir bioloģiskā degviela

Visdaudzsološākais virziens enerģētikā ir tehnoloģijas, kas paredz atjaunojamo resursu izmantošanu; pie šiem resursiem pieder arī bioloģiskā degviela.

Visizplatītākais bioloģiskās degvielas veids ir parasta malka. 38% Zemes iedzīvotāju to izmanto apkurei un ēdiena gatavošanai.

Kā izejvielu tā ražošanai var izmantot augu/dzīvnieku izcelsmes biomasu, tostarp rūpniecības ražošanas atkritumus vai dzīvnieku dzīvības darbības atliekas.

Šādu vielu apstrādi veic ar termoķīmisko vai bioloģisko metodi, pēdējā gadījumā degvielu iegūst, izmantojot dažādus mikroorganismu veidus.

Bioloģisko degvielu veidu izmantošanas īpatsvars pastāvīgi pieaug, kas veicina ogļūdeņražu izrakteņu resursu saglabāšanu (+)

Daudzās valstīs darbojas īpašas programmas biodegvielas īpatsvara paplašināšanai nacionālajā un reģionālajā enerģijas patēriņā. Vairākās valstīs ir arī obligātas normas šī enerģijas avota izmantošanai.

Biodegvielas priekšrocības un trūkumi

Bioloģiskajiem degvielas veidiem ir savas pozitīvās un negatīvās puses. Interesi par šī izejvielu veida izmantošanu rada tā neapšaubāmās priekšrocības.

Pie tām pieder:

• Budžeta izmaksas. Lai gan pašlaik biodegvielas cenas gandrīz sakrīt ar benzīna izmaksām, bioloģiskās vielas tiek uzskatītas par izdevīgāku degvielas veidu, jo degšanas procesā rada mazāk izmešu. Biodegvielu var izmantot dažādos apstākļos, un to var pielāgot dažādu konstrukciju dzinējiem. Vēl viens pluss ir motora darbības optimizācija, kas ilgāk paliek tīrs nelielā sodrēju un izplūdes gāzu daudzuma dēļ.
• Mobilitāte. Bioloģiskā degviela no citiem alternatīvajiem enerģijas avotiem atšķiras ar savu mobilitāti. Saules un vēja iekārtu konstrukcijās parasti ietilpst smagas akumulatoru baterijas, tāpēc tās visbiežāk tiek izmantotas stacionāri, turpretim biodegvielu bez īpašām grūtībām var pārvadāt no viena reģiona uz citu.
• Atjaunojams enerģijas avots. Lai gan, pēc pētnieku domām, esošo jēlnaftas krājumu pietiks vismaz vairākus simtus gadu, izrakteņu rezerves tomēr ir ierobežotas. Biodegviela, ko iegūst no augiem un dzīvnieku dzīvības darbības atkritumiem, pieder pie atjaunojamo resursu skaita, kuriem pārskatāmā nākotnē izsīkšana nedraud.
• Zemes atmosfēras aizsardzība. Liels tradicionālo ogļūdeņražu trūkums ir liels CO₂ procentuālais daudzums, kas izdalās degšanas laikā. Šī gāze mūsu planētas atmosfērā rada siltumnīcas efektu, veidojot apstākļus globālajai sasilšanai. Savukārt, sadedzinot bioloģiskās vielas, oglekļa dioksīda daudzums samazinās līdz 65%. Turklāt kultūras, ko izmanto biodegvielas ražošanā, patērē oglekļa oksīdu, samazinot tā īpatsvaru gaisā.
• Ekonomiskā drošība. Ogļūdeņražu krājumi ir sadalīti nevienmērīgi, tāpēc daļa valstu ir spiesta iepirkt naftu vai dabasgāzi, tērējot lielus līdzekļus iegādei, transportēšanai, uzglabāšanai. Dažādus bioloģiskās degvielas veidus var iegūt praktiski jebkurā valstī. Tā kā tās ražošanai un pārstrādei būs nepieciešams izveidot jaunus uzņēmumus un attiecīgi darba vietas, tas nāks par labu tautsaimniecībai un pozitīvi ietekmēs cilvēku labklājību.

Tehnoloģiju pilnveidošana un jaunu metožu izstrāde varēs pastiprināt biodegvielas pozitīvo ietekmi. Tā, tehnoloģiju izstrāde, izmantojot planktonu un aļģes, ļaus ievērojami samazināt tās cenu.

Tajā pašā laikā pašreizējā zinātnes un tehnoloģiju attīstības posmā biodegvielas ražošana ir saistīta ar vairākām grūtībām un neērtībām. Pirmkārt, tās ir dabiskie ierobežojumi augu audzēšanā.

Lai audzētu kultūras, ko izmanto biomasas ražošanai, ir jāņem vērā vairāki faktori, proti:

• Ūdens izmantošana. Lauksaimniecības augi patērē daudz ūdens, kas ir ierobežots resurss, īpaši sausos apvidos.
• Invazivitāte. Degvielai audzētās kultūras bieži ir agresīvas. Tās noslāpē autentisko floru, kādēļ var ciest reģiona bioloģiskā daudzveidība un ekosistēma.
• Mēslojums. Daudzu augu audzēšanai ir nepieciešama papildu barības vielu ievade, kas var kaitēt citām kultūrām vai vispārējai ekosistēmai.
• Klimats. Atsevišķas klimatiskās zonas (piemēram, tuksnesis vai tundra) nav piemērotas biodegvielas kultūru audzēšanai.

Aktīva lauksaimniecības augu audzēšana ir saistīta arī ar lauksaimniecības resursu izsīkšanu. Agrotehnisko noteikumu neievērošana var samazināt derīgo komponentu saturu augsnēs un rezultātā izraisīt to izsīkšanu, kas saasinās pārtikas problēmu.

Notiek ekosistēmas traucējums. Biomasas ražošanai parasti ir nepieciešama lauksaimniecībā izmantoto teritoriju paplašināšana.

Bieži vien šim nolūkam tiek veikta teritorijas attīrīšana, kas noved pie mikroekosistēmas (piemēram, meža) iznīcināšanas, augu un dzīvnieku bojāejas.

Biodegvielas ražošanai jau tagad tiek audzēts liels daudzums lauksaimniecības kultūru. Biomasas ražošanai tiek izmantoti vairāk nekā 50% Eiropā saražotā rapša, vairāk nekā trešdaļa Amerikas graudu, gandrīz puse Brazīlijā audzēto cukurniedru.

Rodas problēmas ar monokultūru audzēšanu. Lai iegūtu lielāku biomasas ražu, ražotāji bieži apsēj zemes ar noteiktu augu. Šāda prakse ne pārāk labi ietekmē lauksaimniecības zemju stāvokli, jo monokultūra noved pie vides izmaiņām.

Laukos, ko aizņem viena veida augi, parasti parazitē īpašas kaitēkļu šķirnes. Mēģinājums cīnīties ar tiem, izmantojot insekticīdus un pesticīdus, tikai noved pie rezistences veidošanās pret šiem līdzekļiem.

Lai izvairītos no iepriekš aprakstītajām problēmām, zinātnieki iesaka nenovērtēt par zemu kultūraugu bioloģisko daudzveidību, apvienojot laukos vairākus augus, kā arī izmantot vietējās floras šķirnes.

Alternatīvās degvielas paaudzes

Plašo augu izejvielu klāstu, ko izmanto biomasai, ir pieņemts sadalīt vairākās paaudzēs.

Pirmā paaudze. Šajā kategorijā ietilpst lauksaimniecības kultūras, kurās ir augsts cietes, cukuru un tauku saturs. Tās ir tādas populāras kultūras kā kukurūza, cukurbietes, rapsis, soja.

Tā kā šo kultūru audzēšana nodara kaitējumu klimatam, bet to izņemšana no tirgus ietekmē produktu cenu veidošanos, zinātnieki cenšas tās aizstāt ar citiem biomasas veidiem.

No lauksaimniecības augiem, kas pieder pie pirmās paaudzes izejvielām, pašlaik tiek ražoti gandrīz visi mūsdienu šķidrās degvielas veidi (biodīzelis, etanols).

Otrā paaudze. Biomasas grupā ietilpst koksne, zāle, lauksaimniecības atkritumi (čaumalas, mizas). Biodegvielas iegūšana no šādām izejvielām prasa lielus izdevumus, tomēr ļauj atrisināt nepārtikas atkritumu utilizācijas jautājumu, vienlaikus ražojot degošus materiālus.

Šķirnei piederošo kultūru īpatnība ir lignīna un celulozes klātbūtne tajās. Pateicoties tām, biomasu var sadedzināt un gazificēt, kā arī pakļaut pirolīzei, iegūstot šķidro degvielu.

Par otrās paaudzes biomasas galveno trūkumu uzskata nepietiekamu atdevi no platības vienības, kādēļ šādām kultūrām nākas atvēlēt ievērojamus zemes resursus.

Trešā paaudze. Biodegvielas ražošanai par izejvielu kalpo aļģes, kuras tiek audzētas rūpnieciskā mērogā, piemēram, atklātās ūdenstilpēs.

Par perspektīvāko variantu tiek uzskatīta biodegviela, kas iegūta no vienšūnas aļģēm. Šādi augi ātri pieņemas masā, turklāt to audzēšanai nav nepieciešamas auglīgas zemes.

Šādai praksei ir lielas perspektīvas, tomēr pašlaik šādas tehnoloģijas tikai tiek izstrādātas. Zinātnieki arī veic pētījumus, lai radītu metodikas, kas ļauj iegūt ceturtās un pat piektās paaudzes biodegvielu.

Trīs biodegvielas paveidi

Atkarībā no tā, kādā agregātstāvoklī viela atrodas, izšķir trīs galvenos biodegvielas veidus:

1. Cietā: malka, kūdra, dzīvnieku un lauksaimnieciskās ražošanas atkritumi.
2. Šķidrā: biodīzelis, dimetilēteris, bioetanols, biobutanols.
3. Gāzveida: biogāze, metāns, biūdeņradis.

Katram vielu veidam ir sava specifika, par ko tiks runāts tālāk.

Tips #1: cietais

Pie populārākajām cietajām biodegvielas šķirnēm pieder koksne, kūdra, dzīvnieku atkritumi.

Koksne (malka, skaidas, zāģskaidas)

Sens biodegvielas veids ir visiem labi pazīstamā malka, ko jau izsenis izmanto māju apkurei un ēdiena gatavošanai. Joprojām to aktīvi izmanto dažādās valstīs siltuma/elektroenerģijas iegūšanai, jo īpaši – uz malkas darbojas liela Austrijas termoelektrostacija, kuras jauda ir 66 megavati.

Tajā pašā laikā šādam izejmateriālam ir trūkumi. Malkas enerģētiskā vērtība ir samērā zema: dedzinot daļa vielas nosēžas kā sodrēji, tāpēc kamīnus un krāsnis regulāri jātīra. Turklāt koksnes krājumu atjaunošanai nepieciešams zināms laiks – jauni koki izaugs tikai pēc 15–20 gadiem.

Lieliska alternatīva parastajai malkai ir granulas (peleti), kuru ražošanai izmanto nekondicionētu koksni: miza, skaidas, presētas zāģskaidas, zari.

Granulas, kas iegūtas no koksnes, kūdras un dažādiem atkritumiem, ir dažādās krāsās. Gaišās izmanto kamīnu un krāšņu kurināšanai, bet tumšās ar lielāku mizas saturu ir paredzētas cietā kurināmā katliem.

Degvielas granulu ražošanai izejmateriālu sasmalcina putekļos, ko pēc tam izžāvē un presē augstā temperatūrā. Pateicoties koksnē esošajam lignīnam, veidojas lipīga masa, no kuras izveido mazus cilindriņus 5–70 mm garumā un 6–10 mm diametrā.

Mūsdienīga alternatīva tradicionālajai malkai ir degvielas briketes četr-, seš- vai astoņstūra formā. Šis videi draudzīgais materiāls ir ar augstu siltuma atdevi.

Granulu ražošanu var organizēt patstāvīgi, izgatavojot presi degvielas briketēm.

Pie populāriem biodegvielas veidiem pieder koksnes skaidas, kas bieži kalpo kā enerģijas avots Eiropas termoelektrostacijās. Šī izejmateriāla ražošana notiek mežizstrādes vietās vai īpašās ražošanas līnijās, kas aprīkotas ar mašīnām-smalcinātājiem.

Purva un meža degvielas kūdra

Šī ir izplatīta biodegvielas šķirne, ko gadsimtiem ilgi izmanto sadzīves un rūpniecības vajadzībām. Kūdra ir purva apstākļos pilnībā nesadalījies sūnu slānis, kura ieguvi veic daudzās pasaules valstīs: Krievijā, Baltkrievijā, Kanādā, Zviedrijā, Indonēzijā un citās.

Kūdra, kas satur 50–60% oglekļa, tiek uzskatīta par populāru gāzi saturošu materiālu. Šis vērtīgais izejmateriāls var tikt izmantots ne tikai kā degviela, bet arī kā mēslojums vai siltumizolators.

Ražošanas procesa ērtībai biomasu parasti pārstrādā iegūšanas vietā. Process ietver izejvielu attīrīšanu (sijāšanu) no svešķermeņiem, kam seko žāvēšana un formēšana brikešu vai granulu veidā.

Lauksaimniecības atkritumu degviela

Lauksaimniecības ražošanā parasti uzkrājas liels daudzums dažādu augu atkritumu: augu ārējie apvalki, riekstu čaumalas, salmi.

Šādu izejvielu var arī presēt un granulēt, iegūstot degvielas granulas, kuru raksturlielumi praktiski neatšķiras no koksnes biomasas granulām.

Dzīvnieku izcelsmes biodegviela

Līdzās malkai jau senatnē cilvēki sāka lietot dzīvnieku izcelsmes degvielu, proti, kizjakus – mājdzīvnieku izkaltušos mēslus. Mūsdienu žāvēšanas un pārstrādes tehnoloģijas ļauj iegūt cietās biodegvielas veidus, kuriem pilnībā nav nepatīkamas smakas.

Jau izsenis klejotāju tautas izmantoja kā kurināmo žāvētus zirgu, kamieļu, liellopu mēslus. Pašlaik no mājdzīvnieku dzīvības aktivitāšu atkritumiem ražo biodegvielu brikešu vai granulu veidā.

Tā kā pašlaik lopkopības atkritumi uzkrājas rūpnieciskos apmēros, degvielas ražošana no tiem vienlaikus risina to utilizācijas jautājumu.

Tips #2: šķidrais

Šķidrie biodegvielas varianti, kas izceļas ar drošību un videi draudzīgumu, lielākoties tiek izmantoti kā benzīna un citu līdzīgu līdzekļu aizstājēji. Pie izplatītākajiem variantiem pieder bioetanols, biometanols, biobutanols, biodīzelis, dimetilēteris.

Bioetanols no augu kultūrām

Tā ir izplatīta šķidrā biodegviela, ko izmanto automobiļu uzpildīšanai. Lai gan tīra viela netiek lietota kā degviela, tās pievienošana benzīnam uzlabo dzinēja darbību, palielina tā jaudu, ļauj kontrolēt motora uzkaršanu, samazina izplūdes gāzu emisijas.

Daudzās degvielas uzpildes stacijās Eiropā, Āzijā, Ziemeļamerikā un Dienvidamerikā tiek piedāvāta ne tikai tradicionālā degviela, bet arī dažādi biodegvielas veidi, galvenokārt maisījumi, kas satur bioetanolu.

Bioetanolu novērtējuši arī kamīnu cienītāji. Šai vielai ir laba siltuma atdeve, turklāt tās degšanas laikā neveidojas sodrēji vai dūmi, un izdalītā oglekļa dioksīda daudzums tiek samazināts līdz minimumam.

Pateicoties šādām īpašībām, šo degvielu var izmantot pat pavarda kurināšanai daudzdzīvokļu mājās. Sīkāk par biodegvielu kamīniem ir rakstīts šajā rakstā.

Bioetanola ražošana tiek veikta no pirmās paaudzes izejvielām, kas satur cieti vai cukuru. Graudaugi, kukurūza, cukurniedres, bietes tiek pārstrādātas, izmantojot spirta fermentācijas tehnoloģiju.

Biobutanols automobiļu uzpildei

Biobutanols – bioloģiski iegūts butanola analogs. Bezkrāsains šķidrums ar raksturīgu smaržu, plaši tiek izmantots kā ķīmiskā izejviela rūpniecībā, kā arī var tikt izmantots kā transporta degviela.

Butanola enerģētiskā ietilpība ir līdzīga benzīnam, kas ļauj daļēji aizstāt pēdējo degvielas elementos. Atšķirībā no bioetanola, biobutanols var tikt izmantots patstāvīgi, bez tradicionālo degvielas veidu pievienošanas.

Par izejvielu šīs biovielas ražošanai kalpo visdažādākie augi: bietes, manioka, kvieši, kukurūza.

Dimetilēteris (C₂H₆O)

Tā ir arī ekoloģiski tīra degviela. To sadedzinot, izplūdes gāzēs nav sēra savienojumu, un slāpekļa savienojumu saturs ir par 90% zemāks nekā sadegot benzīnam.

Dimetilēteri var izmantot bez īpašiem filtriem, bet automobiļa konstrukcijā (barošanas sistēma, dzinēja aizdedze) ir jāveic kardinālas izmaiņas.

Dimetilēteris tiek uzskatīts par perspektīvu automobiļu degvielas variantu. Mašīnas ar dzinējiem, kuri ir paredzēti šai degvielai, izstrādā tādi lieli uzņēmumi kā Volvo, SAIC Motor, KAMAZ, Nissan.

Bez jebkādiem pārveidojumiem var izmantot kombinēto degvielu, kas satur 30% dimetilētera, mašīnās, kuras ir aprīkotas ar LPG dzinējiem.

Šķidro degvielu var ražot no dažādām izejvielām: dabasgāzes, ogļu putekļiem, biomasas un galvenokārt no celulozes un papīra ražošanas atlikumiem, kas pārveidojas šķidrumā pie neliela spiediena.

Biometanols no vienšūnu aļģēm

Šāda viela ir parastā metanola analogs, ko plaši izmanto vairāku ķīmisku savienojumu ražošanai (etiķskābe, formaldehīds), kā arī to izmanto kā antifrīzu un šķīdinātāju.

Pirmo reizi jautājums par šāda veida biodegvielas ražošanu tika izvirzīts 1980. gados, kad zinātnieku grupa ierosināja iegūt šķidru vielu, izmantojot jūras fitoplanktona bioķīmisku pārveidi, kura kultivēšana tiks veikta īpašos ūdensbaseinos.

Biometanolam ir vairākas potenciālas priekšrocības:

• augsta enerģijas atdeve – 14, iegūstot metānu, 7, ražojot metanolu;
• izcila fitoplanktona produktivitāte – līdz 100 tonnām no hektāra gadā;
• vienšūnu organismu neprasīgums, kuru kultivēšanai nav nepieciešams saldūdens, auglīgas augsnes;
• zemkopības resursu saglabāšana, jo fitoplanktonu audzē dīķos vai jūras līčos.

Lai gan biometanola rūpnieciskā ražošana līdz šim nav izveidota, šobrīd tiek veikti neatlaidīgi pētījumi un tehnoloģiju izstrāde, lai attīstītu šāda veida alternatīvās degvielas ražošanu.

Biodīzelis kā alternatīva transporta degvielai

Šī ir šķidra motora biodegviela, kas sastāv no taukskābju esteru maisījuma. Viela ir droša cilvēkiem un dzīvniekiem, gandrīz pilnībā sadalās zemē 28 dienu laikā, un tai ir salīdzinoši augsta (<100) aizdegšanās temperatūra.

Biodīzelis samazina kaitīgo izplūdes gāzu procentuālo daudzumu, kā arī pagarina motora darbības laiku, jo tā sastāvā ir smērvielas komponenti.

Degvielu izmanto automašīnu dzinēju uzpildei gan atsevišķi, gan kombinācijā ar parasto degvielu. Jāņem vērā tikai neliels bioloģiskās vielas glabāšanas laiks: pēc trim mēnešiem sākas bioloģiskās vielas sabrukšana ar pilnīgu īpašību zudumu.

Biodīzelim ES valstīs tika pieņemts īpašais standarts EN14214. Vairākās valstīs ir spēkā arī standarts EN590, kas pieļauj 5% biodīzeļa pievienošanu citai degvielai.

Tips #3: gāzveida

Pie galvenajām gāzveida bioloģiskās degvielas šķirnēm pieder biogāze un bioūdeņradis.

Biogāze kā dabasgāzes aizstājējs

Biogāze ir praktiski pilnīgs dabasgāzes analogs: tā satur 13-50% CO₂, 49-87% metāna, kā arī H₂ un H₂S piemaisījumus. Ja šo vielu attīra no oglekļa dioksīda, var iegūt biometānu.

Gāzveida biodegvielu ražo no biomasas, izmantojot ūdeņraža vai metāna fermentāciju. Pēdējo izraisa trīs veidu mikroorganismi: vispirms izejvielu ietekmē hidrolīzes baktērijas, kuras pēc tam nomaina skābi veidojošās un metānu veidojošās mikrobas.

Biogāzes ražošanu var veikt rūpnieciskās un amatniecības iekārtās. Visizplatītākā ražošanas metode ir anaerobā fermentācija metāna tvertnēs.

Kā izejvielas var izmantot dažādus materiālus: skābbarību, kūtsmēslus, aļģes, notekūdeņus, mēslus, fekāliju atliekas, sadzīves atkritumus. Izejvielu padara viendabīgā stāvoklī, pēc tam to ar iekrāvēju ievieto reaktorā.

Tur tiek uzturēta komfortabla temperatūra +35-38°C, kas nepieciešama metāna fermentācijas procesa veikšanai.

Izejvielu pastāvīgi maisa, un radušais gāzveida produkts tiek novadīts gāzes tvertnē (glabāšanas blokā), no kurienes tas nonāk elektroģeneratorā.

Sīkāk par biogāzes iegūšanu no kūtsmēsliem un biogāzes iekārtas ierīkošanu ir rakstīts rakstos:

1. Kā pašrocīgi pagatavot biodegvielu no mēsliem mājas apstākļos
2. Biogāzes iekārta privātmājai pašrocīgi: ieteikumi ierīces izbūvei un pašdarinājuma piemērs

Bioūdeņradis, iegūts ar ķīmisko metodi

Gāzveida biodegvielas paveidu, kas ir parastā ūdeņraža analogs, iegūst no biomasas, izmantojot bioķīmisko vai termoķīmisko metodi.

Termoķīmiskajā metodē sagatavoto izejvielu (piemēram, koksnes atkritumus) karsē līdz 500-800°C temperatūrai bez skābekļa piekļuves, izdaloties H₂, CO, CH₄ gāzēm.

Biofotolīze ir perspektīva bioūdeņraža ražošanas metode. Šajā gadījumā gāzi ražo, izmantojot aļģes, kas tiek ievietotas jūras ūdenī, kanalizācijas notekūdeņos.

Bioķīmiskajā metodē izejvielu iztur komfortablos apstākļos normālā spiedienā un aptuveni 30°C temperatūrā.

Biomasā tiek pievienoti īpaši mikroorganismi Enterobacter cloacae, Rodobacter speriodes, kas sadala izejproduktu, izdalot ūdeņradi. Lai paātrinātu ražošanu, izmantojot polisaharīdus, ir atļauts pievienot enzīmus.

Secinājumi un noderīgs video par tēmu

Zemāk redzamajā video var redzēt populāra biodegvielas veida – koksnes brikešu – izgatavošanas procesu:

Bioloģiskās degvielas veidi atšķiras ne tikai pēc agregātstāvokļa, bet arī pēc īpašībām. Izvēloties šādus materiālus, jāņem vērā to plānotais lietojums, efektivitāte, funkcionālās īpašības un izmaksas.

Vai jums ir pieredze alternatīvās degvielas izmantošanā? Vai vēlaties uzdot jautājumus par biodegvielas tēmu? Lūdzu, komentējiet publikāciju un piedalieties diskusijās. Atsauksmju bloks atrodas zemāk.