Co to jest paliwo bioetanolowe i jakie są jego zalety?
Być może widzieliście Państwo w ostatnich latach doniesienia prasowe o samochodach, które są napędzane alkoholem, a nie benzyną. Pomysł wykorzystania etanolu do napędzania pojazdów jest znany od jakiegoś czasu, ale dopiero od niedawna jest on poważnie badany. Zastępując paliwo ropopochodne alkoholem, moglibyśmy wyeliminować szkodliwe spaliny, które każdy samochód wytwarza, gdy jako paliwo wykorzystuje benzynę.
Bioetanol to ekscytujące paliwo alternatywne, które cieszy się coraz większym zainteresowaniem naukowców, konsumentów i producentów samochodów. Ale czym jest bioetanol i dlaczego uważa się go za tak obiecujący?
Co to jest paliwo bioetanolowe?
Etanol od dawna jest jedną z najbardziej uniwersalnych i niezbędnych substancji, jakie mamy do dyspozycji. Większość ludzi zna etanol jako alkohol występujący w napojach alkoholowych. Jednak dla chemików etanol to coś więcej niż tylko psychoaktywny narkotyk; to rozpuszczalnik o nieskończonej liczbie zastosowań przemysłowych i chemicznych. W ostatnich latach etanol pojawił się również jako potencjalne paliwo odnawialne dla samochodów i realna alternatywa dla benzyny na bazie ropy naftowej.
Bioetanol odnosi się po prostu do etanolu produkowanego z biomasy. Jeśli zastanawiasz się, z czego składa się paliwo bioetanolowe, oto odpowiedź. Biomasa to szeroki termin, który obejmuje wszelkie materiały pochodzące z żywych lub niedawno zmarłych organizmów. Drewno jest najbardziej powszechnym przykładem biomasy. Spalając drewno, możemy bezpośrednio uwolnić zawartą w nim energię i wykorzystać ją jako paliwo. Inne popularne kategorie biomasy obejmują pozostałości rolnicze i obornik zwierzęcy, odpady spożywcze i przemysłowe oraz rośliny energetyczne.
Jak powstaje paliwo bioetanolowe?
Biomasa, zazwyczaj w postaci roślin energetycznych, może produkować bioetanol w procesie zwanym fermentacją, tym samym, w którym kwas siarkowy jest używany do produkcji napojów alkoholowych. Kukurydza, trzcina cukrowa, algi i wiele innych powszechnie dostępnych roślin może być wykorzystywanych do produkcji bioetanolu w procesie fermentacji. Podczas procesu fermentacji, pewne gatunki drożdży zużywają cukry zawarte w biomasie. Podczas ich trawienia, jako produkty uboczne, wytwarzają etanol i dwutlenek węgla (CO2).
Biomasa zawiera zazwyczaj szereg złożonych polimerów węglowodanowych zwanych celulozą, która znajduje się w ścianach komórkowych roślin. Aby wytworzyć wystarczającą ilość cukru do fermentacji, biomasa musi zostać poddana działaniu specjalnych kwasów lub enzymów. Rozbijają one niektóre z bardziej odpornych komórek roślinnych, odsłaniając ich wewnętrzną strukturę w innym procesie zwanym hydrolizą. W wyniku hydrolizy celulozy powstaje cukier sacharoza, który może być następnie poddany fermentacji w celu wytworzenia etanolu. Istnieją trzy główne sposoby ekstrakcji cukru z próbki biomasy: hydroliza enzymatyczna, hydroliza rozcieńczonym kwasem i hydroliza stężonym kwasem.
Hydroliza enzymatyczna: Do próbki biomasy dodawane są specjalne enzymy. Enzymy te rozkładają komórki roślinne i hydrolizują celulozę w celu wytworzenia sacharozy. Metoda ta jest najnowszą innowacją, a jej wdrożenie jest obecnie bardzo kosztowne. Oczekuje się jednak, że z czasem, w miarę udoskonalania procesu, stanie się on bardziej ekonomiczny.
Hydroliza rozcieńczonym kwasem: Metoda ta jest najstarsza i najprostsza. Jest to również obecnie najbardziej efektywny sposób wykorzystania biomasy do produkcji etanolu, choć może się to zmienić w przyszłości. Proces składa się z dwóch etapów, w których do biomasy dodaje się każdorazowo kwas siarkowy rozcieńczony do mniej niż 1% i podgrzany do temperatury 190 - 215 stopni Celsjusza. Słaby kwas i wysoka temperatura hydrolizują celulozę. Powstała w ten sposób ciecz może być następnie odzyskana i przetworzona.
Stężona hydroliza kwasowa: Stężona hydroliza kwasowa wykorzystuje znacznie silniejsze (70-77%) stężenie kwasu siarkowego, który dodaje się do wysuszonej biomasy i podnosi do temperatury 50 stopni Celsjusza. Następnie mieszaninę rozcieńcza się wodą do uzyskania stężenia pomiędzy 20-30% stopni Celsjusza, po czym podgrzewa się do 100 stopni Celsjusza przez jedną godzinę. W wyniku tego procesu powstaje żel, który może być wyciskany w celu uwolnienia mieszaniny cukru i kwasu. Mieszanina jest rozdzielana za pomocą kolumny chromatograficznej.
Jakie są zalety paliwa bioetanolowego?
Bioetanol oferuje wiele zalet w porównaniu do starszych rodzajów paliwa. Jednak jednym z głównych powodów jest to, że do jego produkcji można wykorzystać każdą roślinę zawierającą cukier i skrobię. W miarę postępu badań i udoskonalania procesów ekstrakcji i fermentacji cukrów, możemy spodziewać się wzrostu wydajności. Obecnie kilka upraw jest uważanych za zdecydowanie lepsze do produkcji bioetanolu, ale z czasem może się to zmienić.
Produkcja paliwa bioetanolowego jest znacznie bardziej przyjazna dla środowiska niż innych paliw konwencjonalnych, a obecnie trwają prace nad dalszym ograniczeniem śladu węglowego. W zasadzie produkcja bioetanolu powinna być neutralna pod względem emisji dwutlenku węgla, ponieważ jedynym CO2 uwalnianym do atmosfery jest CO2 pochłaniany przez roślinę w procesie fotosyntezy.
Produkcja bioetanolu jest nie tylko bardziej ekologiczna niż produkcja innych rodzajów paliw, ale także, gdy paliwo jest używane, wytwarza znacznie czystsze spaliny. Etanol spala się całkowicie; nie ma szkodliwych produktów ubocznych, jak w przypadku innych rodzajów paliwa. Kiedy bioetanol jest stosowany jako paliwo do silników spalinowych w samochodach, spaliny są często czystsze niż otaczające powietrze, zwłaszcza w środowisku miejskim.
Ponieważ etanol ulegają biodegradacji, wycieki paliwa nie są potencjalną katastrofą ekologiczną, jak to ma miejsce w przypadku ropy naftowej. Jeśli etanol dostanie się do wody, rozcieńczy się do niskiego, nietoksycznego stężenia.
Do czego służy paliwo bioetanolowe?
Paliwo bioetanolowe jest wykorzystywane w różnych kontekstach i oczekuje się, że znajdzie więcej zastosowań w miarę upływu czasu i doskonalenia metod produkcji. Jeśli co roku zapytamy, do czego wykorzystuje się paliwo bioetanolowe, zobaczymy, że lista będzie coraz dłuższa. Dwa najważniejsze zastosowania paliwa bioetanolowego to dodatek lub alternatywa dla benzyny oraz paliwo dla kominki specjalne.
Dodanie etanolu do benzyny zwiększa liczbę oktanową, dzięki czemu jest ona bardziej odporna na detonację. W rezultacie większa część paliwa spala się, a nie wybucha. Zwiększanie liczby oktanowej paliwa jest zazwyczaj bardzo kosztownym procesem; dodanie etanolu do paliwa niskiej jakości poprawia jego osiągi bez znacznego zwiększania kosztów. Wielu producentów samochodów zaczęło również wspierać E85 w swoich pojazdach, które jest paliwem wykonanym z 85% etanolu i 15% produktów naftowych.
Kominki na bioetanol również stają się coraz bardziej powszechne i w przyszłości mogą całkowicie zastąpić konwencjonalne kominki. Ponieważ bioetanol spala się tak czysto i nie wytwarza toksycznych produktów spalania, kominki na bioetanol nie potrzebują komina do odprowadzania dymu; nie ma dymu, o który trzeba się martwić. Ponieważ kominki na bioetanol nie wymagają dodatkowej infrastruktury, mogą być stosowane jako wolnostojące w sytuacjach, w których posiadanie konwencjonalnego kominka byłoby niemożliwe. Jeśli zastanawiasz się jak długo paliwo bioetanolowe wytrzymuje ciągłe spalanie w kominku, odpowiedź brzmi: od 4 do 8 godzin. Kominki na bioetanol zazwyczaj pozwalają użytkownikowi kontrolować szybkość spalania paliwa poprzez różne ustawienia ciepła. Im więcej produkuje, tym szybciej zużywa paliwo.
Co oznacza Bioetanol dla przyszłości produkcji paliw?
Bioetanol nie jest jedynym biopaliwem. Jest ona jednak obecnie najbardziej znana, a jej wczesne sukcesy stały się główną siłą napędową badań nad innymi pokrewnymi technologiami. Dwa inne znaczące przykłady podobnych koncepcji to biodiesel i paliwo wodorowe. Badając, jak powstaje biodiesel, bioetanol i paliwo wodorowe, możemy zacząć rozumieć, jak będzie wyglądać przyszłość technologii czystej energii.
Biodiesel jest kolejnym obiecującym paliwem alternatywnym, które może być produkowane z olejów i tłuszczów. Zużyty olej kuchenny, olej roślinny i tłuszcze zwierzęce mogą być przetwarzane na biodiesel. Podobnie jak bioetanol, biodiesel wzbudza zainteresowanie jako możliwa alternatywa lub uzupełnienie benzyny. Główną zaletą biodiesla jest to, że może on być wytwarzany z recyklingu szerokiej gamy łatwo dostępnych produktów. Może być również stosowany w istniejących silnikach wysokoprężnych bez konieczności modyfikacji.
Paliwo wodorowe jest kolejnym alternatywnym źródłem paliwa, które jest znacznie bardziej przyjazne dla środowiska niż benzyna. Chociaż wodór jest najobficiej występującym pierwiastkiem we wszechświecie, jest on również najlżejszy. W rezultacie wolny wodór jest rzadkością na Ziemi, ponieważ unosi się w przestrzeni kosmicznej. Większość przemysłowo produkowanego wodoru jest wytwarzana w procesie reformingu parowego, który wymaga paliw kopalnych. Prowadzone są jednak badania nad produkcją wodoru z biomasy i elektrolizy wody. Jeśli te wysiłki doprowadzą do czystej, wydajnej produkcji wodoru, może on mieć decydujące znaczenie jako źródło paliwa.
Ponieważ skutki zmian klimatycznych spowodowanych przez człowieka zaczynają być widoczne i dotykają każdego zakątka naszej planety, badania nad alternatywnymi źródłami energii nigdy nie były tak ważne. Żadna pojedyncza technologia nie umożliwi nam złagodzenia skutków zmian klimatycznych, ale przechodząc na technologię neutralną pod względem emisji dwutlenku węgla, tam gdzie to możliwe, możemy zacząć ograniczać nasz wpływ na środowisko.
Biopaliwa takie jak bioetanol dają nam namiastkę tego, jak może wyglądać przyszłość czystej energii. Biomasy jest na naszej planecie pod dostatkiem i możemy ją wykorzystać do zaspokojenia naszych potrzeb energetycznych bez wad związanych ze spalaniem paliw kopalnych. W nadchodzących dziesięcioleciach bioetanol i inne biopaliwa z pewnością odegrają ważną rolę, pomagając nam zmniejszyć nasz ślad węglowy jako cywilizacji.