Що таке біоетанольне паливо і які його переваги?
Можливо, ви бачили в новинах останніми роками репортажі про автомобілі, які працюють на спирті, а не на бензині. Ідея використання етанолу в якості автомобільного палива існує вже давно, але лише порівняно недавно ця концепція почала серйозно вивчатися. Замінивши нафтове паливо спиртом, ми могли б позбутися шкідливих вихлопних газів, які виробляє будь-який автомобіль, що використовує бензин як паливо.
Біоетанол - це захоплююче альтернативне паливо, яке привертає все більший інтерес з боку дослідників, споживачів та виробників автомобілів. Але що таке біоетанол, і чому його вважають таким перспективним?
Що таке біоетанольне паливо?
Етанол здавна є однією з найбільш універсальних і необхідних речовин у нашому розпорядженні. Більшість людей знають етанол як спирт, що міститься в алкогольних напоях. Але для хіміків етанол - це набагато більше, ніж психоактивний наркотик, це розчинник з безмежним спектром промислового та хімічного застосування. В останні роки етанол також став потенційним відновлюваним паливом для автомобілів і життєздатною альтернативою бензину на нафтовій основі.
Біоетанол просто означає етанол, вироблений з біомаси. Якщо вас цікавить, з чого виготовляють біоетанольне паливо, то ось вам відповідь. Біомаса - це широкий термін, який включає в себе будь-який матеріал, отриманий з живого або нещодавно померлого організму. Деревина є найбільш поширеним прикладом біомаси. Спалюючи деревину, ми можемо безпосередньо вивільнити енергію, яка в ній міститься, і використовувати її як паливо. Інші поширені категорії біомаси включають сільськогосподарські відходи та гній, харчові та промислові відходи, а також енергетичні культури.
Як виготовляється паливо з біоетанолу?
Біомаса, зазвичай у вигляді енергетичних культур, може виробляти біоетанол за допомогою процесу, який називається ферментацією, того ж процесу, в якому сірчана кислота використовується для виробництва алкогольних напоїв. Кукурудза, цукрова тростина, водорості та багато інших широкодоступних рослин можуть бути використані для виробництва біоетанолу шляхом ферментації. Під час процесу ферментації певні види дріжджів споживають цукри, що містяться в біомасі. При його переробці вони виробляють етанол і вуглекислий газ (CO2) в якості побічних продуктів.
Біомаса зазвичай містить ряд складних вуглеводних полімерів, які називаються целюлозою, що міститься в клітинних стінках рослин. Для отримання достатньої кількості цукру для ферментації біомасу необхідно обробити спеціальними кислотами або ферментами. Вони руйнують деякі з найбільш стійких рослинних клітин, оголюючи їх внутрішню структуру за допомогою іншого процесу, який називається гідролізом. При гідролізі целюлози утворюється сахароза - цукор, який потім може бути ферментований для отримання етанолу. Існує три основні способи вилучення цукру із зразка біомаси: ферментативний гідроліз, розбавлений кислотний гідроліз та концентрований кислотний гідроліз.
Ферментативний гідроліз: до зразка біомаси додаються спеціальні ферменти. Ці ферменти розщеплюють клітини рослин і гідролізують целюлозу, утворюючи сахарозу. Цей метод є нещодавнім нововведенням і наразі є дуже дорогим у виконанні. Однак, очікується, що з часом він стане більш економічним, оскільки процес буде вдосконалюватися.
Гідроліз розведеною кислотою: Цей метод є найстарішим і найпростішим. Наразі це також найефективніший спосіб використання біомаси для виробництва етанолу, хоча в майбутньому це може змінитися. Процес складається з двох стадій, щоразу додаючи до біомаси сірчану кислоту, розведену до менш ніж 11ТП3Т і нагріту до 190 - 215 градусів за Цельсієм. Слабка кислота і висока температура гідролізують целюлозу. Отримана рідина потім може бути відновлена і перероблена.
Концентрований кислотний гідроліз: Концентрований кислотний гідроліз використовує набагато сильнішу (70-77%) концентрацію сірчаної кислоти, яка додається до висушеної біомаси і нагрівається до температури 50 градусів Цельсія. Потім суміш розбавляють водою до концентрації в межах 20-30%градусів за Цельсієм, після чого нагрівають до 100 градусів за Цельсієм протягом години. Результатом цього процесу є гель, який можна пресувати, щоб вивільнити суміш цукру і кислоти. Суміш розділяють за допомогою хроматографічної колонки.
У чому переваги біоетанольного палива?
Біоетанол має численні переваги перед старими видами палива. Однак однією з головних причин є те, що для його виробництва можна використовувати будь-яку рослину, що містить цукор і крохмаль. По мірі розвитку досліджень та вдосконалення процесів, які ми використовуємо для вилучення та ферментації цукрів, ми можемо очікувати збільшення врожайності. В даний час декілька культур вважаються набагато кращими для виробництва біоетанолу, але це може змінитися з часом.
Виробництво біоетанольного палива є набагато більш екологічно чистим, ніж інші поширені види палива, і наразі тривають зусилля щодо подальшого зменшення його вуглецевого сліду. В принципі, виробництво біоетанолу має бути вуглецево-нейтральним, оскільки єдиний СО2, що викидається в атмосферу, - це СО2, поглинений рослиною в процесі фотосинтезу.
Виробництво біоетанолу є не тільки більш екологічним, ніж інші види виробництва палива, але й при його використанні утворюються набагато чистіші дими. Етанол згорає повністю, немає шкідливих побічних продуктів, як у випадку з іншими видами палива. Коли біоетанол використовується як паливо для двигунів внутрішнього згоряння в автомобілях, вихлопні гази часто є чистішими, ніж навколишнє повітря, особливо в міських умовах.
Тому що етанол біологічно розкладається, витоки палива не є потенційними екологічними катастрофами, як у випадку з нафтою. Якщо етанол потрапляє у воду, він розбавляється до низької, нетоксичної концентрації.
Для чого використовується паливо з біоетанолу?
Біоетанольне паливо використовується в різних контекстах і, як очікується, знайде більше застосувань з плином часу і вдосконаленням методів виробництва. Якщо поцікавитися, для чого використовується біоетанольне паливо з кожним роком, то список стає все довшим і довшим. Два найбільш відомих застосування біоетанольного палива - як добавка або альтернатива бензину і як паливо для спеціальні каміни.
Додавання етанолу до бензину підвищує октанове число, роблячи його більш стійким до детонації. В результаті більша частина палива згорає, а не вибухає. Підвищення октанового числа палива зазвичай є дуже дорогим процесом; додавання етанолу до низькосортного палива покращує його характеристики без суттєвого збільшення вартості. Багато автовиробників також почали підтримувати у своїх автомобілях паливо Е85, яке виготовляється з етанолу 851ТП3Т та нафтопродуктів 151ТП3Т.
Каміни на біоетанолі також набувають все більшого поширення і з часом можуть повністю витіснити традиційні каміни. Оскільки біоетанол горить дуже чисто і не виробляє токсичних продуктів згоряння, каміни на біоетанолі не потребують димоходу для відводу диму; немає ніякого диму, про який варто турбуватися. Оскільки каміни на біоетанолі не потребують ніякої додаткової інфраструктури, їх можна використовувати окремо в ситуаціях, коли встановлення звичайного каміна було б неможливим. Якщо вас цікавить, скільки часу триває горіння біоетанолу при безперервному спалюванні в каміні, то відповідь - від 4 до 8 годин. Каміни на біоетанолі зазвичай дозволяють користувачеві контролювати швидкість згоряння палива за допомогою різних налаштувань тепла. Чим більше вона виробляє, тим швидше витрачає паливо.
Що означає біоетанол для майбутнього виробництва палива?
Біоетанол - не єдине біопаливо. Проте наразі вона є найвідомішою, а її початкові успіхи стали головним рушієм досліджень інших суміжних технологій. Двома іншими яскравими прикладами подібних концепцій є біодизель та водневе паливо. Розглянувши, як виготовляється біодизель, біоетанол та водневе паливо, можна почати розуміти, як виглядатиме майбутнє технологій чистої енергетики.
Біодизель - ще одне перспективне альтернативне паливо, яке можна виробляти з олій та жирів. Відходи кулінарної олії, рослинної олії та тваринних жирів можуть бути перетворені на біодизель. Як і біоетанол, біодизель знаходиться в центрі уваги як можлива альтернатива або доповнення до бензину. Основною перевагою біодизельного палива є те, що воно може бути виготовлене шляхом переробки широкого спектру легкодоступних продуктів. Також може використовуватися в існуючих дизельних двигунах без необхідності доопрацювання.
Водневе паливо - ще одне альтернативне джерело палива, яке є набагато екологічнішим за бензин. Хоча водень є найпоширенішим елементом у Всесвіті, він також є найлегшим. Як наслідок, вільний водень рідко зустрічається на Землі, оскільки він випаровується в космосі. Більшість промислово виробленого водню отримують методом парового риформінгу, який потребує викопного палива. Разом з тим, проводяться дослідження з виробництва водню з біомаси та електролізу води. Якщо ці зусилля призведуть до чистого, ефективного виробництва водню, він може мати вирішальне значення як джерело палива.
Оскільки наслідки антропогенної зміни клімату починають проявлятися і впливати на кожен куточок планети, дослідження в галузі альтернативної енергетики є як ніколи важливими. Жодна технологія не може дозволити нам пом'якшити наслідки зміни клімату, але шляхом переходу на вуглецево-нейтральні технології, де це можливо, ми можемо почати зменшувати наш вплив на навколишнє середовище.
Біопаливо, таке як біоетанол, дає нам уявлення про те, як може виглядати майбутнє чистої енергії. Біомаси на нашій планеті багато, і ми можемо використовувати її для задоволення наших енергетичних потреб без недоліків, пов'язаних зі спалюванням викопних видів палива. У найближчі десятиліття біоетанол та інші види біопалива, безумовно, відіграватимуть важливу роль у зменшенні вуглецевого сліду нашої цивілізації.