Biokuro rūšys: kietojo, skystojo ir dujinio kuro charakteristikų palyginimas

Alternatyva tradiciniams energijos ištekliams yra įvairios biokuro rūšys, kurių gamybai naudojama augalinė arba gyvūninė žaliava, pramoninės atliekos bei organizmų gyvybinės veiklos produktai.

Siūlome išsiaiškinti tokio kuro naudojimo privalumus ir trūkumus, sužinoti gamybos ypatumus, funkcines charakteristikas, taip pat įvertinti skirtingų biologinio kuro tipų naudojimo efektyvumą. Pateikta informacija padės susigaudyti renkantis alternatyvius energijos išteklių šaltinius.

Kas yra biologinis kuras

Perspektyviausia energetikos kryptis yra technologijos, numatančios atsinaujinančių išteklių naudojimą, prie kurių priskiriamas ir biologinis kuras.

Labiausiai paplitusi biologinio kuro rūšis yra paprastos malkos. 38 % Žemės gyventojų jas naudoja šildymui ir maisto gamybai.

Kaip žaliavą jo gamybai galima naudoti augalinės/gyvūninės kilmės biomasę, įskaitant pramonės gamybos atliekas arba gyvūnų gyvybinės veiklos liekanas.

Tokių medžiagų apdorojimas atliekamas termocheminiu arba biologiniu metodu, pastaruoju atveju kuras gaunamas naudojant įvairių rūšių mikroorganizmus.

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

Daugelyje šalių veikia specialios programos, skirtos biokuro daliai didinti nacionaliniame ir regioniniame energijos suvartojime. Kai kuriose valstybėse taip pat yra privalomos šio energijos šaltinio naudojimo normos.

Biokuro privalumai ir trūkumai

Biologinės kuro rūšys turi savo teigiamų ir neigiamų pusių. Susidomėjimą šios rūšies žaliavos naudojimu lemia neabejotini jos pranašumai.

Prie jų priskiriami:

• Biudžetinė kaina. Nors šiuo metu biokuro kainos beveik sutampa su benzino kaina, biologinės medžiagos laikomos naudingesne kuro rūšimi, nes degdamos išmeta mažiau teršalų. Biokuras tinkamas naudoti įvairiomis sąlygomis, jį galima pritaikyti skirtingų konstrukcijų varikliams. Dar vienas privalumas – variklio veikimo optimizavimas, kuris ilgiau išlieka švarus dėl mažo suodžių ir išmetamųjų dujų kiekio.
• Mobilumas. Biologinis kuras skiriasi nuo kitų alternatyvių energijos šaltinių variantų savo mobilumu. Saulės ir vėjo jėgainių konstrukcijas paprastai sudaro sunkiosios akumuliatorinės baterijos, todėl jos dažniausiai naudojamos stacionariai, o biokurą galima be didelių vargų pervežti iš vieno regiono į kitą.
• Atsinaujinantis energijos šaltinis. Nors, tyrėjų teigimu, esamų žalios naftos atsargų užteks bent keliems šimtams metų, fosiliniai ištekliai vis dėlto yra baigtiniai. Iš augalų ir gyvūnų gyvybinės veiklos atliekų gaminamas biokuras priklauso atsinaujinantiems ištekliams, kuriems artimiausioje ateityje išnykimas negresia.
• Žemės atmosferos apsauga. Didelis tradicinių angliavandenilių trūkumas yra didelis CO₂ kiekis, išsiskiriantis degant. Šios dujos mūsų planetos atmosferoje sukelia šiltnamio efektą, sudarydamos sąlygas visuotiniam atšilimui. O degant biologinėms medžiagoms anglies dioksido kiekis sumažėja iki 65%. Be to, biokuro gamyboje naudojami kultūriniai augalai suvartoja anglies oksidą, taip sumažindami jo dalį ore.
• Ekonominis saugumas. Angliavandenilių atsargos yra pasiskirsčiusios netolygiai, todėl kai kurios valstybės yra priverstos pirkti naftą ar gamtines dujas, išleisdamos dideles lėšas įsigijimui, transportavimui, saugojimui. Įvairių rūšių biologinį kurą galima gauti beveik bet kurioje šalyje. Kadangi jo gamybai ir perdirbimui reikės sukurti naujas įmones ir atitinkamai darbo vietas, tai bus naudinga nacionalinei ekonomikai ir teigiamai paveiks žmonių gerovę.

Technologijų tobulinimas ir naujų metodų plėtra galės sustiprinti teigiamą biokuro poveikį. Taip, technologijų, naudojančių planktoną ir dumblius, kūrimas leis žymiai sumažinti jo kainą.

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

Auginant kultūras, naudojamas biomasės gamybai, reikia atsižvelgti į keletą veiksnių, būtent:

• Vandens naudojimas. Žemės ūkio augalai sunaudoja daug vandens, kuris yra ribotas išteklius, ypač sausringose vietose.
• Invaziškumas. Kurui auginamos kultūros dažnai yra agresyvios. Jos nuslopina autentišką florą, dėl ko gali nukentėti regiono biologinė įvairovė ir ekosistema.
• Trąšos. Kad daugelis augalų augtų, reikia papildomai įterpti maistinių medžiagų, kurios gali pakenkti kitoms kultūroms arba bendrai ekosistemai.
• Klimatas. Tam tikros klimato zonos (pavyzdžiui, dykuma ar tundra) netinka biokuro kultūrų auginimui.

Aktyvus žemės ūkio augalų auginimas yra susijęs ir su žemės ūkio išteklių išeikvojimu. Agrotechnikos taisyklių nesilaikymas gali sumažinti naudingųjų dirvožemio komponentų kiekį ir, kaip pasekmė, jų išeikvojimą, o tai sukels maisto problemų paaštrėjimą.

Vyksta ekosistemos pažeidimas. Biomasės gamybai paprastai reikia išplėsti teritorijas, naudojamas žemės ūkyje.

Dažnai šiuo tikslu atliekamas teritorijos valymas, kuris lemia mikroekosistemos (pvz., miško) sunaikinimą, augalų ir gyvūnų žūtį.

Biokuro gamybai jau dabar auginamas didelis kiekis žemės ūkio kultūrų. Biomasės gamybai sunaudojama daugiau nei 50% Europoje užauginto rapsų, daugiau nei trečdalis amerikietiškų grūdų, beveik pusė Brazilijoje užaugintų cukranendrių.

Kyla problemų dėl monokultūrų auginimo. Siekdami gauti didesnį biomasės derlių, gamintojai dažnai apsėja žemes tam tikru augalu. Tokia praktika nėra labai palanki žemės ūkio naudmenų būklei, nes monokultūra lemia aplinkos pokyčius.

Laukų, kuriuose auginama viena augalų rūšis, plotuose paprastai parazituoja specializuoti kenkėjų variantai. Bandymas su jais kovoti insekticidais ir pesticidais lemia tik atsparumo šioms priemonėms atsiradimą.

Siekiant išvengti aukščiau aprašytų problemų, mokslininkai pataria nepamiršti biologinės įvairovės, kartu auginant kelis augalus, taip pat naudoti vietines floros veisles.

Alternatyvaus kuro kartos

Įvairios augalinės žaliavos, naudojamos biomasės gamyboje, yra skirstomos į kelias kartas.

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

Kadangi šių augalų auginimas kenkia klimatui, o jų pašalinimas iš rinkos veikia maisto produktų kainodarą, mokslininkai bando juos pakeisti kitomis biomasės rūšimis.

Iš pirmajai žaliavų kartai priskiriamų žemės ūkio augalų šiuo metu gaminama beveik visų rūšių modernus skystasis kuras (biodyzelinas, etanolis).

Antroji karta. Į biomasės grupę įeina mediena, žolė, žemės ūkio atliekos (lukštai, lupenos). Biokuro gamyba iš tokios žaliavos reikalauja didelių sąnaudų, tačiau leidžia išspręsti ne maistinių atliekų utilizavimo klausimą, kartu gaminant degias medžiagas.

Šios rūšies augalų ypatybė yra lignino ir celiuliozės buvimas juose. Dėl jų biomasę galima deginti ir gazifikuoti, taip pat termiškai skaidyti (pirolizuoti), gaunant skystąjį kurą.

Pagrindiniu antrosios kartos biomasės trūkumu laikomas nepakankamas našumas iš ploto vieneto, dėl ko tokiems augalams tenka skirti didelius žemės išteklius.

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

Perspektyviausiu variantu laikomas biokuras, gaunamas iš vienaląsčių dumblių. Tokie augalai greitai priauga masės, o jų auginimui nereikia derlingų žemių.

Tokia praktika turi didelių perspektyvų, tačiau šiuo metu šios technologijos tik kuriamos. Mokslininkai taip pat tiria metodus, kaip gauti ketvirtosios ir net penktosios kartos biokurą.

Trys biokuro rūšys

Pagal medžiagos agregatinę būseną išskiriami trys pagrindiniai biokuro tipai:

1. Kietasis: malkos, durpės, gyvūnų ir žemės ūkio gamybos atliekos.
2. Skystasis: biodyzelinas, dimetilo eteris, bioetanolis, biobutanolis.
3. Dujinis: biodujos, metanas, biovandenilis.

Kiekviena medžiagų rūšis turi savo specifiką, apie kurią bus kalbama toliau.

Tipas Nr. 1: kietasis

Prie populiariausių kietųjų biodegalų rūšių priskiriama mediena, durpės, gyvūnų atliekos.

Mediena (malkos, skiedros, pjuvenos)

Senovinis biodegalų tipas yra visiems gerai žinomos malkos, nuo seno naudojamos namų šildymui ir maisto gaminimui. Iki šiol jos aktyviai naudojamos įvairiose šalyse šilumos/elektros energijai gauti, ypač – malkomis kūrenama didelė Austrijos šiluminė elektrinė, kurios galia siekia 66 megavatus.

Tuo pačiu metu tokios žaliavos turi trūkumų. Malkų energetinė vertė yra palyginti nedidelė: degant dalis medžiagos nusėda kaip suodžiai, dėl ko židinius ir krosnis reikia reguliariai valyti. Be to, medienos atsargoms atkurti reikia tam tikro laiko – nauji medžiai išaugs tik po 15–20 metų.

Puiki alternatyva įprastoms malkoms yra peletai (granulės), kurių gamybai naudojama nekokybiška mediena: žievė, skiedros, presuotos pjuvenos, šakos.

Peletai, gaunami iš medienos, durpių ir įvairių atliekų, yra skirtingų spalvų. Šviesieji naudojami židinių ir krosnių kūrenimui, o tamsieji, turintys daugiau žievės, yra skirti kietojo kuro katilams.

Kuro peletų gamybai žaliava susmulkinama į dulkes, kurios vėliau išdžiovinamos ir presuojamos aukštoje temperatūroje. Dėl medienoje esančio lignino susidaro lipni masė, iš kurios formuojami nedideli cilindriukai, kurių ilgis 5–70 mm, o skersmuo 6–10 mm.

Šiuolaikinė alternatyva tradicinėms malkoms yra keturių, šešių ar aštuonių briaunų formos kuro briketai. Ši ekologiška medžiaga pasižymi aukštu šilumos atidavimu.

Peletų gamybą galima pradėti savarankiškai, pasigaminus kuro briketų presą.

Prie populiarių biodegalų rūšių priskiriama medienos skiedra, kuri dažnai naudojama kaip energijos šaltinis Europos šiluminėse elektrinėse. Šios žaliavos gamyba vykdoma miškų ruošos arba specialiose gamybos linijose, aprūpintose smulkintuvais (šrederiais).

Pelkių ir miško kuro durpės

Tai plačiai paplitusi biodegalų rūšis, šimtmečius naudojama buitiniams ir pramoniniams tikslams. Durpės yra nevisiškai suirusi pelkėje samanų sluoksnis, kuris išgaunamas daugelyje pasaulio šalių: Rusijoje, Baltarusijoje, Kanadoje, Švedijoje, Indonezijoje ir kitose.

Durpės, turinčios 50-60% anglies, laikomos populiaria dujas turinčia medžiaga. Ši vertinga žaliava gali būti naudojama ne tik kaip kuras, bet ir kaip trąša arba šilumos izoliatorius.

Patogumui gamybinio proceso biomasė paprastai perdirbama vietoje, kurioje ji išgaunama. Procesą sudaro žaliavos valymas (sijojimas) nuo pašalinių intarpų, po to seka džiovinimas ir formavimas į briketus ar granules.

Kuras iš žemės ūkio atliekų

Žemės ūkio gamyboje paprastai susikaupia daug įvairių augalinių atliekų: augalų išoriniai apvalkalai, riešutų kevalai, šiaudai.

Panašią žaliavą taip pat galima presuoti ir granuliuoti, gaunant kuro granules, kurių charakteristikos praktiškai nesiskiria nuo granulių, pagamintų iš medienos biomasės.

Gyvūninės kilmės biokuras

Kartu su malkomis jau senovėje žmonės pradėjo naudoti gyvūninės kilmės kurą, būtent kiziakus – išdžiūvusį naminių gyvūnų mėšlą. Šiuolaikinės tokios žaliavos džiovinimo ir perdirbimo technologijos leidžia gauti kietąsias biokuro rūšis, visiškai neturinčias nemalonaus kvapo.

Nuo senų laikų klajoklių tautos naudojo kaip kurą išdžiūvusį arklių, kupranugarių, galvijų mėšlą. Šiuo metu iš naminių gyvūnų gyvybinės veiklos atliekų gaminamas biokuras briketų arba granulių pavidalu.

Kadangi šiuo metu gyvulininkystės atliekos kaupiasi pramoniniais mastais, iš jų gaminamas kuras kartu išsprendžia jų šalinimo klausimą.

Tipas Nr. 2: skystasis

Skystieji biokuro variantai, pasižymintys saugumu ir ekologiškumu, dažniausiai naudojami kaip benzino ir kitų panašių priemonių pakaitalai. Prie labiausiai paplitusių variantų priskiriamas bioetanolis, biometanolis, biobutanolis, biodyzelinas, dimetilo eteris.

Bioetanolis iš augalinių kultūrų

Tai plačiai paplitęs skystasis biokuras, naudojamas automobilių degalų pildymui. Nors gryna medžiaga nenaudojama kaip kuras, jos priedas prie benzino prisideda prie variklio darbo gerinimo, jo galios didinimo, variklio įkaitimo kontrolės, išmetamųjų dujų išmetimo mažinimo.

Daugelyje Europos, Azijos, Šiaurės ir Pietų Amerikos degalinių siūlomas ne tik tradicinis kuras, bet ir įvairios biokuro rūšys, pirmiausia mišiniai, turintys bioetanolio.

Bioetanolį taip pat įvertino židinių mėgėjai. Ši medžiaga turi gerą šilumos atidavimą, be to, jai degant nesusidaro suodžių ar dūmų, o išskiriamo anglies dioksido kiekis sumažinamas iki minimumo.

Dėl tokių savybių kurą galima naudoti netgi židiniui daugiabučiuose namuose. Daugiau apie biokurą židiniams parašyta šiame straipsnyje.

Bioetanolio gamyba vykdoma iš pirmosios kartos žaliavų, turinčių krakmolo arba cukraus. Javai, kukurūzai, cukranendrės, runkeliai perdirbami pagal spiritinės fermentacijos technologiją.

Biobutanolis automobilių degalų pildymui

Biobutanolis – biologiniu būdu gautas butanolio analogas. Bespalvis skystis, pasižymintis būdingu kvapu, plačiai naudojamas kaip cheminė žaliava pramonėje, taip pat gali būti naudojamas kaip transporto kuras.

Butanolio energinė vertė yra artima benzinui, todėl jį galima iš dalies pakeisti kuro elementuose. Skirtingai nuo bioetanolio, biobutanolis gali būti naudojamas savarankiškai, nepridedant tradicinių kuro rūšių.

Šios biologiškai aktyvios medžiagos gamybai naudojamos įvairiausios augalų rūšys: burokėliai, manijokas, kviečiai, kukurūzai.

Dimetilo eteris (C₂H₆O)

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

Dimetilo eterį galima naudoti be specialių filtrų, tačiau automobilio konstrukcijoje (maitinimo sistema, variklio uždegimas) tenka atlikti kardinalius pakeitimus.

Dimetilo eteris laikomas perspektyviu automobilių kuro variantu. Automobilius su varikliais, pritaikytais šiam kurui, kuria tokios didelės kompanijos kaip „Volvo“, „SAIC Motor“, „KAMAZ“, „Nissan“.

Be jokių pakeitimų galima naudoti kombinuotą kurą, kuriame yra 30 % dimetilo eterio, automobiliuose, kuriuose įrengti LPG varikliai.

Skystasis kuras gali būti gaminamas iš įvairių žaliavų: gamtinių dujų, anglies dulkių, biomasės, o pirmiausia iš celiuliozės ir popieriaus gamybos atliekų, kurios esant nedideliam slėgiui virsta skysčiu.

Biometanolis iš vienaląsčių dumblių

Panaši medžiaga yra įprasto metanolio analogas, kuris plačiai naudojamas įvairių cheminių junginių (acto rūgšties, formaldehido) gamyboje, taip pat naudojamas kaip antifrizas ir tirpiklis.

Pirmą kartą šios rūšies biokuro gamybos klausimas buvo iškeltas devintajame dešimtmetyje, kai mokslininkų grupė pasiūlė skystąją medžiagą gauti biochemiškai transformuojant jūrinį fitoplanktoną, kuris būtų auginamas specialiuose vandens telkiniuose.

Biometanolis turi keletą potencialių pranašumų:

• didelę energijos išeigą – 14 gaunant metaną, 7 gaminant metanolį;
• puikų fitoplanktono produktyvumą – iki 100 tonų iš hektaro per metus;
• vienaląsčių organizmų nereiklumą, kuriems auginti nereikia gėlo vandens, derlingos dirvos;
• žemės ūkio išteklių išsaugojimą, nes fitoplanktonas auginamas tvenkiniuose ar jūrų įlankose.

Nors pramoninė biometanolio gamyba vis dar nėra nustatyta, šiuo metu atliekami intensyvūs tyrimai ir kuriamos technologijos, skirtos šios alternatyvios kuro rūšies gamybos plėtrai.

Biodyzelinas kaip alternatyva transporto kurui

Tai skystas variklių biodegalas, sudarytas iš riebalų rūgščių esterių mišinio. Medžiaga yra saugi žmonėms ir gyvūnams, beveik visiškai suyra žemėje per 28 dienas, be to, turi palyginti aukštą (<100) užsiliepsnojimo temperatūrą.

Biodisėlis sumažina kenksmingųjų dujų išmetimo procentą, taip pat prailgina variklio eksploatacijos laiką, nes jo sudėtyje yra tepimo komponentų.

Kuras naudojamas automobilių varikliams degalinti tiek atskirai, tiek kartu su įprastu kuru. Reikia atsižvelgti tik į trumpą biologinės medžiagos galiojimo laiką: po trijų mėnesių prasideda biologinės medžiagos irimas, visiškai prarandant savybes.

Biodiseliui ES šalyse buvo priimtas specialus standartas EN14214. Daugelyje šalių taip pat galioja standartas EN590, leidžiantis į kitą kurą įpilti 5% biodiselio.

Tipas Nr. 3: dujinis

Pagrindinėms dujinio biologinio kuro rūšims priskiriami biogazas ir biovandenilis.

Biogazas kaip gamtinių dujų pakaitalas

Biogazas yra praktiškai pilnas gamtinių dujų analogas: jame yra 13-50% CO_2, 49-87% metano, taip pat priemaišų H₂ ir H₂S. Jei šią medžiagą išvalyti nuo anglies dioksido, galima gauti biometaną.

Dujinis biodegalas gaminamas iš biomasės vandenilio arba metano fermentacijos būdu. Pastarąją sukelia trijų rūšių mikroorganizmai: iš pradžių žaliavą veikia hidrolizės bakterijos, kurias vėliau pakeičia rūgštį gaminantys ir metaną gaminantys mikrobai.

Biogazo gamyba gali būti vykdoma pramoninėse ir rankų darbo įrenginiuose. Labiausiai paplitęs gamybos būdas – anaerobinis fermentavimas metantankuose

Kaip žaliava gali būti naudojamos įvairios medžiagos: silosas, mėšlas, dumbliai, nuotekos, paukščių išmatos, fekalinės liekanos, buitinės atliekos. Pradinė medžiaga homogenizuojama, po to krautuvu ji dedama į reaktorių.

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

Žaliava nuolat maišoma, o susidarantis dujinis produktas nukreipiamas į dujų saugyklą (rezervuarą), iš kur jis patenka į elektros generatorių.

Išsamiau apie biogazo gavimą iš mėšlo ir biogazo įrenginio įrengimą rašoma straipsniuose:

1. Kaip pasigaminti biokurą iš mėšlo namų sąlygomis
2. Biogazo įrenginys privačiam namui savo rankomis: rekomendacijos dėl įrengimo ir naminio įrenginio pavyzdys

Biovandenilis, gautas cheminiu būdu

Dujinio biodegalų rūšis, analogiška įprastam vandeniliui, gaminama iš biomasės biocheminiu arba termocheminiu metodu.

Taikant termocheminį metodą, paruošta žaliava (pvz., medienos atliekos) kaitinama iki 500–800°C temperatūros nenaudojant deguonies, tuo metu išsiskiria dujos H₂, CO, CH₄.

Perspektyvus biovandenilio gamybos metodas yra biofotolizė. Tokiu atveju dujos gaminamos naudojant dumblius, kurie dedami į jūros vandenį, kanalizacijos nuotekas.

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

Į biomasę dedami specialūs mikroorganizmai Enterobacter cloacae, Rodobacter speriodes, kurie skaido pradinį produktą, išskirdami vandenilį. Norint paspartinti gamybą naudojant polisacharidus, leidžiama pridėti fermentų.

Išvados ir naudingas vaizdo įrašas šia tema

Toliau pateiktame vaizdo įraše galima pamatyti populiaraus biokuro rūšies – medienos briketų gamybos procesą:

Biologinio kuro rūšys skiriasi ne tik agregatine būsena, bet ir charakteristikomis. Renkantis panašias medžiagas, būtina atsižvelgti į jų planuojamą naudojimą, efektyvumą, funkcines savybes ir kainą.

Ar turite patirties naudojant alternatyvųjį kurą? O gal norite užduoti klausimų biokuro tema? Prašome komentuoti publikaciją ir dalyvauti diskusijose. Atsiliepimų blokas yra žemiau.