Druhy biopalív: porovnanie charakteristík tuhého, kvapalného a plynného paliva

Alternatívou k tradičným energetickým zdrojom sú rôzne druhy biopalív, na ktorých výrobu sa používa rastlinná alebo živočíšna surovina, priemyselný odpad a produkty životnej činnosti organizmov.

Ponúkame vám prehľad výhod a nevýhod používania tohto paliva, oboznámenie sa s osobitosťami výroby, funkčnými charakteristikami, ako aj posúdenie účinnosti rôznych typov biologického paliva. Uvedené informácie vám pomôžu zorientovať sa pri výbere alternatívnych zdrojov energie.

Čo je biologické palivo

Najperspektívnejším smerom v energetike sú technológie využívajúce obnoviteľné zdroje, ku ktorým patrí aj biologické palivo.

Najrozšírenejším druhom biologického paliva je obyčajné palivové drevo. 38 % obyvateľov Zeme ho používa na vykurovanie a varenie.

Ako surovinu na jeho výrobu možno použiť biomasu rastlinného/živočíšneho pôvodu vrátane odpadov z priemyselných výrob alebo zvyškov životnej činnosti zvierat.

Spracovanie takýchto látok sa uskutočňuje termochemickou alebo biologickou metódou, pričom v druhom prípade sa palivo získava pomocou rôznych druhov mikroorganizmov.

Podiel využívania biologických druhov palív neustále rastie, čo prispieva k zachovaniu fosílnych zdrojov uhľovodíkov (+)

V mnohých krajinách existujú špeciálne programy na rozšírenie podielu biopalív v národnej a regionálnej spotrebe energie. V niektorých štátoch sú tiež záväzné normy používania tohto zdroja energie.

Výhody a nevýhody biopalív

Biologické druhy palív majú svoje pozitívne a negatívne stránky. Záujem o využívanie tohto druhu suroviny je vyvolaný jeho nepochybnými výhodami.

Patria k nim:

• Nízka cena. Hoci v súčasnosti sa ceny biopalív takmer zhodujú s cenou benzínu, biologické látky sa považujú za výhodnejší druh paliva, pretože pri spaľovaní produkujú menej emisií. Biopalivo je vhodné na použitie v rôznych podmienkach a možno ho prispôsobiť motorom rôznych konštrukcií. Ďalšou výhodou je optimalizácia chodu motora, ktorý zostáva dlhšie čistý vďaka malému množstvu sadzí a výfukových plynov.
• Mobilita. Biologické palivo sa odlišuje od iných alternatívnych zdrojov energie svojou mobilitou. Súčasťou solárnych a veterných zariadení sú zvyčajne ťažké akumulátorové batérie, preto sa väčšinou používajú stacionárne, zatiaľ čo biopalivo možno bez väčších problémov prepravovať z jedného regiónu do druhého.
• Obnoviteľný zdroj energie. Hoci podľa názoru výskumníkov existujúce zásoby ropy vydržia prinajmenšom niekoľko stoviek rokov, fosílne zásoby sú predsa len konečné. Biopalivo, vyrábané z rastlín a odpadov zo životnej činnosti zvierat, patrí medzi obnoviteľné zdroje, ktorým v dohľadnej budúcnosti nehrozí vyčerpanie.
• Ochrana atmosféry Zeme. Veľkým nedostatkom tradičných uhľovodíkov je vysoký podiel CO₂, ktorý sa uvoľňuje pri spaľovaní. Tento plyn vytvára v atmosfére našej planéty skleníkový efekt, čím vytvára podmienky pre globálne oteplenie. Pri spaľovaní biologických látok sa množstvo oxidu uhličitého znižuje na 65 %. Okrem toho plodiny používané na výrobu biopaliva spotrebúvajú oxid uhoľnatý, čím znižujú jeho podiel vo vzduchu.
• Ekonomická bezpečnosť. Zásoby uhľovodíkov sú rozložené nerovnomerne, preto niektoré štáty sú nútené nakupovať ropu alebo zemný plyn, pričom vynakladajú veľké prostriedky na nákup, prepravu a skladovanie. Rôzne druhy biologického paliva možno získať takmer v každej krajine. Keďže na jeho výrobu a spracovanie bude potrebné vytvorenie nových podnikov, a teda aj pracovných miest, prinesie to prospech národnému hospodárstvu a pozitívne ovplyvní blahobyt ľudí.

Zdokonaľovanie technológií a vývoj nových metód môže posilniť pozitívny účinok biopaliva. Napríklad vývoj technológií s využitím planktónu a rias umožní výrazne znížiť jeho cenu.

Zároveň je na súčasnom stupni rozvoja vied a technológií výroba biopaliva spojená s radom ťažkostí a nepríjemností. V prvom rade ide o prírodné obmedzenia pri pestovaní rastlín.

Pre rast plodín používaných na výrobu biomasy je potrebné zohľadniť rad faktorov, a to:

• Využívanie vody. Poľnohospodárske rastliny spotrebúvajú veľa vody, ktorá je obmedzeným zdrojom, najmä v suchých oblastiach.
• Invazívnosť. Plodiny pestované na palivo sú často agresívne. Potláčajú autentickú flóru, čo môže poškodiť biodiverzitu a ekosystém regiónu.
• Hnojivá. Pre rast mnohých rastlín je potrebné dodatočné pridávanie živín, ktoré môžu poškodiť iné plodiny alebo celkový ekosystém.
• Klíma. Niektoré klimatické zóny (napríklad púšť alebo tundra) nie sú vhodné na pestovanie biopalivových plodín.

Aktívne pestovanie poľnohospodárskych rastlín je spojené aj s vyčerpaním poľnohospodárskych zdrojov. Nedodržiavanie pravidiel agrotechniky môže viesť k zníženiu obsahu prospešných zložiek pôd a v dôsledku toho k ich vyčerpaniu, čo spôsobí zhoršenie potravinového problému.

Dochádza k narušeniu ekosystému. Na výrobu biomasy sa zvyčajne vyžaduje rozšírenie území využívaných v poľnohospodárstve.

Často sa na tento účel vykonáva čistenie územia, čo vedie k zničeniu mikroekosystému (napríklad lesa) a k úhynu rastlín a živočíchov.

Na výrobu biopaliva sa už v súčasnosti pestuje veľké množstvo poľnohospodárskych plodín. Na výrobu biomasy ide viac ako 50 % európskej repky, viac ako tretina amerického obilia a takmer polovica cukrovej trstiny pestovanej v Brazílii.

Vznikajú problémy s pestovaním monokultúr. Na získanie väčšej úrody biomasy výrobcovia často osievajú pôdu určitou rastlinou. Takáto prax sa príliš dobre neodráža na stave poľnohospodárskej pôdy, pretože monokultúra vedie k zmene životného prostredia.

Na poliach obsadených jedným druhom rastlín zvyčajne parazitujú špeciálne odrody škodcov. Pokus o boj proti nim pomocou insekticídov a pesticídov vedie len k vytvoreniu odolnosti voči týmto prostriedkom.

Aby sa predišlo vyššie opísaným problémom, vedci odporúčajú nezanedbávať biodiverzitu plodín, kombinovať na poliach niekoľko rastlín, a tiež používať miestne odrody flóry.

Generácie alternatívneho paliva

Široký sortiment rastlinných surovín používaných na biomasu sa zvyčajne delí na niekoľko generácií.

Prvá generácia. Pod túto skupinu patria poľnohospodárske plodiny, ktoré obsahujú vysoké percento škrobu, cukrov, tukov. Sú to také obľúbené rastliny, ako kukurica, cukrová repa, repka, sója.

Keďže pestovanie týchto plodín poškodzuje klímu a ich stiahnutie z trhu ovplyvňuje tvorbu cien produktov, vedci sa snažia nahradiť ich inými druhmi biomasy.

Z poľnohospodárskych rastlín, ktoré patria k prvému pokoleniu surovín, sa v súčasnosti vyrábajú takmer všetky druhy moderného kvapalného paliva (bionafta, etanol).

Druhá generácia. Do skupiny biomasy patrí drevo, tráva, poľnohospodárske odpady (škrupina, šupka). Získavanie biopaliva z takejto suroviny si vyžaduje veľké náklady, no umožňuje vyriešiť otázku odstránenia nepotravinových zvyškov so súčasnou výrobou horľavých materiálov.

Osobitosťou plodín patriacich do tejto odrody je prítomnosť lignínu a celulózy. Vďaka nim možno biomasu spaľovať a splynovať, ako aj podrobovať pyrolýze, čím sa získava kvapalné palivo.

Hlavnou nevýhodou biomasy druhého pokolenia sa považuje nedostatočná výnosnosť z jednotky plochy, kvôli čomu sa pod takéto plodiny musia vyčleniť značné pôdne zdroje.

Tretia generácia. Surovinou na výrobu biopaliva sú riasy, ktoré sa pestujú v priemyselnom meradle, napríklad v otvorených vodných nádržiach.

Za najperspektívnejší variant sa považuje biopalivo získavané z jednobunkových rias. Takéto rastliny rýchlo naberajú na hmotnosti, pričom na ich pestovanie nie sú potrebné úrodné pôdy.

Podobná prax má veľké perspektívy, no v súčasnosti sa takéto technológie len vyvíjajú. Vedci tiež vedú výskumy zamerané na vytvorenie metodík umožňujúcich získať biopalivo štvrtého a dokonca piateho pokolenia.

Tri druhy biopalív

V závislosti od toho, v akom skupenstve sa látka nachádza, rozlišujeme tri základné typy biopaliva:

1. Tuhé: drevo, rašelina, odpady z životnej činnosti živočíchov a poľnohospodárskej výroby.
2. Kvapalné: bionafta, dimetyléter, bioetanol, biobutanol.
3. Plynné: bioplyn, metán, biovodík.

Každý typ látok má svoju špecifikáciu, o ktorej bude reč nižšie.

Typ #1: tuhé

Medzi najobľúbenejšie tuhé druhy biologického paliva patria drevo, rašelina a odpad zvieracieho pôvodu.

Drevo (palivové drevo, štiepka, piliny)

Starobylým druhom biopaliva je všetkým dobre známe palivové drevo, ktoré sa oddávna používa na vykurovanie domov a varenie jedla. Dodnes sa aktívne využíva v rôznych krajinách na výrobu tepla a elektriny; konkrétne na palivové drevo je zameraná veľká rakúska tepláreň s výkonom 66 megawattov.

Zároveň má táto surovina aj nevýhody. Energetická hodnota palivového dreva je pomerne nízka: pri spaľovaní časť látky sadá ako sadze, preto je potrebné pravidelne čistiť krby a pece. Okrem toho doplnenie zásob dreva vyžaduje určitý čas – nové stromy vyrastú až o 15 – 20 rokov.

Vynikajúcou alternatívou k bežnému palivovému drevu sú pelety (granule), na výrobu ktorých sa používa neštandardné drevo: kôra, štiepka, lisované piliny, konáre.

Pelety získané z dreva, rašeliny a rôznych odpadov majú rôznu farbu. Svetlé sa používajú na kúrenie v krboch a peciach, zatiaľ čo tmavé, s vyšším obsahom kôry, sú určené pre kotly na tuhé palivo.

Na výrobu palivových peliet sa surovina rozomelie na prach, ktorý sa potom vysuší a lisuje pri vysokej teplote. Vďaka lignínu obsiahnutému v dreve vzniká lepkavá hmota, z ktorej sa formujú malé valčeky s dĺžkou 5-70 mm a priemerom 6-10 mm.

Modernou alternatívou tradičného palivového dreva sú palivové brikety so štvorbokým, šesťbokým alebo osembokým tvarom. Tento ekologicky čistý materiál má vysoký tepelný výkon.

Výrobu peliet je možné zorganizovať samostatne, vyrobením lisu na palivové brikety.

Medzi obľúbené druhy biopaliva patrí drevná štiepka, ktorá často slúži ako zdroj energie v európskych teplárňach. Výroba tejto suroviny prebieha pri ťažbe dreva alebo na špeciálnych výrobných linkách vybavených drvičmi.

Močiarna a lesná palivová rašelina

Je to rozšírený druh biopaliva používaný na domáce a priemyselné účely po stáročia. Rašelina predstavuje vrstvu machu, ktorá sa v močiarnych podmienkach úplne nerozložila; jej ťažba prebieha v mnohých krajinách sveta: Rusku, Bielorusku, Kanade, Švédsku, Indonézii a ďalších.

Rašelina s obsahom 50 – 60 % uhlíka je považovaná za obľúbený plynonosný materiál. Táto cenná surovina sa môže používať nielen ako palivo, ale aj ako hnojivo alebo tepelný izolant.

Pre pohodlie výrobného procesu sa biomasa zvyčajne spracúva na mieste ťažby. Proces pozostáva z čistenia (preosievania) suroviny od cudzích prímesí s následným sušením a formovaním do brikiet alebo granúl.

Palivo z poľnohospodárskych odpadov

V poľnohospodárskej výrobe sa spravidla hromadí veľké množstvo rôznych rastlinných odpadov: vonkajšie obaly rastlín, orechové škrupiny, slama.

Podobnú surovinu možno tiež podrobiť lisovaniu a granulovaniu, čím sa získajú palivové pelety, ktorých vlastnosti sa prakticky nelíšia od granúl vyrobených z drevnej biomasy.

Biopalivo živočíšneho pôvodu

Popri dreve už v dávnych časoch ľudia začali používať palivo živočíšneho pôvodu, a to kizjaky – vyschnutý hnoj domácich zvierat. Moderné technológie sušenia a spracovania takejto suroviny umožňujú získavať tuhé druhy biopaliva, úplne zbavené nepríjemného zápachu.

Už odpradávna kočovné národy používali ako palivo vyschnutý hnoj koní, tiav, hovädzieho dobytka. V súčasnosti sa z odpadových produktov domácich zvierat vyrába biopalivo vo forme brikiet alebo peliet.

Keďže v súčasnosti sa odpady z chovu zvierat hromadia v priemyselných mierkach, výroba paliva z nich zároveň rieši otázku ich likvidácie.

Typ #2: kvapalné

Kvapalné varianty biopaliva, vyznačujúce sa bezpečnosťou a ekologickosťou, sa väčšinou používajú ako náhrada benzínu a iných podobných prostriedkov. Medzi najrozšírenejšie varianty patria bioetanol, biometanol, biobutanol, bionafta, dimetyléter.

Bioetanol z rastlinných plodín

Toto je rozšírené kvapalné biopalivo, ktoré sa používa na tankovanie automobilov. Hoci sa čistá látka nepoužíva ako palivo, jej prídavok do benzínu prispieva k zlepšeniu chodu motora, zvýšeniu jeho výkonu, kontrole zahrievania motora a zníženiu emisií výfukových plynov.

Na mnohých čerpacích staniciach v Európe, Ázii, Severnej a Južnej Amerike sa ponúka nielen tradičné palivo, ale aj rôzne druhy biopaliva, predovšetkým zmesi obsahujúce bioetanol.

Bioetanol ocenili aj milovníci krbov. Táto látka má dobrý tepelný výkon, navyše pri jej horení nevzniká sadze ani dym a množstvo uvoľňovaného oxidu uhličitého je minimalizované.

Vďaka takýmto vlastnostiam možno palivo používať dokonca na kúrenie v krbe v bytových domoch. Viac o biopalive pre krby je napísané v tomto článku.

Výroba bioetanolu sa uskutočňuje z prvogeneračných surovín obsahujúcich škrob alebo cukor. Obilniny, kukurica, cukrová trstina, repa sa spracúvajú technológiou alkoholového kvasenia.

Biobutanol na tankovanie automobilov

Biobutanol – biologicky získaný analóg butanolu. Bezfarebná kvapalina s charakteristickým zápachom, široko používaná ako chemická surovina v priemysle a tiež ako dopravné palivo.

Ukazovateľ energetickej náročnosti butanolu je blízky benzínu, čo umožňuje čiastočne nahrádzať posledný v palivových článkoch. Na rozdiel od bioetanolu, biobutanol sa môže používať samostatne, bez pridávania tradičných druhov paliva.

Surovinou na výrobu tejto biolátky sú najrôznejšie rastliny: repa, maniok, pšenica, kukurica.

Dimetyléter (C₂H₆O)

Je to tiež ekologicky čisté palivo. Pri jeho spaľovaní vo výfukových plynoch chýbajú zlúčeniny síry a obsah zlúčenín dusíka je o 90 % nižší ako pri spaľovaní benzínu.

Dimetyléter možno používať bez špeciálnych filtrov, ale do konštrukcie automobilu (systém napájania, zapaľovanie motora) je potrebné zaviesť zásadné zmeny.

Dimetyléter sa považuje za perspektívny variant automobilového paliva. Vozidlá s motormi určenými na toto palivo vyvíjajú také veľké spoločnosti ako Volvo, SAIC Motor, KAMAZ, Nissan

Bez akýchkoľvek úprav je možné používať kombinované palivo obsahujúce 30 % dimetyléteru vo vozidlách, ktoré sú vybavené motormi na LPG.

Kvapalné palivo sa môže vyrábať z rôznych surovín: zemného plynu, uhoľného prachu, biomasy a predovšetkým z odpadov celulózovo-papierenskej výroby, ktoré sa pri nízkom tlaku transformujú na kvapalinu.

Biometanol z jednobunkových rias

Podobná látka je analógom bežného metanolu, ktorý sa široko používa na výrobu množstva chemických zlúčenín (kyselina octová, formaldehyd) a tiež sa používa ako nemrznúca zmes a rozpúšťadlo.

Prvýkrát bola otázka výroby tohto druhu biopaliva nastolená v 80. rokoch 20. storočia, keď skupina vedcov navrhla získavať kvapalnú substanciu biochemickou transformáciou morského fytoplanktónu, ktorého kultivácia sa bude vykonávať v špeciálnych vodných nádržiach.

Biometanol má rad potenciálnych výhod:

• vysokú energetickú výťažnosť – 14 pri získavaní metánu, 7 pri výrobe metanolu;
• vynikajúcu produktivitu fytoplanktónu – až 100 ton z hektára ročne;
• nenáročnosť jednobunkových organizmov, na kultiváciu ktorých nie je potrebná sladká voda ani úrodné pôdy;
• zachovanie poľnohospodárskych zdrojov, keďže fytoplanktón sa pestuje v rybníkoch alebo morských zálivoch.

Hoci priemyselná výroba biometanolu stále nie je zavedená, v súčasnosti sa uskutočňujú usilovné výskumy a vývoj technológií na rozvoj výroby tohto druhu alternatívneho paliva.

Bionafta ako alternatíva k dopravnému palivu

Toto je kvapalné motorové biopalivo pozostávajúce zo zmesi esterov mastných kyselín. Látka je bezpečná pre ľudí a zvieratá, prakticky úplne sa rozkladá v pôde za 28 dní a má relatívne vysokú (<100) teplotu vznietenia.

Biodiesel znižuje percento emisií škodlivých plynov a tiež predlžuje životnosť motora, pretože obsahuje mazacie zložky.

Palivo sa používa na tankovanie automobilových motorov samostatne aj v kombinácii s bežným palivom. Treba brať do úvahy len krátku dobu skladovania biologickej látky: po troch mesiacoch začína rozklad biologickej látky s úplnou stratou vlastností.

Pre biodiesel v krajinách EÚ bol prijatý špeciálny štandard EN14214. V niektorých krajinách platí aj štandard EN590, ktorý povoľuje pridanie 5% biodieselu do iného paliva.

Typ #3: plynné

Medzi základné druhy plynného biologického paliva patria bioplyn a biovodík.

Bioplyn ako náhrada zemného plynu

Bioplyn je prakticky úplný analóg zemného plynu: obsahuje 13-50% CO_2, 49-87% metánu a tiež prímesi H₂ a H₂S. Ak sa táto látka očistí od oxidu uhličitého, možno získať biometán.

Plynné biopalivo sa vyrába z biomasy metódou vodíkového alebo metánového kvasenia. Posledné je spôsobené tromi druhmi mikroorganizmov: najprv surovina podlieha pôsobeniu hydrolytických baktérií, ktoré potom nahradia kyselinotvorné a metanotvorné mikróby.

Výroba bioplynu sa môže uskutočňovať na priemyselných aj remeselných zariadeniach. Najbežnejším spôsobom výroby je anaeróbne kvasenie v metánových nádržiach.

Ako surovina sa môžu použiť rôzne materiály: siláž, hnoj, riasy, odpadové vody, trus, fekálne zvyšky, domáci odpad. Východisková látka sa uvedie do homogénneho stavu, potom sa pomocou nakladača vloží do reaktora.

Tam sa udržiava komfortná teplota +35-38°C, potrebná na uskutočnenie procesu metánového kvasenia.

Surovina sa neustále mieša, pričom vznikajúci plynný produkt sa odvádza do plynojemu (zásobník na uskladnenie), odkiaľ sa dostáva do elektrogenerátora.

Podrobnejšie o získavaní bioplynu z hnoja a o zriadení bioplynovej stanice je napísané v článkoch:

1. Ako si vyrobiť biopalivo vlastnými rukami z hnoja v domácich podmienkach
2. Bioplynová stanica pre rodinný dom svojpomocne: odporúčania na zriadenie a príklad usporiadania domácej výroby

Biovodík získaný chemickou metódou

Druh plynného biopaliva, ktorý predstavuje analóg bežného vodíka, sa získava z biomasy pomocou biochemických alebo termochemických metód.

Pri termochemickej metóde sa pripravená surovina (napr. drevný odpad) zahreje na teplotu 500—800°C bez prístupu kyslíka, pričom sa uvoľňujú plyny H₂, CO, CH₄.

Perspektívnou metódou výroby biovodíka je biofotolýza. V tomto prípade sa plyn vyrába pomocou rias, ktoré sa umiestňujú do morskej vody, kanalizačných odpadov.

Pri biochemickej metóde sa surovina udržiava v komfortných podmienkach pri normálnom tlaku a teplote približne 30°C.

Do biomasy sa vnášajú špeciálne mikroorganizmy Enterobacter cloacae, Rodobacter speriodes, ktoré rozkladajú východiskový produkt a uvoľňujú vodík. Na urýchlenie výroby pomocou polysacharidov je povolené pridanie enzýmov.

Závery a užitočné video k téme

V nižšie uvedenom videu môžete vidieť proces výroby obľúbeného druhu biopaliva – drevených briket:

Druhy biologického paliva sa líšia nielen skupenstvom, ale aj vlastnosťami. Pri výbere takýchto materiálov je potrebné zohľadniť ich plánované použitie, účinnosť, funkčné vlastnosti a cenu.

Máte skúsenos ti s používáním alternatívneho paliva? Alebo chcete položiť otázky k téme biopalív? Prosím, komentujte publikáciu a zapájajte sa do diskusií. Blok spätnej väzby sa nachádza nižšie.