Druhy biopaliv: srovnání charakteristik pevných, kapalných a plynných paliv

Alternativou k tradičním energetickým zdrojům jsou různé druhy biopaliv, k jejichž výrobě se využívá rostlinná nebo živočišná surovina, průmyslové odpady a produkty životní činnosti organismů.

Navrhujeme porozumět výhodám a nevýhodám používání takového paliva, seznámit se s vlastnostmi výroby, funkčními charakteristikami a také zhodnotit efektivitu využití různých typů biologického paliva. Uvedené informace Vám pomohou zorientovat se ve výběru alternativních zdrojů energie.

Co je biologické palivo

Nejperspektivnějším směrem v energetice jsou technologie, které využívají obnovitelné zdroje, k nimž patří i biologické palivo.

Nejrozšířenějším druhem biologického paliva je obyčejné dřevo. 38 % obyvatel Země ho používá k vytápění a přípravě jídla

Jako surovinu pro jeho výrobu lze použít biomasu rostlinného/živočišného původu, včetně průmyslových odpadů nebo zbytků živočišné činnosti.

Zpracování těchto látek se provádí termochemickou nebo biologickou metodou; v druhém případě se palivo získává pomocí různých druhů mikroorganismů.

Podíl využívání biologických paliv neustále roste, což přispívá k zachování fosilních zdrojů uhlovodíků (+)

V mnoha zemích existují speciální programy na zvýšení podílu biopaliv v národní a regionální spotřebě energie. V některých státech jsou rovněž zavedeny povinné normy pro využívání tohoto zdroje energie.

Výhody a nevýhody biopaliv

Biologická paliva mají své kladné i záporné stránky. Zájem o využívání tohoto druhu suroviny je vyvolán jeho nespornými výhodami.

K nim patří:

• Nízká cena. Ačkoli v současné době jsou ceny biopaliv prakticky srovnatelné s cenou benzínu, biologické látky jsou považovány za výhodnější druh paliva, protože při spalování produkují méně emisí. Biopalivo lze používat v různých podmínkách a přitom jej lze přizpůsobit motorům různých konstrukcí. Další výhodou je optimalizace chodu motoru, který zůstává déle čistý díky malému množství sazí a výfukových plynů.
• Mobilita. Biologické palivo se od jiných alternativních zdrojů energie liší svou mobilitou. Konstrukce solárních a větrných elektráren obvykle zahrnuje těžké akumulátorové baterie, proto se většinou používají stacionárně, zatímco biopalivo lze bez větších obtíží přepravovat z jednoho regionu do druhého.
• Obnovitelný zdroj energie. Ačkoli podle výzkumníků současné zásoby ropy vydrží nejméně několik set let, fosilní zásoby jsou přesto konečné. Biopalivo vyráběné z rostlin a odpadů živočišného původu patří mezi obnovitelné zdroje, kterým v dohledné budoucnosti nehrozí vyčerpání.
• Ochrana atmosféry Země. Velkou nevýhodou tradičních uhlovodíků je vysoký podíl CO₂, který se uvolňuje při spalování. Tento plyn vytváří v atmosféře naší planety skleníkový efekt, což vytváří podmínky pro globální oteplování. Při spalování biologických látek se množství oxidu uhličitého snižuje na 65 %. Kromě toho plodiny používané k výrobě biopaliv spotřebovávají oxid uhličitý, čímž snižují jeho podíl ve vzduchu.
• Ekonomická bezpečnost. Zdroje uhlovodíků jsou rozloženy nerovnoměrně, a proto jsou některé státy nuceny nakupovat ropu nebo zemní plyn, přičemž vynakládají velké prostředky na pořízení, dopravu a skladování. Různé druhy biopaliv lze získávat prakticky v každé zemi. Jelikož pro jejich výrobu a zpracování bude potřeba vytvořit nové podniky a tím i pracovní místa, přinese to prospěch národnímu hospodářství a pozitivně ovlivní blahobyt lidí.

Zdokonalování technologií a rozvoj nových metod může zesílit pozitivní účinek biopaliv. Například vývoj technologií využívajících plankton a řasy umožní výrazně snížit jejich cenu.

Zároveň je v současné fázi rozvoje věd a technologií výroba biopaliv spojena s řadou obtíží a nepříjemností. Především se jedná o přírodní omezení při pěstování rostlin.

Pro růst plodin používaných k výrobě biomasy je třeba zohlednit řadu faktorů, a to:

• Využívání vody. Zemědělské rostliny spotřebovávají mnoho vody, která je omezeným zdrojem, zejména v suchých oblastech.
• Invazivnost. Plodiny pěstované pro palivo bývají často agresivní. Potlačují původní flóru, což může poškodit biodiverzitu a ekosystém regionu.
• Hnojiva. Pro růst mnoha rostlin je třeba dodatečné přidávání živin, které mohou poškodit jiné plodiny nebo celkový ekosystém.
• Klima. Některé klimatické zóny (například poušť nebo tundra) nejsou vhodné pro pěstování biopalivových plodin.

Aktivní pěstování zemědělských plodin je spojeno i s vyčerpáváním zemědělských zdrojů. Nedodržování pravidel agrotechniky může vést ke snížení obsahu prospěšných složek v půdě a následně k jejímu vyčerpání, což vyvolá zhoršení potravinového problému.

Dochází k narušení ekosystému. Pro výrobu biomasy je obvykle třeba rozšíření území využívaných v zemědělství.

Často se za tímto účelem provádí vyčištění území, což vede k destrukci mikroekosystému (například lesa) a k úhynu rostlin a živočichů.

Pro výrobu biopaliv se již nyní pěstuje velké množství zemědělských plodin. Na produkci biomasy jde více než 50 % evropské řepky, více než třetina amerického obilí a téměř polovina brazilské cukrové třtiny.

Vznikají problémy s pěstováním monokultur. Pro dosažení vyšší sklizně biomasy osévají producenti často půdu určitou rostlinou. Tato praxe se příliš dobře neodráží na stavu zemědělské půdy, protože monokultura vede ke změnám životního prostředí.

Na polích osázených jedním druhem rostlin obvykle parazitují zvláštní odrůdy škůdců. Pokus o boj s nimi pomocí insekticidů a pesticidů vede pouze k vyvinutí odolnosti vůči těmto prostředkům.

Aby se předešlo výše popsaným problémům, vědci doporučují nezanedbávat biodiverzitu plodin, kombinovat na polích několik rostlin a také používat místní odrůdy flóry.

Generace alternativního paliva

Široký sortiment rostlinného materiálu používaného pro biomasu se obvykle dělí do několika generací.

První generace. Do této kategorie patří zemědělské plodiny s vysokým obsahem škrobu, cukrů a tuků. Jsou to populární rostliny jako kukuřice, cukrová řepa, řepka, sója.

Jelikož pěstování těchto plodin poškozuje klima a jejich stažení z trhu ovlivňuje cenotvorbu produktů, vědci se snaží nahradit je jinými druhy biomasy.

Ze zemědělských rostlin patřících do první generace surovin se v současnosti vyrábějí téměř všechny druhy moderních kapalných paliv (bionafta, etanol).

Druhá generace. Do skupiny biomasy patří dřevo, tráva, zemědělské odpady (skořápky, slupky). Získávání biopaliv z takové suroviny vyžaduje vysoké náklady, ale umožňuje řešit otázku likvidace nepotravinových zbytků při současné výrobě hořlavých materiálů.

Zvláštností plodin patřících do této odrůdy je přítomnost ligninu a celulózy. Díky nim lze biomasu spalovat a zplynovat, stejně jako podrobovat pyrolýze, čímž se získává kapalné palivo.

Hlavní nevýhodou biomasy druhé generace je nedostatečný výnos na jednotku plochy, kvůli čemuž je třeba pro tyto plodiny vyčlenit značné půdní zdroje.

Třetí generace. Surovinou pro výrobu biopaliv jsou řasy, které se pěstují v průmyslovém měřítku, například v otevřených nádržích.

Za nejperspektivnější variantu je považováno biopalivo získané z jednobuněčných řas. Tyto rostliny rychle nabývají na hmotnosti a přitom k jejich pěstování není potřeba úrodné půdy.

Tato praxe má velké perspektivy, avšak v současné době se tyto technologie teprve vyvíjejí. Vědci také provádějí výzkum vytváření metod, které umožní získat biopaliva čtvrté a dokonce páté generace.

Tři typy biopaliv

V závislosti na tom, v jakém skupenství se látka nachází, rozlišujeme tři základní typy biopaliv:

1. Pevné: dřevo, rašelina, odpady z životní činnosti zvířat a zemědělské výroby.
2. Kapalné: bionafta, dimethylether, bioetanol, biobutanol.
3. Plynné: bioplyn, metan, biovodík.

Každý typ látek má svá specifika, o kterých bude řeč níže.

Typ č. 1: pevné

Mezi nejoblíbenější pevné druhy biologického paliva patří dřevo, rašelina, živočišný odpad.

Dřevo (palivové dříví, štěpka, piliny)

Starobylým druhem biopaliva je všem dobře známé palivové dříví, které se odedávna používá k vytápění domů a vaření. Dodnes se aktivně používá v různých zemích k výrobě tepla a elektřiny, zejména na dřevo pracuje velká rakouská teplárna o výkonu 66 megawattů.

Zároveň má tato surovina nevýhody. Energetická hodnota dřeva je poměrně nízká: při spalování část hmoty ulpívá jako saze, kvůli čemuž je nutné krby a kamna pravidelně čistit. Kromě toho doplnění zásob dřeva vyžaduje určitý čas – nové stromy vyrostou až za 15-20 let.

Vynikající alternativou k běžnému palivovému dříví jsou pelety (granule), k jejichž výrobě se používá nekvalitní dřevo: kůra, štěpka, lisované piliny, větve.

Pelety získané ze dřeva, rašeliny a různých odpadů mají různou barvu. Světlé se používají k topení v krbech a kamnech, zatímco tmavé, s vyšším obsahem kůry, jsou určeny pro kotle na tuhá paliva.

Pro výrobu topných pelet se surovina mele na prach, který se pak suší a lisuje při vysoké teplotě. Díky ligninu obsaženému ve dřevě vzniká lepivá hmota, ze které se tvoří malé válečky o délce 5-70 mm a průměru 6-10 mm.

Moderní alternativou k tradičnímu palivovému dříví jsou topné brikety čtyř-, šest- nebo osmihranného tvaru. Tento ekologický materiál má vysoký výdej tepla.

Výrobu pelet lze zřídit svépomocí výrobou lisu na topné brikety.

Mezi oblíbené druhy biopaliv patří dřevní štěpka, která často slouží jako zdroj energie v evropských teplárnách. Tato surovina se vyrábí při těžbě dřeva nebo na speciálních výrobních linkách vybavených drtiči.

Bažinná a lesní topná rašelina

Jedná se o rozšířený druh biopaliva používaný po staletí v domácnostech a průmyslu. Rašelina je vrstva mechu, která se v bažinatých podmínkách zcela nerozložila, a těží se v mnoha zemích světa: Rusko, Bělorusko, Kanada, Švédsko, Indonésie a další.

Rašelina obsahující 50-60% uhlíku je považována za oblíbený plynonosný materiál. Tato cenná surovina může být použita nejen jako palivo, ale také jako hnojivo nebo tepelný izolátor.

Pro pohodlí výrobního procesu se biomasa obvykle zpracovává na místě těžby. Proces spočívá v čištění (prosévání) suroviny od cizích příměsí, následném sušení a tvarování do briket nebo pelet.

Palivo ze zemědělských odpadů

V zemědělské výrobě se zpravidla hromadí velké množství různých rostlinných odpadů: vnější obaly rostlin, skořápky ořechů, sláma.

Takovou surovinu lze také lisovat a granulovat, čímž se získávají palivové pelety, jejichž vlastnosti se prakticky neliší od pelet vyrobených z dřevní biomasy.

Biopalivo živočišného původu

Vedle dřeva začali lidé již ve starověku používat palivo živočišného původu, a to suchý hnůj domácích zvířat (tzv. kizjaky). Moderní technologie sušení a zpracování takové suroviny umožňují získávat pevné druhy biopaliva zcela bez nepříjemného zápachu.

Od dávných dob používaly kočovné národy jako palivo suchý hnůj koní, velbloudů, skotu. V současnosti se z odpadů z činnosti domácích zvířat vyrábí biopalivo ve formě briket nebo pelet.

Jelikož se v současnosti odpady z chovu zvířat hromadí v průmyslovém měřítku, výroba paliva z nich zároveň řeší otázku jejich likvidace.

Typ č. 2: kapalné

Kapalné varianty biopaliva, které se vyznačují bezpečností a šetrností k životnímu prostředí, se z větší části používají jako náhrada benzínu a jiných podobných prostředků. Mezi nejběžnější varianty patří bioetanol, biometanol, biobutanol, bionafta, dimethylether.

Bioetanol z rostlinných kultur

Toto je běžné kapalné biopalivo, které se používá k tankování automobilů. Ačkoli se čistá látka nepoužívá jako palivo, její přídavek do benzínu přispívá ke zlepšení chodu motoru, zvýšení jeho výkonu, kontrole zahřívání motoru a snížení emisí výfukových plynů.

Na mnoha čerpacích stanicích v Evropě, Asii, Severní a Jižní Americe je nabízeno nejen tradiční palivo, ale také různé druhy biopaliv, především směsi obsahující bioetanol.

Bioetanol ocenili také milovníci krbů. Tato látka má dobrou výhřevnost, navíc při jejím hoření nevzniká saze ani kouř a množství uvolňovaného oxidu uhličitého je minimalizováno.

Díky těmto vlastnostem lze palivo použít i k topení v krbech v bytových domech. Více o biopalivu pro krby je napsáno v tomto článku.

Výroba bioetanolu se provádí z prvogeneračních surovin obsahujících škrob nebo cukr. Obiloviny, kukuřice, cukrová třtina, řepa se zpracovávají technologií alkoholového kvašení.

Biobutanol pro tankování automobilů

Biobutanol – biologicky získaný analog butanolu. Bezbarvá kapalina s charakteristickým zápachem, široce používaná jako chemická surovina v průmyslu a může být také použita jako palivo pro dopravu.

Energetická náročnost butanolu je blízká benzínu, což umožňuje částečně nahradit benzín v palivových článcích. Na rozdíl od bioetanolu lze biobutanol používat samostatně, bez přidávání tradičních druhů paliva.

Surovinou pro výrobu této biolátky jsou nejrůznější rostliny: řepa, maniok, pšenice, kukuřice.

Dimethylether (C₂H₆O)

Je to také ekologicky čisté palivo. Při jeho spalování ve výfukových plynech chybí sloučeniny síry a obsah sloučenin dusíku je o 90 % nižší než při spalování benzínu.

Dimethylether lze používat bez speciálních filtrů, ale do konstrukce automobilu (systém přívodu paliva, zapalování motoru) je nutné provést zásadní změny.

Dimethylether je považován za perspektivní variantu automobilového paliva. Vozidla s motory navrženými na toto palivo vyvíjejí velké společnosti jako Volvo, SAIC Motor, KAMAZ, Nissan.

Bez jakýchkoli úprav lze použít kombinované palivo obsahující 30 % dimethyletheru ve vozidlech vybavených motory na LPG.

Kapalné palivo může být vyráběno z různých surovin: zemního plynu, uhelného prachu, biomasy a především ze zbytků celulózového a papírenského průmyslu, které se přeměňují na kapalinu při nízkém tlaku.

Biometanol z jednobuněčných řas

Tato látka je analogem běžného metanolu, který je široce používán při výrobě řady chemických sloučenin (kyselina octová, formaldehyd) a také se používá jako nemrznoucí kapalina a rozpouštědlo.

Poprvé byla otázka výroby tohoto druhu biopaliva nastolena v 80. letech 20. století, kdy skupina vědců navrhla získávat kapalnou substanci biochemickou transformací mořského fytoplanktonu, jehož kultivace bude probíhat ve speciálních vodních nádržích.

Biometanol má řadu potenciálních výhod:

• vysokou energetickou návratnost – 14 při získávání metanu, 7 při výrobě metanolu;
• vynikající produktivitu fytoplanktonu – až 100 tun na hektar za rok;
• nenáročnost jednobuněčných organismů, pro jejichž kultivaci není potřeba sladká voda ani úrodné půdy;
• zachování zemědělských zdrojů, protože fytoplankton je pěstován v rybnících nebo mořských zátokách.

I když průmyslová výroba biometanolu dosud nebyla zavedena, v současné době probíhají intenzivní výzkumy a vývoj technologií pro rozvoj výroby tohoto druhu alternativního paliva.

Bionafta jako alternativa dopravního paliva

Jedná se o kapalné motorové biopalivo sestávající ze směsi esterů mastných kyselin. Látka je bezpečná pro lidi i zvířata, v půdě se téměř zcela rozloží za 28 dní a má relativně vysokou (<100) teplotu vzplanutí.

Bionafta snižuje procento emisí škodlivých plynů a také prodlužuje životnost motoru, protože obsahuje mazací složky.

Palivo se používá k tankování automobilových motorů jak samostatně, tak v kombinaci s běžným palivem. Je třeba brát v úvahu pouze krátkou dobu skladování biologické látky: po třech měsících začíná rozklad biologické látky s úplnou ztrátou vlastností.

Pro bionaftu byl v zemích EU přijat zvláštní standard EN14214. V řadě zemí platí také norma EN590, která umožňuje přidání 5 % bionafty do jiného paliva.

Typ č. 3: plynné

Mezi hlavní druhy plynného biologického paliva patří bioplyn a biovodík.

Bioplyn jako náhrada zemního plynu

Bioplyn je prakticky úplným analogem zemního plynu: obsahuje 13-50 % CO₂, 49-87 % metanu a také příměsi H₂ a H₂S. Pokud se tato látka zbaví oxidu uhličitého, lze získat biometan.

Plynné biopalivo se vyrábí z biomasy metodou vodíkového nebo methanového kvašení. To je způsobeno třemi druhy mikroorganismů: nejprve je surovina vystavena působení hydrolytických bakterií, které jsou pak nahrazeny kyselinotvornými a metanotvornými mikroby.

Výroba bioplynu může probíhat v průmyslových i podomácku vyrobených zařízeních. Nejrozšířenějším způsobem výroby je aerobní fermentace v metanových tancích.

Jako surovina mohou být použity různé materiály: siláž, hnůj, řasy, odpadní vody, trus, fekální zbytky, domovní odpad. Výchozí látka se uvede do homogenního stavu, poté se pomocí nakladače umístí do reaktoru.

Tam se udržuje komfortní teplota +35-38 °C, nezbytná pro provádění procesu metanového kvašení.

Surovina se neustále míchá, přičemž vznikající plynný produkt je odváděn do plynojemu (zásobníku), odkud se dostává do elektrogenerátoru.

Podrobněji o získávání bioplynu z hnoje a zařízení bioplynové stanice je psáno v článcích:

1. Jak vyrobit biopalivo svépomocí z hnoje v domácích podmínkách
2. Bioplynová stanice pro soukromý dům vlastníma rukama: doporučení k zařízení a příklad vybudování svépomocí

Biovodík získaný chemickou metodou

Druh plynného biopaliva, který je analogií běžného vodíku, se získává z biomasy pomocí biochemické nebo termochemické metody.

Při termochemickém způsobu se připravená surovina (např. dřevní odpad) zahřívá na teplotu 500–800 °C bez přístupu kyslíku, přičemž se uvolňují plyny H₂, CO, CH₄.

Perspektivní metodou výroby biovodíku je biofotolýza. V tomto případě se plyn vyrábí pomocí řas, které jsou umístěny v mořské vodě, kanalizačních stocích.

Při biochemickém způsobu se surovina udržuje v komfortních podmínkách při normálním tlaku a teplotě přibližně 30 °C.

Do biomasy jsou přidávány speciální mikroorganismy Enterobacter cloacae, Rodobacter speriodes, které rozkládají výchozí produkt a uvolňují vodík. Pro urychlení výroby pomocí polysacharidů je povoleno přidávání enzymů.

Závěry a užitečné video k tématu

V níže uvedeném videu můžete vidět proces výroby oblíbeného druhu biopaliva – dřevěných briket:

Druhy biologického paliva se liší nejen skupenstvím, ale také vlastnostmi. Při výběru takových materiálů je třeba vzít v úvahu jejich plánované použití, účinnost, funkční vlastnosti a cenu.

Máte zkušenosti s používáním alternativního paliva? Nebo chcete položit otázky k tématu biopaliv? Prosím, komentujte publikaci a zapojte se do diskuzí. Blok zpětné vazby je umístěn níže.