Typer av biobränsle: jämförelse av egenskaper för fast, flytande och gasformigt bränsle

Alternativ till traditionella energikällor är olika typer av biobränsle, som tillverkas av vegetabiliska eller animaliska råvaror, industriavfall och restprodukter från organismer.

Vi föreslår att du lär dig om för- och nackdelar med användning av sådant bränsle, lär känna produktionssärdrag, funktionella egenskaper samt utvärderar effektiviteten hos olika typer av biobränsle. Den här informationen hjälper dig att navigera valet av alternativa energikällor.

Vad är biobränsle

Den mest lovande inriktningen inom energisektorn är tekniker som använder förnybara resurser, dit även biobränsle hör.

Den vanligaste typen av biobränsle är vanlig ved. 38 % av jordens befolkning använder den för uppvärmning och matlagning.

Som råvara för dess produktion kan man använda biomassa av växt-/djurbaserat ursprung, inklusive industriavfall eller restprodukter från djur.

Behandling av sådana ämnen sker med termokemiska eller biologiska metoder, i det senare fallet erhålls bränslet med hjälp av olika typer av mikroorganismer.

Andelen användning av biologiska bränslen växer ständigt, vilket bidrar till att bevara fossila kolväteresurser (+)

I många länder finns särskilda program för att öka biobränsleandelen i nationell och regional energiförbrukning. I ett antal stater finns också obligatoriska normer för användning av denna energikälla.

För- och nackdelar med biobränsle

Biologiska bränslen har sina positiva och negativa sidor. Intresset för användning av denna typ av råmaterial beror på dess obestridliga fördelar.

Till dessa hör:

• Låg kostnad. Även om priserna på biobränsle för närvarande nästan sammanfaller med bensinpriset, anses biologiska ämnen vara en mer fördelaktig typ av bränsle eftersom de ger mindre utsläpp vid förbränning. Biobränsle lämpar sig för användning under olika förhållanden och kan anpassas till motorer av olika konstruktioner. En annan fördel är optimeringen av motorns funktion, som förblir renare längre tack vare den lilla mängden sot och avgaser.
• Mobilitet. Biologiskt bränsle skiljer sig från andra alternativ för förnybar energi genom sin mobilitet. Sol- och vindkraftsanläggningar innehåller vanligtvis tunga batterier, så de används oftast stationärt, medan biobränsle utan större besvär kan transporteras från en region till en annan.
• Förnybar energikälla. Även om forskare anser att befintliga råoljefyndigheter räcker i åtminstone några hundra år, är fossila reserver ändå ändliga. Biobränsle, framställt av växter och animaliska restprodukter, tillhör de förnybara resurser som inte hotas av utrotning under överskådlig framtid.
• Skydd av jordens atmosfär. En stor nackdel med traditionella kolväten är den höga andelen CO₂ som frigörs vid förbränning. Denna gas skapar en växthuseffekt i vår planets atmosfär, vilket skapar förutsättningar för global uppvärmning. Vid förbränning av biologiska ämnen minskar dock mängden koldioxid till 65%. Dessutom förbrukar de grödor som används vid produktion av biobränsle koldioxid och minskar därmed dess andel i luften.
• Ekonomisk säkerhet. Kolvätereserver är ojämnt fördelade, så vissa länder tvingas köpa olja eller naturgas och lägger stora summor på inköp, transport och lagring. Olika typer av biobränsle kan framställas i praktiskt taget vilket land som helst. Eftersom tillverkning och bearbetning kräver nya företag och därmed arbetstillfällen, gynnar det den nationella ekonomin och förbättrar människors välstånd.

Förbättring av teknik och utveckling av nya metoder kan förstärka den positiva effekten av biobränsle. Till exempel kan utveckling av teknik med plankton och alger avsevärt sänka priset.

Samtidigt är produktionen av biobränsle vid den nuvarande utvecklingsnivån inom vetenskap och teknik förknippad med ett antal svårigheter och olägenheter. Först och främst handlar det om naturliga begränsningar vid odling av växter.

För att odla grödor som används för produktion av biomassa måste man ta hänsyn till ett antal faktorer, nämligen:

• Vattenanvändning. Jordbruksväxter förbrukar mycket vatten, som är en begränsad resurs, särskilt i torra områden.
• Invasivitet. Bränslegrödor som odlas är ofta aggressiva. De kväver den ursprungliga floran, vilket kan skada den biologiska mångfalden och regionens ekosystem.
• Gödselmedel. För många växter krävs extra näringstillförsel, vilket kan skada andra grödor eller det allmänna ekosystemet.
• Klimat. Vissa klimatzoner (t.ex. öken eller tundra) är olämpliga för odling av biobränslegrödor.

Aktiv odling av jordbruksväxter är också förknippat med uttömning av jordbruksresurser. Underlåtenhet att följa agrotekniska regler kan leda till minskat innehåll av nyttiga ämnen i marken och därmed till utarmning, vilket förvärrar livsmedelsproblemet.

Det uppstår störningar i ekosystemet. För produktion av biomassa krävs vanligtvis en utvidgning av de områden som används inom jordbruket.

Ofta utförs röjning av områden i detta syfte, vilket leder till förstörelse av mikroekosystem (t.ex. skog) och död av växter och djur.

Redan nu odlas en stor mängd jordbruksgrödor för framställning av biobränsle. Mer än 50 % av den raps som produceras i Europa, mer än en tredjedel av den amerikanska spannmålen och nästan hälften av det sockerrör som odlas i Brasilien används för biomassa.

Det uppstår problem med odling av monokulturer. För att få en större skörd av biomassa sår producenter ofta marken med en viss växt. Denna praxis är inte särskilt bra för jordbruksmarkens tillstånd, eftersom monokultur leder till förändringar i miljön.

På fält som är upptagna av en enda växtart parasiterar vanligtvis speciella skadedjursvarianter. Försök att bekämpa dem med insekticider och bekämpningsmedel leder bara till att de utvecklar resistens mot dessa medel.

För att undvika ovan nämnda problem rekommenderar forskare att inte försumma den biologiska mångfalden av grödor, utan att kombinera flera växter på fälten och även använda lokala växtsorter.

Generationer av alternativt bränsle

Det breda sortimentet av växtråvaror som används för biomassa brukar delas in i flera generationer.

Första generationen. Till denna kategori hör jordbruksgrödor som innehåller en hög andel stärkelse, sockerarter och fetter. Det är populära växter som majs, sockerbeta, raps och soja.

Eftersom odlingen av dessa grödor skadar klimatet och deras borttagande från marknaden påverkar prissättningen på livsmedel, försöker forskare ersätta dem med andra typer av biomassa.

Från jordbruksväxter som tillhör första generationens råvaror produceras idag nästan alla typer av moderna flytande bränslen (biodiesel, etanol).

Andra generationen. I biomassagruppen ingår trä, gräs, jordbruksavfall (skal, agnar). Att producera biobränsle från sådana råvaror kräver stora kostnader, men det gör det möjligt att lösa problemet med bortskaffande av icke-ätliga rester samtidigt som man producerar brännbara material.

En egenskap hos grödorna i denna kategori är närvaron av lignin och cellulosa. Tack vare dem kan biomassan förbrännas och förgasas, samt pyrolyseras för att få flytande bränsle.

Den största nackdelen med andra generationens biomassa anses vara otillräcklig avkastning per ytenhet, vilket gör att man måste avsätta betydande markresurser för sådana grödor.

Tredje generationen. Råvaran för produktion av biobränsle är alger som odlas i industriell skala, till exempel i öppna vatten.

Det mest lovande alternativet anses vara biobränsle från encelliga alger. Sådana växter växer snabbt i biomassa, och för deras odling krävs ingen bördig jord.

En sådan praxis har stora framtidsutsikter, men för närvarande utvecklas sådana teknologier bara. Forskare bedriver också forskning för att skapa metoder som gör det möjligt att få fram biobränslen från fjärde och till och med femte generationen.

Tre typer av biobränsle

Beroende på vilket aggregationstillstånd ämnet befinner sig i, skiljer man på tre huvudtyper av biobränsle:

1. Fast: ved, torv, avfall från djur och jordbruksproduktion.
2. Flytande: biodiesel, dimetyleter, bioetanol, biobutanol.
3. Gasformiga: biogas, metan, bioväte.

Varje typ av ämne har sina specifika egenskaper, vilket vi kommer att gå in på nedan.

Typ #1: fast

Till de mest populära fasta varianterna av biobränsle hör trä, torv och animaliska avfallsprodukter.

Trä (ved, flis, sågspån)

En uråldrig typ av biobränsle är ved, som alla känner till, och som länge har använts för uppvärmning och matlagning. Än idag används det aktivt i många länder för att producera värme och el. Exempelvis drivs ett stort österrikiskt värmekraftverk med ved, med en kapacitet på 66 megawatt.

Samtidigt har sådant råmaterial nackdelar. Vedens energivärde är relativt lågt: vid förbränning avsätts en del av materialet som sot, vilket gör att eldstäder och spisar måste rengöras regelbundet. Dessutom tar det tid att återfylla vedförråden – nya träd växer upp först efter 15–20 år.

Ett utmärkt alternativ till vanlig ved är pellets (granuler), som tillverkas av undermåligt trä: bark, flis, pressade sågspån, grenar.

Pellets som framställs av trä, torv och olika avfall har olika färg. Ljusa används för eldning i eldstäder och spisar, medan mörka pellets med högre barkhalt är avsedda för fastbränslepannor.

Vid tillverkning av bränslepellets mals råmaterialet till damm, som sedan torkas och pressas vid hög temperatur. Tack vare ligninet i träet bildas en klibbig massa, ur vilken små cylindrar formas med en längd på 5–70 mm och en diameter på 6–10 mm.

Ett modernt alternativ till traditionell ved är bränslebriketter med fyr-, sex- eller åttakantig form. Detta miljövänliga material har hög värmeavgivning.

Du kan starta egen pelletsproduktion genom att tillverka en press för bränslebriketter.

Träflis räknas till populära biobränslen och används ofta som energikälla på europeiska värmekraftverk. Råmaterialet framställs vid avverkning eller i särskilda produktionslinjer utrustade med maskiner som krossar.

Myr- och skogstorv för bränsle

Detta är en vanlig typ av biobränsle som använts i hushåll och industri i århundraden. Torv består av ett lager moss som inte helt brutits ner under myrliknande förhållanden, och den utvinns i många länder: Ryssland, Vitryssland, Kanada, Sverige, Indonesien och andra.

Torv som innehåller 50–60 % kol anses vara ett populärt gasbärande material. Denna värdefulla råvara kan användas inte bara som bränsle utan även som gödningsmedel eller isoleringsmaterial.

För att underlätta produktionsprocessen bearbetas biomassa vanligtvis på utvinningsplatsen. Processen består av rengöring (siktning) av råmaterialet från främmande föremål, följt av torkning och formning till briketter eller pellets.

Bränsle från jordbruksavfall

I jordbruksproduktion ackumuleras vanligtvis ett stort antal olika växtavfall: växters yttre skal, nötskal, halm.

Liknande råmaterial kan också pressas och granuleras för att få bränslepellets, vars egenskaper praktiskt taget inte skiljer sig från pellets tillverkade av vedbiomassa.

Biobränsle av animaliskt ursprung

Förutom ved började människor redan i forntiden använda bränsle av animaliskt ursprung, nämligen dynga – torkad gödsel från husdjur. Moderna torknings- och bearbetningstekniker för sådant råmaterial gör det möjligt att producera fasta biobränslesorter som är helt fria från obehaglig lukt.

Sedan länge använde nomadfolk torkad gödsel från hästar, kameler och nötkreatur som bränsle. Numera tillverkas biobränsle i form av briketter eller pellets från avfall från husdjur.

Eftersom animaliska avfall ackumuleras i industriell skala idag, löser tillverkningen av bränsle från dem samtidigt frågan om deras bortskaffande.

Typ #2: flytande

Flytande biobränslealternativ, som är säkra och miljövänliga, används oftast som ersättning för bensin och liknande bränslen. Till de vanligaste alternativen hör bioetanol, biometanol, biobutanol, biodiesel, dimetyleter.

Bioetanol från växtgrödor

Detta är ett vanligt flytande biobränsle som används för att tanka bilar. Även om den rena substansen inte används som bränsle, bidrar tillsatsen till bensin till att förbättra motorns prestanda, öka dess effekt, kontrollera motorns uppvärmning och minska avgasutsläppen.

På många bensinstationer i Europa, Asien, Nord- och Sydamerika erbjuds inte bara traditionellt bränsle utan även olika typer av biobränsle, främst blandningar som innehåller bioetanol.

Bioetanol uppskattas också av eldstadsentusiaster. Ämnet har en bra värmeöverföring, dessutom bildas varken sot eller rök vid förbränning, och mängden koldioxid som avges minimeras.

Tack vare dessa egenskaper kan bränslet användas även för uppvärmning av eldstäder i flerbostadshus. Mer om biobränsle för eldstäder finns i den här artikeln.

Produktion av bioetanol sker från första generationens råmaterial som innehåller stärkelse eller socker. Spannmål, majs, sockerrör, betor bearbetas med alkoholjäsningsteknik.

Biobutanol för tankning av bilar

Biobutanol – en biologiskt framställd analog till butanol. En färglös vätska med en karakteristisk lukt, som används i stor utsträckning som kemisk råvara inom industrin, och som även kan användas som transportbränsle.

Butanolens energitäthet ligger nära bensinens, vilket gör att den delvis kan ersätta bensin i bränsleceller. Till skillnad från bioetanol kan biobutanol användas på egen hand, utan tillsats av traditionella bränsletyper.

Råvaror för produktion av detta bioämne är en mängd olika växter: sockerbetor, maniok, vete, majs.

Dimetyleter (C₂H₆O)

Det är också ett miljövänligt bränsle. Vid förbränning saknas svavelföreningar i avgaserna, och halten av kväveföreningar är 90 % lägre än vid bensinförbränning.

Dimetyleter kan användas utan speciella filter, men i bilens konstruktion (bränslesystem, tändsystem) måste man göra genomgripande ändringar.

Dimetyleter anses vara ett lovande alternativ för fordonsbränsle. Bilar med motorer avsedda för detta bränsle utvecklas av stora företag som Volvo, SAIC Motor, KAMAZ, Nissan

Utan några ombyggnader kan man använda kombinerat bränsle som innehåller 30 % dimetyleter i bilar som är utrustade med LPG-motorer.

Flytande bränsle kan produceras från olika råvaror: naturgas, kolstoft, biomassa och framför allt från rester av pappersmassetillverkning, som omvandlas till vätska vid lågt tryck.

Biometanol från encelliga alger

Detta ämne är en analog till vanlig metanol, som används i stor utsträckning för produktion av flera kemiska föreningar (ättiksyra, formaldehyd) samt som frostskyddsmedel och lösningsmedel.

Frågan om produktion av denna typ av biobränsle väcktes först på 1980-talet, när en grupp forskare föreslog att framställa en flytande substans genom biokemisk omvandling av marint växtplankton, vars odling skulle ske i särskilda vattenbassänger.

Biometanol har ett antal potentiella fördelar:

• hög energiutdelning – 14 vid framställning av metan, 7 vid produktion av metanol;
• utmärkt produktivitet hos växtplankton – upp till 100 ton per hektar per år;
• encelliga organismers anspråkslöshet, som för odling inte kräver sötvatten eller bördig jord;
• bevarande av jordbruksresurser, eftersom växtplankton odlas i dammar eller havsvikar.

Även om industriell tillverkning av biometanol ännu inte är etablerad, pågår för närvarande intensiv forskning och teknikutveckling för att främja produktionen av denna typ av alternativt bränsle.

Biodiesel som alternativ till transportbränsle

Detta är ett flytande motorbränsle som består av en blandning av fettsyraestrar. Ämnet är ofarligt för människor och djur, bryts nästan helt ner i marken på 28 dagar och har en relativt hög (<100) antändningstemperatur.

Biodiesel minskar andelen skadliga avgaser och förlänger motorns livslängd eftersom den innehåller smörjande komponenter.

Bränslet används för att tanka bilmotorer både enskilt och i kombination med vanligt bränsle. Man bör bara beakta den korta hållbarheten för det biologiska ämnet: efter tre månader börjar nedbrytningen med fullständig förlust av egenskaper.

För biodiesel inom EU antogs den särskilda standarden EN14214. I flera länder gäller även standarden EN590, som tillåter tillsats av 5% biodiesel i annat bränsle.

Typ #3: gasformigt

De huvudsakliga varianterna av gasformigt biologiskt bränsle är biogas och bioväte.

Biogas som ersättning för naturgas

Biogas är en nästan fullständig analog till naturgas: den innehåller 13–50% CO_2, 49–87% metan samt föroreningar av H₂ och H₂S. Om detta ämne renas från koldioxid kan man få biometan.

Gasformigt biobränsle framställs från biomassa genom vätgas- eller metanjäsning. Den senare orsakas av tre typer av mikroorganismer: först behandlas råmaterialet med hydrolytiska bakterier, som sedan ersätts av syrabildande och metanbildande mikrober.

Biogasproduktion kan ske i industriella och hantverksmässiga anläggningar. Den vanligaste produktionsmetoden är anaerob rötning i metantankar.

Som råmaterial kan olika material användas: ensilage, gödsel, alger, avloppsvatten, spillning, fekalier, hushållsavfall. Det ursprungliga materialet bringas till ett homogent tillstånd och placeras därefter i en reaktor med hjälp av en lastare.

Där hålls en behaglig temperatur på +35–38°C, vilket är nödvändigt för att metanjäsningsprocessen ska äga rum.

Råmaterialet blandas ständigt, medan den bildade gasformiga produkten leds till en gashållare (lagringsenhet), varifrån den går till en elgenerator.

Mer om att få biogas från gödsel och inrättandet av en biogasanläggning finns i artiklarna:

1. Hur man tillverkar biobränsle själv från gödsel i hemmet
2. Biogasanläggning för privathem med egna händer: rekommendationer för konstruktion och exempel på egentillverkning

Bioväte framställt med kemisk metod

En variant av gasformigt biobränsle som är en analog till vanligt vätgas, framställs från biomassa med biokemiska eller termokemiska metoder.

Vid termokemisk metod värms det förberedda råmaterialet (t.ex. träavfall) till temperatur 500–800°C utan syretillgång, varvid gaserna H₂, CO, CH₄ frigörs.

En lovande metod för produktion av bioväte är biofotolys. I detta fall produceras gasen med hjälp av alger som placeras i havsvatten, avloppsvatten

Vid den biokemiska metoden hålls råmaterialet under bekväma förhållanden vid normalt tryck och en temperatur på cirka 30°C.

I biomassan tillsätts speciella mikroorganismer Enterobacter cloacae, Rodobacter speriodes, som bryter ned råmaterialet och avger väte. För att påskynda produktionen med användning av polysackarider är det tillåtet att tillsätta enzymer.

Slutsatser och användbar video om ämnet

I videon nedan kan du se tillverkningsprocessen för en populär typ av biobränsle – träbriketter:

Typer av biologiskt bränsle skiljer sig inte bara i aggregationstillstånd utan även i egenskaper. När du väljer sådana material måste du ta hänsyn till deras planerade användning, effektivitet, funktionella egenskaper och kostnad.

Har du erfarenhet av att använda alternativa bränslen? Eller vill du ställa frågor om biobränsle? Kommentera gärna inlägget och delta i diskussionerna. Återkopplingsblocket finns nedan.