Typer af biobrændstof: sammenligning af egenskaber for fast, flydende og gasformigt brændstof

Et alternativ til traditionelle energiressourcer er forskellige typer biobrændsel, til fremstillingen heraf anvendes plante- eller animalske råstoffer, industriaffald og restprodukter fra organismers livsprocesser.

Vi tilbyder at afdække fordele og ulemper ved anvendelse af sådant brændstof, lære om produktionskarakteristika, funktionelle egenskaber samt vurdere effektiviteten af brugen af forskellige typer biologisk brændsel. Den angivne information vil hjælpe med at orientere sig i valget af alternative energikilder.

Hvad er biologisk brændsel

Den mest lovende retning inden for energi er teknologier, der indebærer brug af vedvarende ressourcer, herunder biologisk brændsel.

Den mest udbredte type biologisk brændsel er almindeligt brænde. 38% af jordens befolkning bruger det til opvarmning og madlavning

Som råmateriale til produktionen kan man anvende biomasse af plante- eller animalsk oprindelse, herunder industriaffald eller restprodukter fra dyrs liv.

Behandlingen af disse stoffer foregår ved termokemisk eller biologisk metode; i sidstnævnte tilfælde opnås brændstoffet ved hjælp af forskellige typer mikroorganismer.

Andelen af biobrændstoffer i brug stiger hele tiden, hvilket bidrager til at bevare de fossile kulbrinteressourcer (+).

I mange lande findes der særlige programmer for at øge andelen af biobrændstof i det nationale og regionale energiforbrug. I en række lande er der også obligatoriske krav til anvendelsen af denne energikilde.

Fordele og ulemper ved biobrændsel

Biologiske brændstoffer har deres egne positive og negative sider. Interessen for at bruge denne type råvare skyldes dens utvivlsomme fordele.

De omfatter:

• Budgetvenlig pris. Selvom priserne på biobrændstof i øjeblikket næsten matcher benzinprisen, betragtes biostoffer som en mere fordelagtig brændstoftype, da de ved forbrænding producerer færre emissioner. Biobrændstof kan anvendes under forskellige forhold og kan tilpasses motorer af forskellige konstruktioner. En yderligere fordel er en optimering af motorens drift, idet den forbliver renere længere takket være den lave mængde sod og udstødningsgasser.
• Mobilitet. Biobrændstof adskiller sig fra andre alternative energikilder ved sin mobilitet. Sol- og vindanlæg indeholder normalt tunge akkumulatorbatterier, så de anvendes oftest stationært, mens biobrændstof uden større besvær kan transporteres fra én region til en anden.
• Vedvarende energikilde. Selvom forskere mener, at de eksisterende forekomster af råolie vil række i mindst flere hundrede år, er de fossile reserver alligevel begrænsede. Biobrændstof, der fremstilles af planter og affaldsprodukter fra dyr, hører til de vedvarende ressourcer, som i en overskuelig fremtid ikke risikerer at forsvinde.
• Beskyttelse af jordens atmosfære. En stor ulempe ved traditionelle kulbrinter er den høje andel CO₂, der frigives ved forbrænding. Denne gas skaber drivhuseffekt i vores planets atmosfære, hvilket skaber betingelser for global opvarmning. Ved forbrænding af biologiske stoffer reduceres mængden af kuldioxid til 65 %. Desuden optager de afgrøder, der bruges til biobrændstofproduktion, kulilte, hvilket mindsker koncentrationen i luften.
• Økonomisk sikkerhed. Kulbrintereserverne er ujævnt fordelt, så nogle stater er tvunget til at købe olie eller naturgas, hvilket medfører store udgifter til køb, transport og opbevaring. Forskellige typer biobrændstof kan produceres i stort set alle lande. Da fremstilling og forarbejdning kræver oprettelse af nye virksomheder og dermed arbejdspladser, vil det gavne den nationale økonomi og have en positiv indvirkning på befolkningens velfærd.

Forbedring af teknologier og udvikling af nye metoder kan forstærke biobrændstoffets positive effekt. For eksempel vil udvikling af teknologier, der bruger plankton og alger, kunne reducere prisen betydeligt.

Samtidig er produktionen af biobrændstof på den nuværende udviklingstrin inden for videnskab og teknologi forbundet med en række vanskeligheder og ulemper. Først og fremmest er der naturlige begrænsninger i dyrkningen af planter.

For dyrkning af afgrøder, der bruges til produktion af biomasse, skal der tages hensyn til en række faktorer, nemlig:

• Vandforbrug. Landbrugsplanter bruger meget vand, som er en begrænset ressource, især i tørre områder.
• Invasivitet. Afgrøder dyrket til brændstof er ofte aggressive. De kvæler den autentiske flora, hvilket kan skade biodiversiteten og økosystemet i regionen.
• Gødning. Mange planter kræver tilførsel af ekstra næringsstoffer, som kan skade andre afgrøder eller det samlede økosystem.
• Klima. Visse klimazoner (f.eks. ørken eller tundra) er ikke egnede til dyrkning af biobrændstofafgrøder.

Aktiv dyrkning af landbrugsplanter er også forbundet med udtømning af landbrugsressourcer. Manglende overholdelse af agrotekniske regler kan føre til et fald i indholdet af nyttige komponenter i jorden og dermed til udtømning, hvilket vil forværre fødevareproblemet.

Der sker en forstyrrelse af økosystemet. Til produktion af biomasse kræves der normalt en udvidelse af de områder, der anvendes til landbrug.

Ofte foretages der rydning af området til dette formål, hvilket fører til ødelæggelse af mikroøkosystemet (f.eks. skov), død af planter og dyr.

Der dyrkes allerede en stor mængde landbrugsafgrøder til produktion af biobrændstof. Mere end 50% af den europæiske raps, mere end en tredjedel af det amerikanske korn og næsten halvdelen af det brasilianske sukkerør går til biomasseproduktion.

Der opstår problemer med dyrkning af monokulturer. For at opnå et større udbytte af biomasse sår producenterne ofte jorden med en bestemt plante. Denne praksis har ikke en særlig god indvirkning på landbrugsarealernes tilstand, da monokultur fører til ændringer i miljøet.

På marker, der er besat med én type plante, parasiterer der normalt særlige skadedyr. Forsøg på at bekæmpe dem med insekticider og pesticider fører kun til udvikling af resistens over for disse midler.

For at undgå ovennævnte problemer anbefaler forskere ikke at forsømme biodiversiteten af afgrøder ved at kombinere flere planter på markerne, samt at bruge lokale plantesorter.

Generationer af alternativt brændstof

Det brede udvalg af plantemateriale, der bruges til biomasse, opdeles normalt i flere generationer.

Første generation. I denne kategori findes landbrugsafgrøder med et højt indhold af stivelse, sukker og fedt. Det er populære planter som majs, sukkerroer, raps og soja.

Da dyrkning af disse afgrøder skader klimaet, og deres fjernelse fra markedet påvirker prissætningen af fødevarer, forsøger forskere at erstatte dem med andre typer biomasse.

Af landbrugsplanter, der tilhører første generations råmateriale, fremstilles i dag næsten alle former for moderne flydende brændstof (biodiesel, ethanol).

Anden generation. Biomassegruppen omfatter træ, græs og landbrugsaffald (skaller, avner). Fremstilling af biobrændsel fra sådant råmateriale kræver store omkostninger, men gør det muligt at løse problemet med bortskaffelse af ikke-fødevarerester samtidig med produktion af brændbare materialer.

Det karakteristiske ved afgrøder i denne kategori er tilstedeværelsen af lignin og cellulose. Takket være dem kan biomasse forbrændes og forgasses samt pyrolyseres for at opnå flydende brændstof.

Den største ulempe ved anden generations biomasse anses for at være utilstrækkeligt udbytte pr. arealenhed, hvilket betyder, at der skal afsættes betydelige jordressourcer til sådanne afgrøder.

Tredje generation. Råmaterialet til produktion af biobrændsel er alger, der dyrkes i industriel skala, for eksempel i åbne vandområder.

Den mest lovende mulighed anses for at være biobrændsel fremstillet af encellede alger. Sådanne planter vokser hurtigt i masse, og der kræves ikke frugtbar jord til dyrkning.

En sådan praksis har store perspektiver, men i øjeblikket er sådanne teknologier kun under udvikling. Forskere udfører også forskning for at skabe metoder, der muliggør produktion af biobrændsel af fjerde og endda femte generation.

Tre typer biobrændsel

Afhængigt af stoffets aggregeringstilstand skelner man mellem tre hovedtyper af biobrændsel:

1. Fast: brænde, tørv, affald fra dyrehold og landbrugsproduktion.
2. Flydende: biodiesel, dimetylether, bioethanol, biobutanol.
3. Gasformige: biogas, metan, biobrint.

Hver type stof har sin egen specifikation, som vil blive omtalt nedenfor.

Type #1: fast

Blandt de mest populære faste former for biobrændsel er træ, tørv og animalske affaldsprodukter.

Træ (brænde, flis, savsmuld)

En gammel type biobrændsel er det velkendte brænde, som i århundreder er blevet brugt til opvarmning af hjem og madlavning. Det bruges stadig aktivt i mange lande til at producere varme/electricitet; for eksempel drives et stort østrigsk varmekraftværk på brænde, med en effekt på 66 megawatt.

Samtidig har dette råmateriale ulemper. Brændes energiværdi er relativt lav: ved forbrænding afsættes en del af stoffet som sod, hvilket gør det nødvendigt at rense skorstene og ovne regelmæssigt. Desuden kræver det en vis tid at genopbygge trælagrene – nye træer vokser først efter 15-20 år.

Et godt alternativ til almindeligt brænde er pellets (granulat), som produceres af dårligt træ: bark, flis, presset savsmuld, grene.

Pellets fremstillet af træ, tørv og forskellige affaldsprodukter har forskellige farver. Lyse anvendes til brænding i pejse og ovne, mens mørke med højt barkindhold er beregnet til fastbrændselskedler.

Til fremstilling af brændselspellets formales råmaterialet til støv, som derefter tørres og presses ved høj temperatur. På grund af ligninindholdet i træ dannes en klæbrig masse, hvorfra der formes små cylindre med længde 5-70 mm og diameter 6-10 mm.

Et moderne alternativ til traditionelt brænde er brændselsbriketter med fire-, seks- eller ottekantet form. Dette miljøvenlige materiale har høj varmeafgivelse.

Man kan selv etablere pelletproduktion ved at fremstille en presse til brændselsbriketter.

Blandt populære typer biobrændsel er træflis, som ofte bruges som energikilde på europæiske kraftvarmeværker. Dette råmateriale produceres ved skovning eller på specielle produktionslinjer udstyret med shreddermaskiner.

Mose- og skovbrændselstørv

Det er en almindelig type biobrændsel, der har været brugt til husholdnings- og industrielle formål i århundreder. Tørv er et lag mos, der ikke er fuldstændigt nedbrudt under sumpforhold, og udvindes i mange lande: Rusland, Hviderusland, Canada, Sverige, Indonesien og andre.

Tørv, der indeholder 50-60% kulstof, anses for at være et populært gasførende materiale. Dette værdifulde råmateriale kan ikke kun bruges som brændsel, men også som gødning eller varmeisolator.

For at gøre produktionsprocessen bekvem behandles biomasse normalt på udvindingsstedet. Processen består i rensning (sigtning) af råmaterialet for fremmedlegemer, efterfulgt af tørring og formning til briketter eller pellets.

Brændstof fra landbrugsaffald

I landbrugsproduktionen ophobes der typisk en stor mængde forskellige plantrester: planternes ydre skaller, nøddeskaller, halm.

Sådant råmateriale kan også presses og pelleteres for at opnå brændselspelets, hvis egenskaber næsten ikke adskiller sig fra pellets fremstillet af træbiomasse.

Biobrændstof af animalsk oprindelse

Sammen med brænde begyndte folk allerede i oldtiden at anvende brændstof af animalsk oprindelse, nemlig kisjak – tørret gødning fra husdyr. Moderne teknologi til tørring og behandling af sådant råmateriale gør det muligt at opnå faste former for biobrændstof, der er helt uden ubehagelig lugt.

Siden gamle dage har nomadiske folk brugt tørret gødning fra heste, kameler og kvæg som brændsel. I dag fremstilles biobrændstof i form af briketter eller pellets af husdyrafald.

Da husdyrbrugsaffald i dag ophobes i industriel skala, løser fremstillingen af brændstof heraf samtidig problemet med bortskaffelse.

Type #2: flydende

Flydende varianter af biobrændstof, som er sikre og miljøvenlige, bruges mest som erstatning for benzin og lignende. Til de mest almindelige varianter hører bioethanol, biometanol, biobutanol, biodiesel, dimethylether.

Bioethanol fra plantekulturer

Dette er et almindeligt flydende biobrændstof, der bruges til at tanke biler. Selvom det rene stof ikke anvendes som brændstof, bidrager tilsætning til benzin til at forbedre motorens ydeevne, øge dens effekt, kontrollere motoropvarmning og reducere udstødningsemissioner.

På mange tankstationer i Europa, Asien, Nord- og Sydamerika tilbydes ikke kun traditionelt brændstof, men også forskellige typer biobrændstof, især blandinger med bioethanol.

Bioethanol er også blevet værdsat af pejseentusiaster. Stoffet har god varmeafgivelse, og ved forbrænding dannes der ikke sod eller røg, og mængden af udledt kuldioxid minimeres.

Takket være disse egenskaber kan brændstoffet endda bruges til at fyre i ildsteder i etageejendomme. Mere om biobrændstof til pejse er beskrevet i denne artikel.

Produktionen af bioethanol sker fra første generations råmaterialer, der indeholder stivelse eller sukker. Korn, majs, sukkerrør, roer forarbejdes ved alkoholfermentering.

Biobutanol til tankning af biler

Biobutanol – en biologisk fremstillet analog til butanol. En farveløs væske med en karakteristisk lugt, der anvendes bredt som kemisk råmateriale i industrien og også kan bruges som transportbrændstof.

Butanolens energitæthed er tæt på benzinens, hvilket gør det muligt delvist at erstatte sidstnævnte i brændselsceller. I modsætning til bioethanol kan biobutanol anvendes alene, uden tilsætning af traditionelle brændstoftyper.

Råmaterialet til produktion af dette biostof er en lang række planter: roer, maniok, hvede, majs.

Dimethyl Ether (C₂H₆O)

Det er også et miljøvenligt brændstof. Ved forbrænding er der ingen svovlforbindelser i udstødningsgasserne, og indholdet af kvælstofstoffer er 90% lavere end ved forbrænding af benzin.

Dimethylether kan anvendes uden specielle filtre, men bilens konstruktion (brændstofsystem, motorantænding) skal undergå grundlæggende ændringer.

Dimethylether betragtes som en lovende mulighed for bilbrændstof. Køretøjer med motorer designet til dette brændstof udvikles af store virksomheder som Volvo, SAIC Motor, KAMAZ, Nissan.

Uden nogen ombygning kan der anvendes et kombineret brændstof, der indeholder 30% dimethylether i køretøjer udstyret med LPG-motorer.

Flydende brændstof kan fremstilles af forskellige råmaterialer: naturgas, kulstøv, biomasse og frem for alt fra restprodukter fra papirmasse- og papirproduktion, der omdannes til væske ved lavt tryk.

Biometanol fra encellede alger

Dette stof er en analog til almindelig methanol, som anvendes bredt til fremstilling af en række kemiske forbindelser (eddikesyre, formaldehyd) og også bruges som frostvæske og opløsningsmiddel.

Spørgsmålet om produktion af denne type biobrændstof blev først rejst i 1980'erne, da en gruppe forskere foreslog at fremstille en flydende substans ved biokemisk transformation af marint fytoplankton, som vil blive dyrket i specielle bassiner.

Biometanol har en række potentielle fordele:

• høj energiudbytte – 14 ved fremstilling af metan, 7 ved produktion af methanol;
• fremragende produktivitet af fytoplankton – op til 100 ton pr. hektar om året;
• ufordringskrævende encellede organismer, for hvis dyrkning der ikke er brug for ferskvand eller frugtbar jord;
• bevarelse af landbrugsressourcer, da fytoplankton dyrkes i damme eller havbugter.

Selvom industriel produktion af biometanol endnu ikke er etableret, foregår der i øjeblikket intensive forsknings- og udviklingsaktiviteter for at fremme produktionen af denne alternative brændstoftype.

Biodiesel som alternativ til transportbrændstof

Dette er et flydende motorbrændstof, der består af en blanding af fedtsyreestere. Stoffet er sikkert for mennesker og dyr, nedbrydes næsten fuldstændigt i jorden på 28 dage og har en relativt høj (<100) antændelsestemperatur.

Biodiesel reducerer procentdelen af skadelige udstødningsgasser og forlænger motorens levetid, da det indeholder smørekomponenter.

Brændstoffet bruges til at tanke bilmotorer både alene og i kombination med almindeligt brændstof. Man skal blot være opmærksom på den korte holdbarhed af det biologiske stof: efter tre måneder begynder nedbrydningen, og stoffet mister fuldstændigt sine egenskaber.

For biodiesel er der i EU-landene vedtaget en særlig standard EN14214. I flere lande gælder også standarden EN590, som tillader tilsætning af 5% biodiesel til andet brændstof.

Type #3: gasformigt

De vigtigste typer af gasformigt biobrændstof er biogas og biobrint.

Biogas som erstatning for naturgas

Biogas er næsten en fuldstændig analog til naturgas: det indeholder 13-50% CO_2, 49-87% metan samt urenheder H₂ og H₂S. Hvis dette stof renses for kuldioxid, kan man få biometan.

Gasformigt biobrændstof fremstilles af biomasse ved hjælp af hydrogen- eller metangæring. Sidstnævnte forårsages af tre typer mikroorganismer: først udsættes råmaterialet for hydrolytiske bakterier, som derefter afløses af syredannende og metandannende mikrober.

Produktion af biogas kan foregå på industrielle og husflidsanlæg. Den mest almindelige produktionsmetode er anaerob udrådning i metantanke.

Som råmateriale kan anvendes forskellige materialer: ensilage, gødning, alger, spildevand, afføring, fækale rester, husholdningsaffald. Det oprindelige stof gøres homogent, hvorefter det med en læssemaskine placeres i reaktoren.

Der opretholdes en behagelig temperatur på +35-38°C, som er nødvendig for at gennemføre metangæringsprocessen.

Råmaterialet omrøres konstant, og det dannede gasformige produkt ledes til en gasbeholder (opbevaringsenhed), hvorfra det går til elgeneratoren.

Mere om fremstilling af biogas fra gødning og opbygning af et biogasanlæg er beskrevet i artiklerne:

1. Sådan laver du selv biobrændstof af gylle derhjemme
2. Biogasanlæg til dit hus: gør det selv med anbefalinger og eksempel

Biobrint fremstillet ved kemisk metode

En variant af gasformigt biobrændstof, som er en analog til almindelig brint, fremstilles af biomasse ved hjælp af biokemiske eller termokemiske metoder.

Ved den termokemiske metode opvarmes det forberedte råmateriale (f.eks. træaffald) til en temperatur på 500-800°C uden ilttilførsel, hvorved gasserne H₂, CO, CH₄ frigives.

En lovende metode til produktion af biobrint er biofotolyse. Her produceres gassen ved hjælp af alger, som placeres i havvand, spildevand

Ved den biokemiske metode opbevares råmaterialet under behagelige forhold ved normalt tryk og en temperatur på cirka 30°C.

I biomassen tilsættes specielle mikroorganismer Enterobacter cloacae, Rhodobacter sphaeroides, som nedbryder råmaterialet og frigiver brint. For at fremskynde produktionen ved hjælp af polysaccharider er det tilladt at tilsætte enzymer.

Konklusioner og nyttig video om emnet

I videoen nedenfor kan du se fremstillingsprocessen for en populær type biobrændsel – træbriketter:

Typer af biobrændsel adskiller sig ikke kun i aggregeringstilstand, men også i egenskaber. Når du vælger sådanne materialer, skal du tage hensyn til deres tilsigtede anvendelse, effektivitet, funktionelle egenskaber og pris.

Har du erfaring med brug af alternativt brændstof? Eller vil du stille spørgsmål om biobrændsel? Kommentér venligst indlægget og deltag i diskussionerne. Feedback-sektionen findes nedenfor.