Биобензин
Биобензин — это тип бензина, получаемый из биомассы , например, водорослей . Как и традиционно производимый бензин, он состоит из углеводородов, содержащих от 6 (гексан) до 12 (додекан) атомов углерода на молекулу, и может использоваться в двигателях внутреннего сгорания . Однако, в отличие от традиционных видов топлива на основе бензина/ нефти , которые в основном состоят из нефти, биобензины производятся из таких растений, как свекла и сахарный тростник , или из целлюлозной биомассы – веществ, обычно называемых растительными отходами. [1]
Биотопливо чаще всего применяется к продукту, полученному из смешанного вещества биомассы, называемому сырьем. Биомасса носит абстрактный характер и используется для производства бензина, который генерирует чистые нулевые выбросы углерода посредством процесса, называемого газификацией. Существует множество различных методов производства этого топлива; однако определение оптимального маршрута газификации для применения конкретного сырья или биомассы зависит от экспериментов, проб и ошибок. [2]
Биобензин химически отличается от обычных биотоплив, таких как биобутанол и биоэтанол , поскольку эти вещества являются спиртами, однако химически подобен биодизельным веществам, которые дополнительно производятся из углерода.
Биодизель
[ редактировать ]
Производится два основных типа биотоплива: этанол и биодизель.
Биодизель – это жидкое топливо, состоящее из растительных масел и/или животных жиров. Для создания самого бензина эти последующие жидкости соединяют со спиртом. Биодизель используется в качестве топлива для двигателей с воспламенением от сжатия, также известных как дизельные двигатели. Наиболее распространенным продуктом биодизеля является B20, смесь 20:80: 20% биодизельного топлива и 80% нефтяного дизельного топлива. Однако биодизель является гибким по своей природе и может сочетаться с нефтяным дизельным топливом на различных уровнях. По состоянию на 2021 год биодизель станет вторым по величине активом потребления и производства биотоплива, его доля в целом составит 23%. [3]
Этанол
[ редактировать ]
Топливо на основе этанола производится из многочисленных растений и их соответствующей биомассы и в основном используется в качестве примеси спирта. Когда эти вещества соединяются, давление, при котором сгорает топливо, иначе называемое октановым числом, увеличивается. [4] Этанол борется с побочными продуктами, вырабатываемыми многими современными транспортными средствами, такими как окись углерода, оксиды азота и летучие органические соединения . [5] Большинство бензинов на этаноле относятся к категории E10 или E15, однако в некоторых автомобилях допускается использование других конфигураций этанола. [6] [7]
Благодаря своему составу и универсальности на долю этанола приходилось примерно 83% потребления и производства биотоплива в США в 2021 году.
Структура и свойства
[ редактировать ]Структура биодизеля
[ редактировать ]
Подобно другим бензиновым структурам, биодизель построен на основе углеводородов. BG100, или 100% биобензин, разработан таким образом, что его можно сразу использовать в качестве замены бензина, полученного из нефти , в любом обычном бензиновом двигателе , в отличие от этанола. Кроме того, химическое сходство биобензина позволяет ему полностью смешиваться с обычным бензином и может распространяться в той же заправочной инфраструктуре, поскольку его свойства соответствуют традиционному бензину из нефти. [8] Биодизель используется в современных двигателях, автомобильных системах и соответствующих продуктах и требует небольшого процента повышения октанового числа, чтобы соответствовать бензину.
Структура этанола
[ редактировать ]Чтобы произвести этанол, он, вероятно, будет участвовать в процессе ферментации. Большинство форм этанола, обнаруженных в Соединенных Штатах, представляют собой кукурузный крахмал или растительный крахмал и сахара, которые затем должны метаболизироваться микроорганизмами для производства этанола. [9] Эти микроорганизмы включают различные бактерии и дрожжи. Топливо на основе этанола ( E85 ) требует специализированных топливных систем и имеет более низкую энергию сгорания и соответствующую экономию топлива . [10]
Сравнение биобензина с другими распространенными видами топлива
[ редактировать ]| Топливо [11] | Плотность энергии МДж/л | Воздух-топливо соотношение | Удельная энергия МДж/кг | Теплота испарения МДж/кг | РОН | МОЙ |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Бензин | 34.6 | 14.6 | 46.9 | 0.36 | 91–99 | 81–89 |
| Бутаноловое топливо | 29.2 | 11.2 | 36.6 | 0.43 | 96 | 78 |
| Этаноловое топливо | 24.0 | 9.0 | 30.0 | 0.92 | 129 | 102 |
| Метаноловое топливо | 19.7 | 6.5 | 15.6 | 1.2 | 136 | 104 |
Производство
[ редактировать ]Производство биобензина
[ редактировать ]
В конце марта 2010 года компания Virent Energy Systems, Inc. в Мэдисоне, штат Висконсин, запустила первую в мире демонстрационную установку по производству биобензина. [12] В 2001 году Вирент открыл и разработал метод под названием «Реформинг водной фазы» (APR). APR включает такие процессы, как риформинг с получением водорода, дегидрирование спиртов/гидрирование карбонилов, реакции дезоксигенирования, гидрогенолиз и циклизация. [13]
Исходным материалом для APR является углеводный раствор, полученный из растительного материала, а продукт представляет собой смесь химикатов и кислородсодержащих углеводородов . Оттуда материалы проходят дальнейшую традиционную химическую обработку, чтобы получить конечный результат: смесь бескислородных углеводородов. Эти углеводороды являются теми же углеводородами, которые содержатся в нефтяном топливе, поэтому современные автомобили не нужно переделывать для работы на биобензине. Разница лишь в происхождении.
Производство биодизеля
[ редактировать ]Дизельное топливо состоит из линейных углеводородов. Это длинные прямые цепи атомов углерода, которые отличаются от более коротких разветвленных углеводородов, из которых состоит обычный бензин.
В эксперименте 2014 года, проведенном в Калифорнийском университете в Дэвисе, исследователи использовали в качестве сырья левулиновую кислоту для создания биобензина. [14] Левулиновая кислота получается из целлюлозного материала, такого как стебли кукурузы, солома или другие растительные отходы, и ее не нужно подвергать ферментации. Сообщается, что процесс производства топлива недорог и обеспечивает выход более 60 процентов. [15]
Исследовать
[ редактировать ]Исследования проводятся как в академическом, так и в частном секторах.
Академический
[ редактировать ]Политехнический институт и Государственный университет Вирджинии исследуют производство стабильного биобензина на нынешних нефтеперерабатывающих заводах. Их внимание было сосредоточено на сроке годности биомасла. Для удаления примесей из перерабатываемых растительных сахаров применялось использование катализаторов. Исследователи увеличили время с трех месяцев до более года. [16]
Исследователи Университета штата Айова используют в своей практике тип ферментации. Сначала они образуют газовую смесь, а затем пиролизуют ее. Результатом пиролиза является бионефть, часть которой с высоким содержанием сахара ферментируется и перегоняется с получением воды и этанола, а часть с высоким содержанием ацетата разделяется на биобензин, воду и биомассу. [17]
Исследователи Принстонского университета из лаборатории Хосе Авалоса представили новое светящееся биотопливо в январе 2022 года. Этот процесс представляет собой мощный и эффективный инструмент разделения штаммов дрожжей; вместо ферментации и обработки нескольких культур в течение 24–48 часов каждую минуту образуются тысячи дрожжевых пятен. [18]
Частный
[ редактировать ]Компания Virent Energy Systems, Inc. совместно с Marathon Petroleum разработала технологию переработки растительного сахара из пшеничной соломы, стеблей кукурузы и пульпы сахарного тростника в биобензин. Сахара преобразуются в углеводороды, аналогичные тем, которые содержатся в обычном бензине, с помощью катализаторов. [19]
История биотоплива
[ редактировать ]Потребление и производство биотоплива играет важную роль в бензиновой экономике с начала 1980-х годов. [20] Совсем недавно компании и организации, такие как федеральная программа по стандартизации возобновляемого топлива (RFS) и калифорнийское хранилище низкоуглеродистого топлива, выступили с инициативами по продвижению использования биотоплива и сокращению использования бензина на основе ископаемого топлива. [21] Более того, в 2016 году Законодательное собрание штата Орегон приняло Программу чистого топлива (CPF), управляемую Комиссией Департамента качества окружающей среды, а в январе 2023 года — свою собственную программу в Вашингтоне. [22] Другие места, где, как известно, создали свою собственную программу чистого топлива, включают Калифорнию и Британскую Колумбию. [23]
Экономическая жизнеспособность и будущее
[ редактировать ]Одной из основных проблем экономической жизнеспособности биобензина является высокая первоначальная стоимость. [24] Другой вариант — налоговые льготы : правительство предоставляет налоговые льготы для этанолового топлива, но еще не предоставило налоговые льготы для биобензина. [25] Если бы биобензин стал серьезной альтернативой, большой процент существующих пахотных земель был бы переоборудован под выращивание сельскохозяйственных культур исключительно для производства биобензина. Это может уменьшить количество земель, используемых для выращивания продуктов питания для потребления человеком, и может уменьшить общий объем сырья. [25]
Хотя могут возникнуть проблемы с экономической жизнеспособностью биобензина, партнерство между Royal Dutch Shell и Virent Energy Systems, Inc., бионаучной фирмой, базирующейся в Мэдисоне, штат Висконсин, по дальнейшим исследованиям биобензина, является обнадеживающим знаком для будущего биобензина. [26] Компании разрабатывают новые подходы: берут триглицериды и посредством процесса деоксигенации и риформинга (крекинг, изомеризация, ароматизация и производство циклических молекул) производят биобензин. Этот биобензин должен соответствовать химическим, кинетическим характеристикам и характеристикам сгорания своего нефтяного аналога, но с гораздо более высоким октановым числом. Другие применяют аналогичные подходы, основанные на гидроочистке или использовании древесной биомассы и ферментативных процессов. [26]
Более того, страны принимают политику, которая увеличивает использование биобензина. Это помогает ограничить использование ископаемого топлива и обеспечить большую энергетическую независимость . [26] Текущие усилия этого партнерства сосредоточены на совершенствовании технологии и обеспечении ее доступности для крупномасштабного производства. [26]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Биоформинг» . Вирент Энерджи Системс Инк. 2011.
- ^ Хиль, Мария (10 мая 2023 г.). " "Биомасса в энергию: модель машинного обучения для оптимальных путей газификации" " . ChemRxiv .
- ^ «Биотопливо объяснило – Управление энергетической информации США (EIA)» . www.eia.gov . Проверено 14 ноября 2023 г.
- ^ «Основы биотоплива» . Energy.gov.ru . Проверено 16 ноября 2023 г.
- ^ «Основы биотоплива» . Energy.gov.ru . Проверено 14 ноября 2023 г.
- ^ «Основы биотоплива» . Energy.gov.ru . Проверено 16 ноября 2023 г.
- ^ «Основы биотоплива» . Energy.gov.ru . Проверено 14 ноября 2023 г.
- ^ ЛаМоника, Мартин (14 января 2008 г.). «Новый энергетический акт, направленный на подпитку потока «биобензина» » . CNET . CBS Interactive Inc.
- ^ «Превращение сахара в бензин» . Биобензин БГТ . 2006.
- ^ «Основы биотоплива» . Energy.gov.ru . Проверено 14 ноября 2023 г.
- ^ «Центр данных по альтернативным видам топлива: сравнение свойств топлива» . afdc.energy.gov . Проверено 17 ноября 2023 г.
- ^ Ондри, Джеральд (май 2010 г.). «Этот новый процесс позволяет производить биобензин из углеводов». Химическая инженерия .
- ^ Компания «Вирент, Инк» . www.virent.com . Проверено 16 ноября 2023 г.
- ^ «Биобензин может присоединиться к биодизельному топливу на насосах» . Новый Атлас . 07.02.2014 . Проверено 16 ноября 2023 г.
- ^ Коксворт, Бен (6 февраля 2014 г.). «Биобензин может присоединиться к биодизельному топливу на насосах» . Новый Атлас . ООО "Гизмаг Пти"
- ^ Делунг, Джошуа. «Превращение остатков деревьев в биобензин» . Energy.gov.ru . Правительство Соединенных Штатов . Проверено 1 декабря 2011 г.
- ^ «Программа гибридной обработки» . Веб-сайт Университета штата Айова . Университет штата Айова. Архивировано из оригинала 10 декабря 2012 года . Проверено 1 декабря 2011 г.
- ^ «Princeton Engineering – Светящиеся дрожжи прокладывают путь к более качественному биотопливу» . Принстон Инжиниринг . Проверено 16 ноября 2023 г.
- ^ «Virent и Shell запускают первый в мире завод по производству биобензина» . Virent Energy Systems Inc., 23 марта 2010 г. Архивировано из оригинала 25 июня 2016 г. . Проверено 1 декабря 2011 г.
- ^ «Биотопливо объяснило – Управление энергетической информации США (EIA)» . www.eia.gov . Проверено 14 ноября 2023 г.
- ^ «Биотопливо объяснило – Управление энергетической информации США (EIA)» . www.eia.gov . Проверено 14 ноября 2023 г.
- ^ «Познакомьтесь с программой чистого топлива штата Орегон – выгода США» . www.usgain.com . 06.08.2020 . Проверено 14 ноября 2023 г.
- ^ «Стандарт чистого топлива - Департамент экологии штата Вашингтон» . ecology.wa.gov . Проверено 14 ноября 2023 г.
- ^ Айлот, Мэтью (24 сентября 2010 г.). «Забудьте о пальмовом масле и сое: микроводоросли станут следующим крупным источником биотоплива» . Эколог . Проверено 22 ноября 2011 г.
- ^ Jump up to: а б Внокуров В.А.; А.В. Барков; Л. М. Краснопольская; Е. С. Мортиков (2 ноября 2010 г.). «Актуальные проблемы. Технология альтернативных видов топлива». Химия и технология топлив и масел . 46 (2): 75–78. дои : 10.1007/s10553-010-0190-y .
- ^ Jump up to: а б с д Клэнтон, Бретт (3 апреля 2008 г.). «Биобензин: куча потенциала» . Звездная Трибьюн . Проверено 16 ноября 2023 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]Научно-исследовательские институты
[ редактировать ]- Преодолев химические и инженерные барьеры на пути к лигноцеллюлозному биотопливу. Архивировано 28 декабря 2019 г. в Wayback Machine : список участников семинара.
| Биотопливо | |
|---|---|
| Энергия из продовольствие | |
| Непродовольственные товары энергетические культуры | |
| Технология | |
| Концепции | |
