Tipologie di biocarburanti: confronto tra le caratteristiche dei combustibili solidi, liquidi e gassosi

Un'alternativa alle risorse energetiche tradizionali sono vari tipi di biocarburanti, la cui produzione utilizza materie prime vegetali o animali, rifiuti industriali e risultati dell'attività vitale degli organismi.

Offriamo di comprendere i vantaggi e gli svantaggi dell'utilizzo di tale combustibile, scoprire le caratteristiche di produzione, le caratteristiche funzionali e anche valutare l'efficacia dell'utilizzo di diversi tipi di combustibile biologico. Le informazioni fornite ti aiuteranno a orientarti nella scelta di fonti alternative di risorse energetiche.

Cos'è il biocarburante

La direzione più promettente nel settore energetico sono le tecnologie che implicano l'uso di risorse rinnovabili, tra cui il combustibile biologico.

Il tipo più comune di combustibile biologico è la normale legna da ardere. Il 38% della popolazione mondiale li utilizza per riscaldarsi e cucinare

Come materia prima per la sua produzione, si possono prendere biomasse di origine vegetale/animale, compresi scarti industriali o animali.

La lavorazione di tali sostanze viene effettuata con metodi termochimici o biologici; in quest'ultimo caso il combustibile si ottiene utilizzando vari tipi di microrganismi.

La quota di utilizzo dei combustibili biologici è in costante crescita, il che contribuisce alla conservazione delle risorse di idrocarburi fossili (+)

Molti paesi hanno programmi speciali per espandere la quota di biocarburanti nel consumo energetico nazionale e regionale. Numerosi stati hanno anche norme obbligatorie per l'uso di questa fonte di energia.

Vantaggi e svantaggi dei biocarburanti

I combustibili biologici hanno i loro lati positivi e negativi. L'interesse per l'uso di questo tipo di materia prima è causato dai suoi indubbi vantaggi.

Questi includono:

• Costo di bilancio. Sebbene al momento i prezzi dei biocarburanti siano quasi uguali a quelli della benzina, le sostanze biologiche sono considerate un tipo di carburante più redditizio perché producono meno emissioni quando vengono bruciate. Il biocarburante è adatto all'uso in varie condizioni e può essere adattato a motori di diversa concezione. Un altro vantaggio è l'ottimizzazione del funzionamento del motore, che rimane pulito più a lungo grazie alla ridotta quantità di fuliggine e gas di scarico.
• Mobilità. Il carburante biologico differisce da altre fonti energetiche alternative per la sua trasportabilità. Le installazioni solari ed eoliche di solito includono batterie pesanti, quindi sono spesso utilizzate in modo permanente, mentre i biocarburanti possono essere trasportati da una regione all’altra senza troppi problemi.
• Fonte di energia rinnovabile. Sebbene i ricercatori ritengano che i depositi di petrolio greggio esistenti dureranno almeno per diverse centinaia di anni, le riserve fossili sono ancora limitate. I biocarburanti, ricavati da piante e rifiuti animali, sono tra le risorse rinnovabili che non corrono il rischio di scomparire nel prossimo futuro.
• Proteggere l'atmosfera terrestre. Uno dei principali svantaggi degli idrocarburi tradizionali è l’elevata percentuale di CO₂, che viene rilasciato quando viene bruciato. Questo gas crea un effetto serra nell'atmosfera del nostro pianeta, creando le condizioni per il riscaldamento globale. Quando le sostanze biologiche vengono bruciate, la quantità di anidride carbonica si riduce al 65%. Inoltre, le colture utilizzate nella produzione di biocarburanti consumano monossido di carbonio, riducendone la quota nell’aria.
• Sicurezza economica. Le riserve di idrocarburi sono distribuite in modo non uniforme, quindi alcuni stati sono costretti ad acquistare petrolio o gas naturale, spendendo ingenti somme di denaro per l’acquisizione, il trasporto e lo stoccaggio. In quasi tutti i paesi è possibile produrre diversi tipi di combustibile biologico. Poiché la sua produzione e lavorazione richiederanno la creazione di nuove imprese e, di conseguenza, di posti di lavoro, ciò andrà a beneficio dell’economia nazionale e avrà un impatto positivo sul benessere delle persone.

Il miglioramento della tecnologia e lo sviluppo di nuovi metodi possono aumentare gli effetti positivi dei biocarburanti. Pertanto, lo sviluppo di tecnologie che utilizzano plancton e alghe ne ridurrà significativamente il prezzo.

Allo stesso tempo, nell'attuale fase di sviluppo della scienza e della tecnologia, la produzione di biocarburanti è associata a una serie di difficoltà e inconvenienti. Prima di tutto, queste sono limitazioni naturali nella coltivazione delle piante.

Per la crescita delle colture utilizzate per la produzione di biomassa è necessario tenere conto di una serie di fattori, vale a dire:

• Utilizzo dell'acqua. Le piante agricole consumano molta acqua, che è una risorsa limitata, soprattutto nelle zone aride.
• Invasività. Le colture coltivate per il carburante sono spesso aggressive.Soffocano la flora autentica, il che può causare danni alla biodiversità e all’ecosistema della regione.
• Fertilizzanti. Molte piante necessitano di nutrienti aggiuntivi per crescere, il che può danneggiare altre colture o l’ecosistema generale.
• Clima. Alcune zone climatiche (ad esempio il deserto o la tundra) non sono adatte alla coltivazione di biocarburanti.

La coltivazione attiva delle piante agricole è anche associata all'esaurimento delle risorse agricole. Il mancato rispetto delle regole della tecnologia agricola può portare ad una diminuzione del contenuto di componenti utili del suolo e, di conseguenza, al loro esaurimento, che aggraverà la situazione problema alimentare.

L'ecosistema è sconvolto. La produzione di biomassa richiede solitamente l’espansione delle aree agricole.

Spesso, a questo scopo, il territorio viene ripulito, il che porta alla distruzione del microecosistema (ad esempio le foreste), alla morte di piante e animali.

Un grande volume di colture viene già coltivato per produrre biocarburanti. Oltre il 50% della colza prodotta in Europa, più di un terzo del grano americano e quasi la metà della canna da zucchero coltivata in Brasile vengono utilizzati per la produzione di biomassa.

I problemi sorgono con la crescita delle monocolture. Per ottenere rese maggiori di biomassa, i produttori spesso seminano i terreni con una pianta specifica. Questa pratica non è molto vantaggiosa per i terreni agricoli, poiché la monocoltura porta a cambiamenti ambientali.

I campi occupati da un tipo di pianta sono solitamente infestati da tipi speciali di parassiti.Un tentativo di combatterli con l'aiuto di insetticidi e pesticidi porta solo allo sviluppo di resistenza a questi agenti.

Per evitare i problemi sopra descritti, gli scienziati consigliano di non trascurare la biodiversità delle colture combinando più piante nei campi e di utilizzare anche varietà di flora locali.

Generazioni di combustibili alternativi

L'ampia gamma di materie prime vegetali utilizzate per la biomassa è solitamente suddivisa in diverse generazioni.

Prima generazione. Questa categoria comprende colture agricole che contengono un'alta percentuale di amido, zuccheri e grassi. Queste sono piante popolari come mais, barbabietola da zucchero, colza e soia.

Poiché la coltivazione di queste colture danneggia il clima e la loro rimozione dal mercato influisce sui prezzi dei prodotti alimentari, gli scienziati stanno cercando di sostituirle con altri tipi di biomassa.

Quasi tutti i tipi di moderni combustibili liquidi (biodiesel, etanolo) sono attualmente prodotti da piante agricole appartenenti alla prima generazione di materie prime.

Seconda generazione. Il gruppo delle biomasse comprende legno, erba e rifiuti agricoli (gusci, bucce). Produrre biocarburanti da tali materie prime è costoso, ma consente di risolvere il problema del riciclaggio dei residui non alimentari con la simultanea produzione di materiali combustibili.

Una caratteristica delle colture incluse in questa varietà è la presenza di lignina e cellulosa al loro interno. Grazie ad essi, la biomassa può essere bruciata e gassificata, nonché sottoposta a pirolisi per produrre combustibile liquido.

Lo svantaggio principale della biomassa di seconda generazione è considerato un rendimento insufficiente per unità di superficie, motivo per cui è necessario allocare notevoli risorse di terreno per tali colture.

Terza generazione. La materia prima per la produzione di biocarburante sono le alghe, che vengono coltivate su scala industriale, ad esempio in bacini aperti.

L'opzione più promettente è considerata i biocarburanti ottenuti da alghe unicellulari. Tali piante aumentano rapidamente di peso e non necessitano di terreno fertile per coltivarle.

Questa pratica è molto promettente, ma attualmente tali tecnologie sono solo in fase di sviluppo. Gli scienziati stanno inoltre conducendo ricerche per creare tecniche che consentano di ottenere biocarburanti di quarta e persino di quinta generazione.

Tre tipi di biocarburanti

A seconda dello stato di aggregazione in cui si trova la sostanza, esistono tre tipi principali di biocarburanti:

1. Solido: legna da ardere, torba, scarti animali e agricoli.
2. Liquido: biodiesel, dimetiletere, bioetanolo, biobutanolo.
3. Gassoso: biogas, metano, bioidrogeno.

Ogni tipo di sostanza ha le sue specifiche, che verranno discusse di seguito.

Tipo n. 1: duro

I tipi solidi più popolari di combustibile biologico includono legno, torba e rifiuti animali.

Legna (legna da ardere, trucioli, segatura)

Un antico tipo di biocarburante è la famosa legna da ardere, utilizzata da tempo per riscaldare le case e cuocere i cibi. Fino ad ora vengono utilizzati attivamente in diversi paesi per generare calore/elettricità, in particolare una grande centrale termoelettrica austriaca con una capacità di 66 megawatt funziona a legna.

Allo stesso tempo, tali materie prime presentano degli svantaggi. Il valore energetico della legna da ardere è relativamente basso: quando brucia, parte della sostanza si deposita sotto forma di fuliggine, motivo per cui caminetti e stufe necessitano di essere puliti regolarmente.Inoltre, ci vuole un certo tempo per ricostituire le riserve di legno: i nuovi alberi cresceranno solo dopo 15-20 anni.

Un'ottima alternativa alla legna da ardere convenzionale sono i pellet (granuli), per la produzione dei quali viene utilizzato legno scadente: corteccia, trucioli di legno, segatura pressata, cagna.

I pellet ottenuti da legno, torba e scarti vari hanno colori diversi. Quelli chiari sono utilizzati per accendere caminetti e stufe, mentre quelli scuri, ad alto contenuto di corteccia, sono destinati alle caldaie a combustibile solido

Per produrre pellet combustibili, le materie prime vengono macinate in polvere, che viene poi essiccata e pressata ad alte temperature. Grazie alla lignina contenuta nel legno si forma una massa appiccicosa da cui si formano piccoli cilindri di 5-70 mm di lunghezza e 6-10 mm di diametro.

Un'alternativa moderna alla legna da ardere tradizionale sono i bricchetti combustibili a quattro, sei o ottagonali. Questo materiale ecologico ha un elevato trasferimento di calore

Puoi impostare tu stesso la produzione di pellet facendo pressa per bricchette combustibili.

Tra i tipi più diffusi di biocarburanti figurano i trucioli di legno, che spesso fungono da fonte di energia nelle centrali termoelettriche europee. La produzione di queste materie prime viene effettuata presso siti di disboscamento o su speciali linee di produzione dotate di trituratori.

Torba di palude e foresta come combustibile

Si tratta di un tipo comune di biocarburante utilizzato da secoli per scopi domestici e industriali. La torba è uno strato di muschio che non si è completamente decomposto in condizioni paludose e viene estratto in molti paesi del mondo: Russia, Bielorussia, Canada, Svezia, Indonesia e altri.

La torba, contenente il 50-60% di carbonio, è considerata un popolare materiale contenente gas. Questa preziosa materia prima può essere utilizzata non solo come combustibile, ma anche come fertilizzante o isolante termico.

Per facilitare il processo di produzione, la biomassa viene solitamente lavorata nel sito di estrazione. Il processo consiste nella pulizia (setacciatura) delle materie prime da inclusioni estranee, seguita dall'essiccazione e dalla modellatura in bricchette o granuli.

Carburante da rifiuti agricoli

Nella produzione agricola, di norma, si accumula un gran numero di vari rifiuti vegetali: gusci esterni di piante, gusci di noci, paglia.

Tali materie prime possono anche essere pressate e granulate, producendo pellet combustibili, le cui caratteristiche non sono praticamente diverse dai pellet ottenuti da biomassa legnosa.

Biocarburanti di origine animale

Insieme alla legna da ardere, nei tempi antichi le persone iniziarono a utilizzare combustibile di origine animale, vale a dire sterco - sterco essiccato di animali domestici. Le moderne tecnologie per l'essiccazione e la lavorazione di tali materie prime consentono di ottenere varietà solide di biocarburante completamente prive di odori sgradevoli.

Per molto tempo, i popoli nomadi hanno utilizzato il letame essiccato di cavalli, cammelli e bovini come combustibile. Attualmente il biocarburante viene prodotto dai rifiuti degli animali domestici sotto forma di bricchette o pellet

Poiché i rifiuti del bestiame vengono attualmente accumulati su scala industriale, la produzione di carburante da essi risolve contemporaneamente il problema del loro smaltimento.

Tipo n. 2: liquido

I biocarburanti liquidi, sicuri ed ecologici, vengono utilizzati principalmente in sostituzione della benzina e di altri prodotti simili.Le opzioni più comuni includono bioetanolo, biometanolo, biobutanolo, biodiesel e dimetiletere.

Bioetanolo da colture vegetali

È un comune biocarburante liquido utilizzato per alimentare le automobili. Sebbene la sostanza pura non venga utilizzata come carburante, la sua aggiunta alla benzina aiuta a migliorare le prestazioni del motore, ad aumentarne la potenza, a controllare il riscaldamento del motore e a ridurre le emissioni di scarico.

Molte stazioni di servizio in Europa, Asia, Nord e Sud America offrono non solo carburante tradizionale, ma anche vari tipi di biocarburante, principalmente miscele contenenti bioetanolo

Il bioetanolo è stato apprezzato anche dagli amanti dei camini. Questa sostanza ha un buon trasferimento di calore; inoltre, quando brucia, non si forma né fuliggine né fumo e la quantità di anidride carbonica rilasciata è ridotta al minimo.

Grazie a queste caratteristiche il combustibile può essere utilizzato anche per accendere i focolari dei condomini. Maggiori informazioni sul biocarburante per caminetti Questo articolo.

Il bioetanolo è prodotto da materie prime di prima generazione contenenti amido o zucchero. Cereali, mais, canna da zucchero e barbabietole vengono lavorati utilizzando la tecnologia della fermentazione alcolica.

Biobutanolo per il rifornimento delle auto

Il biobutanolo è un analogo di derivazione biologica del butanolo. Un liquido incolore con un odore caratteristico, è ampiamente utilizzato come materia prima chimica nell'industria e può essere utilizzato anche come carburante per i trasporti.

L'intensità energetica del butanolo è vicina a quella della benzina, il che consente di sostituire parzialmente quest'ultima nelle celle a combustibile. A differenza del bioetanolo, il biobutanolo può essere utilizzato autonomamente, senza l’aggiunta dei tradizionali tipi di carburante.

Le materie prime per la produzione di questa biosostanza sono un'ampia varietà di piante: barbabietole, manioca, grano, mais.

Dimetiletere (C₂H₆O)

È anche un carburante ecologico. Quando viene bruciato, non ci sono composti di zolfo nei gas di scarico e il contenuto di composti di azoto è inferiore del 90% rispetto alla combustione della benzina.

Il dimetiletere può essere utilizzato senza filtri speciali, ma è necessario apportare modifiche fondamentali al design dell'auto (sistema di alimentazione, accensione del motore).

L'etere dimetilico è considerato un'opzione promettente per il carburante per automobili. Le auto con motori progettati per questo carburante vengono sviluppate da grandi aziende come Volvo, SAIC Motor, KAMAZ, Nissan

Nelle auto dotate di motore GPL è possibile utilizzare senza alcuna modifica un carburante combinato contenente il 30% di etere dimetilico.

Il combustibile liquido può essere prodotto da diverse materie prime: gas naturale, polvere di carbone, biomassa e, soprattutto, dai residui della produzione di pasta di legno e carta, che vengono trasformati in liquido a bassa pressione.

Biometanolo da alghe unicellulari

Questa sostanza è un analogo del normale metanolo, ampiamente utilizzato per la produzione di numerosi composti chimici (acido acetico, formaldeide) e viene anche utilizzato come antigelo e solvente.

Il problema della produzione di questo tipo di biocarburante fu sollevato per la prima volta negli anni '80, quando un gruppo di scienziati propose di produrre una sostanza liquida attraverso la trasformazione biochimica del fitoplancton marino, da coltivare in appositi serbatoi.

Il biometanolo ha una serie di potenziali vantaggi:

• alta efficienza energetica — 14 per la produzione di metano, 7 per la produzione di metanolo;
• eccellente produttività del fitoplancton — fino a 100 tonnellate per ettaro all'anno;
• organismi unicellulari poco esigenti, per la cui coltivazione non sono necessari acqua dolce e terreni fertili;
• conservazione delle risorse agricole, poiché il fitoplancton viene coltivato negli stagni o nelle baie marine.

Sebbene la produzione industriale di biometanolo non sia ancora stata avviata, sono attualmente in corso persistenti attività di ricerca e sviluppo di tecnologie per sviluppare la produzione di questo tipo di carburante alternativo.

Biodiesel come alternativa al carburante per i trasporti

Questo è un biocarburante liquido per motori costituito da una miscela di esteri di acidi grassi. La sostanza è sicura per persone e animali, si decompone quasi completamente nel terreno in 28 giorni e ha anche un punto di infiammabilità relativamente alto (<100).

Il biodiesel riduce la percentuale di emissioni di gas nocivi e prolunga anche la vita del motore, poiché contiene componenti lubrificanti.

Il carburante viene utilizzato per rifornire i motori delle auto, sia in modo indipendente che in combinazione con carburante convenzionale. Va presa in considerazione solo la breve durata di conservazione della sostanza biologica: dopo tre mesi la sostanza biologica inizia a decomporsi con una completa perdita delle proprietà.

Per il biodiesel nei paesi dell’UE è stata adottata una norma speciale EN14214. In alcuni paesi è in vigore anche la norma EN590 che consente l'aggiunta del 5% di biodiesel ad altri carburanti.

Tipo n. 3: gassoso

I principali tipi di combustibili biologici gassosi comprendono il biogas e il bioidrogeno.

Il biogas come sostituto del gas naturale

Il biogas è un analogo quasi completo del gas naturale: contiene il 13-50% di CO_2, 49-87% di metano e impurità H₂ e H₂S.Se questa sostanza viene purificata dall'anidride carbonica, si può ottenere il biometano.

Il biocarburante gassoso è prodotto dalla biomassa mediante fermentazione di idrogeno o metano. Quest'ultimo è causato da tre tipi di microrganismi: in primo luogo, la materia prima è esposta a batteri idrolitici, che vengono poi sostituiti da microbi che formano acidi e metano.

La produzione di biogas può essere effettuata utilizzando apparecchiature industriali e artigianali. Il metodo di produzione più comune è la digestione aerobica nei digestori.

Come materia prima possono essere utilizzati diversi materiali: insilato, letame, alghe, acque reflue, lettiera, residui fecali, rifiuti domestici. La sostanza iniziale viene portata in uno stato omogeneo, dopo di che viene immessa nel reattore mediante un caricatore.

Lì viene mantenuta una temperatura confortevole di +35-38°C, necessaria per il processo di fermentazione del metano.

La materia prima viene costantemente miscelata, mentre il prodotto gassoso risultante viene scaricato in un gasometro (unità di stoccaggio), da dove entra nel generatore elettrico.

Maggiori informazioni sull'ottenimento di biogas dal letame e sulla realizzazione di un impianto di biogas sono scritte negli articoli:

1. Come produrre biocarburante con le tue mani dal letame a casa
2. Impianto di biogas fai-da-te per una casa privata: raccomandazioni per il dispositivo e un esempio di organizzazione di un prodotto fatto in casa

Bioidrogeno ottenuto con metodo chimico

Un tipo di biocarburante gassoso, che è un analogo dell'idrogeno convenzionale, viene ottenuto dalla biomassa utilizzando metodi biochimici o termochimici.

Nel metodo termochimico, le materie prime preparate (ad esempio, scarti di legno) vengono riscaldate a una temperatura di 500–800°C senza ossigeno, che rilascia gas H₂,CO,CH₄.

Un metodo promettente per la produzione di bioidrogeno è la bioftolisi. In questo caso, il gas viene prodotto utilizzando le alghe, che vengono immesse nell'acqua di mare, nei liquami

Con il metodo biochimico le materie prime vengono conservate in condizioni confortevoli a pressione normale e ad una temperatura di circa 30°C.

Nella biomassa vengono introdotti speciali microrganismi Enterobacter cloacae e Rodobacter speriodes, che decompongono il prodotto originale, liberando idrogeno. Per accelerare la produzione utilizzando polisaccaridi, è possibile aggiungere enzimi.

Conclusioni e video utile sull'argomento

Nel video qui sotto puoi vedere il processo di produzione di un tipo popolare di biocarburante: le bricchette di legno:

I tipi di combustibile biologico differiscono non solo per il loro stato di aggregazione, ma anche per le loro caratteristiche. Quando si scelgono tali materiali, è necessario tenere conto della loro destinazione d'uso, dell'efficacia, delle proprietà funzionali e dei costi.

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