Soorten biobrandstof: vergelijking van eigenschappen van vast, vloeibaar en gasvormig brandstof

Een alternatief voor traditionele energiebronnen zijn verschillende soorten biobrandstof, voor de productie waarvan plantaardige of dierlijke grondstoffen, industriële afvalstoffen en de stofwisselingsproducten van organismen worden gebruikt.

Wij nodigen u uit om de voor- en nadelen van het gebruik van deze brandstof te onderzoeken, de productiekenmerken en functionele kenmerken te leren kennen en de efficiëntie van het gebruik van verschillende soorten biologische brandstof te evalueren. De verstrekte informatie helpt u zich te oriënteren bij de keuze van alternatieve energiebronnen.

Wat is biologische brandstof?

De meest veelbelovende richting in de energiesector zijn technologieën die het gebruik van hernieuwbare bronnen omvatten, waaronder ook biologische brandstof valt.

De meest voorkomende soort biologische brandstof is gewoon brandhout. 38% van de wereldbevolking gebruikt het voor verwarming en voedselbereiding.

Als grondstof voor de productie ervan kan biomassa van plantaardige of dierlijke oorsprong worden gebruikt, inclusief afval van industriële productie of resten van dierlijke activiteit.

De verwerking van dergelijke stoffen gebeurt via thermochemische of biologische methoden; in het laatste geval wordt de brandstof verkregen met behulp van verschillende soorten micro-organismen.

Het aandeel van het gebruik van biologische brandstoffen neemt voortdurend toe, wat bijdraagt aan het behoud van fossiele koolwaterstofbronnen (+)

In veel landen zijn er speciale programma’s actief om het aandeel biobrandstoffen in het nationale en regionale energieverbruik te vergroten. In een aantal staten bestaan er ook verplichte normen voor het gebruik van deze energiebron.

Voor- en nadelen van biobrandstof

Biologische brandstoffen hebben hun eigen positieve en negatieve kanten. De belangstelling voor het gebruik van deze grondstof wordt veroorzaakt door de onmiskenbare voordelen ervan.

Daartoe behoren:

• Lage kosten. Hoewel de prijzen van biobrandstoffen momenteel vrijwel overeenkomen met die van benzine, worden biologische stoffen als een voordeliger brandstoftype beschouwd, omdat ze bij verbranding minder uitstoot veroorzaken. Biobrandstof is geschikt voor gebruik onder verschillende omstandigheden en kan worden aangepast aan motoren van uiteenlopende constructies. Een ander voordeel is de optimalisatie van de motorwerking, waardoor de motor langer schoon blijft dankzij de geringe hoeveelheid roet en uitlaatgassen.
• Mobiliteit. Biologische brandstof onderscheidt zich van andere alternatieve energiebronnen door zijn mobiliteit. Zonne- en windinstallaties bevatten doorgaans zware accubatterijen, waardoor ze meestal stationair worden gebruikt, terwijl biobrandstof zonder veel moeite van de ene naar de andere regio kan worden vervoerd.
• Hernieuwbare energiebron. Hoewel de bestaande voorraden ruwe olie volgens onderzoekers nog minstens enkele honderden jaren voldoende zijn, zijn fossiele reserves uiteindelijk eindig. Biobrandstof, geproduceerd uit planten en dierlijke afvalproducten, behoort tot de hernieuwbare bronnen die in de nabije toekomst niet dreigen te verdwijnen.
• Bescherming van de aardatmosfeer. Een groot nadeel van traditionele koolwaterstoffen is het hoge percentage CO₂ dat vrijkomt bij verbranding. Dit gas veroorzaakt in de atmosfeer van onze planeet een broeikaseffect, wat bijdraagt aan de opwarming van de aarde. Bij de verbranding van biologische stoffen daarentegen neemt de hoeveelheid kooldioxide af tot 65%. Bovendien nemen de gewassen die bij de productie van biobrandstof worden gebruikt, koolmonoxide op, waardoor het aandeel ervan in de lucht afneemt.
• Economische veiligheid. De koolwaterstofvoorraden zijn ongelijk verdeeld, waardoor sommige landen gedwongen zijn olie of aardgas in te kopen en grote bedragen uitgeven aan de aankoop, het transport en de opslag. Verschillende soorten biologische brandstoffen kunnen in vrijwel elk land worden verkregen. Omdat voor de productie en verwerking ervan nieuwe bedrijven en bijgevolg banen moeten worden gecreëerd, zal dit de nationale economie ten goede komen en een positief effect hebben op het welzijn van de mensen.

Verbetering van technologieën en ontwikkeling van nieuwe methoden kunnen het positieve effect van biobrandstoffen versterken. Zo kan de ontwikkeling van technologieën met behulp van plankton en algen de prijs ervan aanzienlijk verlagen.

Tegelijkertijd gaat de productie van biobrandstoffen in het huidige stadium van wetenschap en technologie gepaard met een aantal moeilijkheden en ongemakken. In de eerste plaats zijn er natuurlijke beperkingen bij de teelt van planten.

Voor de groei van gewassen die voor de productie van biomassa worden gebruikt, moet met een aantal factoren rekening worden gehouden, namelijk:

• Watergebruik. Landbouwgewassen verbruiken veel water, een beperkte hulpbron, vooral in droge gebieden.
• Invasiviteit. Voor brandstof geteelde gewassen zijn vaak agressief. Ze overstemmen de authentieke flora, waardoor de biodiversiteit en het ecosysteem van de regio kunnen worden aangetast.
• Meststoffen. Voor de groei van veel planten is extra toediening van voedingsstoffen nodig, die schadelijk kunnen zijn voor andere gewassen of het algehele ecosysteem.
• Klimaat. Bepaalde klimaatzones (bijvoorbeeld woestijn of toendra) zijn niet geschikt voor het verbouwen van biobrandstofgewassen.

Actieve teelt van landbouwgewassen hangt ook samen met de uitputting van landbouwgrond. Het niet naleven van landbouwpraktijken kan leiden tot een afname van het gehalte aan nuttige componenten in de bodem en bijgevolg tot uitputting ervan, wat de voedselproblematiek zal verergeren.

Er treedt verstoring van het ecosysteem op. Voor de productie van biomassa is meestal uitbreiding nodig van de voor de landbouw gebruikte gebieden.

Vaak wordt met dit doel het terrein vrijgemaakt, wat leidt tot de vernietiging van het micro-ecosysteem (bijvoorbeeld bos) en de dood van planten en dieren.

Voor de productie van biobrandstoffen wordt nu al een grote hoeveelheid landbouwgewassen verbouwd. Meer dan 50% van de in Europa geproduceerde koolzaad, meer dan een derde van het Amerikaanse graan en bijna de helft van de in Brazilië verbouwde suikerriet gaat naar de productie van biomassa.

Er doen zich problemen voor met het verbouwen van monoculturen. Om een grotere biomassa-oogst te verkrijgen, zaaien producenten vaak land in met een bepaalde plant. Deze praktijk heeft geen al te beste invloed op de toestand van de landbouwgrond, omdat monocultuur leidt tot verandering van het milieu.

Op velden die door één plantensoort worden ingenomen, parasiteren gewoonlijk bijzondere variëteiten van plagen. Een poging om ze te bestrijden met insecticiden en pesticiden leidt slechts tot resistentie tegen deze middelen.

Om de bovengenoemde problemen te voorkomen, adviseren wetenschappers de biodiversiteit van gewassen niet te verwaarlozen, door meerdere planten op de velden te combineren, en ook lokale floravariëteiten te gebruiken.

Generaties alternatieve brandstof

Het brede assortiment plantaardige grondstoffen dat voor biomassa wordt gebruikt, wordt gewoonlijk in verschillende generaties verdeeld.

Eerste generatie. Tot deze categorie behoren landbouwgewassen met een hoog percentage zetmeel, suikers en vetten. Dit zijn populaire planten zoals maïs, suikerbiet, koolzaad, soja.

Aangezien de teelt van deze gewassen schade toebrengt aan het klimaat en hun verwijdering van de markt de prijsvorming van producten beïnvloedt, proberen wetenschappers ze te vervangen door andere soorten biomassa.

Uit landbouwplanten die tot de eerste generatie grondstoffen behoren, worden tegenwoordig bijna alle soorten moderne vloeibare brandstof (biodiesel, ethanol) geproduceerd.

Tweede generatie. Tot de biomassagroep behoren hout, gras en landbouwafval (schillen, kaf). Het verkrijgen van biobrandstof uit dergelijke grondstoffen vereist hoge kosten, maar maakt het mogelijk het probleem van de verwerking van niet-eetbare resten op te lossen met gelijktijdige productie van brandbare materialen.

Een kenmerk van de gewassen in deze categorie is de aanwezigheid van lignine en cellulose. Dankzij deze stoffen kan biomassa worden verbrand en vergast, en ook worden onderworpen aan pyrolyse om vloeibare brandstof te verkrijgen.

Het grootste nadeel van biomassa van de tweede generatie wordt beschouwd als onvoldoende opbrengst per oppervlakte-eenheid, waardoor aanzienlijke landbronnen moeten worden toegewezen voor dergelijke gewassen.

Derde generatie. Als grondstof voor de productie van biobrandstof dienen algen, die op industriële schaal worden gekweekt, bijvoorbeeld in open wateren.

De meest veelbelovende optie wordt beschouwd als biobrandstof verkregen uit eencellige algen. Dergelijke planten nemen snel in massa toe, en voor hun teelt is geen vruchtbare grond nodig.

Een dergelijke praktijk heeft grote perspectieven, maar momenteel worden dergelijke technologieën alleen nog ontwikkeld. Wetenschappers doen ook onderzoek naar het creëren van methoden om biobrandstof van de vierde en zelfs vijfde generatie te verkrijgen.

Drie soorten biobrandstof

Afhankelijk van de aggregatietoestand van de stof worden drie hoofdtypen biobrandstof onderscheiden:

1. Vast: brandhout, turf, afval van dierlijke activiteit en landbouwproductie.
2. Vloeibaar: biodiesel, dimethylether, bio-ethanol, biobutanol.
3. Gasvormig: biogas, methaan, biowaterstof.

Elk type stof heeft zijn eigen specificiteit, waarover hieronder wordt gesproken.

Type #1: vast

Tot de meest populaire vaste varianten van biologische brandstof behoren hout, turf en dierlijke afvalstoffen.

Hout (brandhout, houtsnippers, zaagsel)

Een oude vorm van biobrandstof is het alom bekende brandhout, dat al sinds mensenheugenis wordt gebruikt voor het verwarmen van huizen en het bereiden van voedsel. Het wordt nog steeds actief gebruikt in verschillende landen voor het opwekken van warmte/elektriciteit; zo draait een grote Oostenrijkse warmtekrachtcentrale met een vermogen van 66 megawatt op brandhout.

Tegelijkertijd heeft dergelijk materiaal nadelen. De energetische waarde van brandhout is relatief laag: bij verbranding slaat een deel van de stof neer als roet, waardoor open haarden en kachels regelmatig moeten worden gereinigd. Bovendien kost het tijd om de houtvoorraden aan te vullen – nieuwe bomen groeien pas na 15-20 jaar.

Een uitstekend alternatief voor gewoon brandhout zijn pellets (korrels), waarvoor voor de productie niet-conform hout wordt gebruikt: schors, spaanders, geperst zaagsel, takken.

Pellets verkregen uit hout, turf en diverse afvalstoffen hebben verschillende kleuren. Lichte pellets worden gebruikt voor het stoken van open haarden en kachels, terwijl donkere pellets met een hoger schorsgehalte bestemd zijn voor vastebrandstofketels.

Voor de productie van brandstofpellets wordt het materiaal vermalen tot stof, dat vervolgens wordt gedroogd en geperst bij hoge temperatuur. Dankzij het in hout aanwezige lignine ontstaat een kleverige massa, waaruit kleine cilindertjes worden gevormd met een lengte van 5-70 mm en een diameter van 6-10 mm.

Een modern alternatief voor traditioneel brandhout zijn brandstofbriketten met een vier-, zes- of achthoekige vorm. Dit milieuvriendelijke materiaal heeft een hoge warmteafgifte.

Het opzetten van de productie van pellets kunt u zelf doen door het maken van een pers voor brandstofbriketten.

Tot de populaire soorten biobrandstof behoort houtsnippers, die vaak dienen als energiebron in Europese warmtekrachtcentrales. De productie van dit materiaal vindt plaats bij houtkap of op speciale productielijnen die zijn uitgerust met shreddermachines.

Brandstofturf uit moerassen en bossen

Dit is een veel voorkomende vorm van biobrandstof die al eeuwenlang wordt gebruikt voor huishoudelijke en industriële doeleinden. Turf is een laag mos die niet volledig is afgebroken in moerassige omstandigheden, en wordt gewonnen in vele landen over de hele wereld: Rusland, Wit-Rusland, Canada, Zweden, Indonesië en andere.

Turf met 50-60% koolstof wordt beschouwd als een populair gasachtig materiaal. Deze waardevolle grondstof kan niet alleen worden gebruikt als brandstof, maar ook als meststof of warmte-isolator.

Voor het gemak van het productieproces wordt biomassa doorgaans ter plaatse bewerkt. Het proces bestaat uit het reinigen (zeven) van de grondstof van vreemde insluitsels, gevolgd door drogen en vormen tot briketten of pellets.

Brandstof uit agrarisch afval

In de agrarische productie hoopt zich gewoonlijk een groot aantal diverse plantaardige afvalstoffen op: buitenste omhulsels van planten, notendoppen, stro.

Dergelijke grondstoffen kunnen ook worden geperst en gegranuleerd om brandstofpellets te verkrijgen, waarvan de kenmerken vrijwel niet verschillen van pellets gemaakt van houtbiomassa.

Biobrandstof van dierlijke oorsprong

Naast brandhout begonnen mensen in de oudheid ook brandstof van dierlijke oorsprong te gebruiken, namelijk gedroogde mest van huisdieren. Moderne technologieën voor het drogen en verwerken van dergelijke grondstoffen maken het mogelijk om vaste biobrandstoffen te verkrijgen die volledig vrij zijn van onaangename geuren.

Van oudsher gebruikten nomadische volkeren gedroogde mest van paarden, kamelen en rundvee als brandstof. Tegenwoordig wordt van de afvalstoffen van huisdieren biobrandstof gemaakt in de vorm van briketten of pellets.

Aangezien de afvalstoffen van de veehouderij tegenwoordig op industriële schaal worden opgehoopt, lost de productie van brandstof daaruit tegelijkertijd het probleem van de verwijdering ervan op.

Type #2: vloeibaar

Vloeibare varianten van biobrandstof, die zich onderscheiden door veiligheid en milieuvriendelijkheid, worden grotendeels gebruikt als vervanging voor benzine en andere soortgelijke middelen. Tot de meest voorkomende varianten behoren bio-ethanol, biomethanol, biobutanol, biodiesel en dimethylether.

Bio-ethanol uit plantaardige gewassen

Dit is een veelgebruikte vloeibare biobrandstof die wordt gebruikt voor het tanken van auto's. Hoewel de zuivere stof niet als brandstof wordt gebruikt, draagt de toevoeging ervan aan benzine bij aan een betere motorwerking, een groter vermogen, controle over de motorverwarming en vermindering van uitlaatgasemissies.

Bij veel benzinestations in Europa, Azië, Noord- en Zuid-Amerika wordt niet alleen traditionele brandstof aangeboden, maar ook verschillende soorten biobrandstof, voornamelijk mengsels die bio-ethanol bevatten.

Bio-ethanol wordt ook gewaardeerd door liefhebbers van haarden. Deze stof heeft een goede warmteafgifte en bovendien ontstaan er bij verbranding geen roet of rook, en wordt de hoeveelheid uitgestoten kooldioxide tot een minimum beperkt.

Dankzij dergelijke eigenschappen kan de brandstof zelfs worden gebruikt voor het stoken van een haard in appartementsgebouwen. Meer informatie over biobrandstof voor open haarden staat in dit artikel.

De productie van bio-ethanol vindt plaats uit eerste-generatiegrondstoffen die zetmeel of suiker bevatten. Granen, maïs, suikerriet en bieten worden verwerkt volgens de technologie van alcoholische gisting.

Biobutanol voor het tanken van auto's

Biobutanol – een biologisch verkregen analoog van butanol. Een kleurloze vloeistof met een karakteristieke geur, die veel wordt gebruikt als chemische grondstof in de industrie en ook kan worden gebruikt als transportbrandstof.

De energie-inhoud van butanol is vergelijkbaar met die van benzine, waardoor het deze gedeeltelijk kan vervangen in brandstofcellen. In tegenstelling tot bio-ethanol kan biobutanol zelfstandig worden gebruikt, zonder toevoeging van traditionele brandstoffen.

De grondstoffen voor de productie van deze biostof zijn zeer diverse planten: suikerbiet, maniok, tarwe, maïs.

Dimethylether (C₂H₆O)

Dit is ook een milieuvriendelijke brandstof. Bij verbranding ontbreken zwavelverbindingen in de uitlaatgassen, en het stikstofgehalte is 90% lager dan bij verbranding van benzine.

Dimethylether kan worden gebruikt zonder speciale filters, maar in de auto-constructie (brandstofsysteem, motorontsteking) moeten ingrijpende wijzigingen worden aangebracht.

Dimethylether wordt beschouwd als een veelbelovende optie voor autobrandstof. Auto's met motoren die op deze brandstof zijn ontworpen, worden ontwikkeld door grote bedrijven zoals Volvo, SAIC Motor, KAMAZ, Nissan

Zonder aanpassingen kan gemengde brandstof met 30% dimethylether worden gebruikt in auto's die zijn uitgerust met LPG-motoren.

Vloeibare brandstof kan worden geproduceerd uit verschillende grondstoffen: aardgas, steenkoolstof, biomassa en vooral uit residuen van de pulp- en papierindustrie, die bij lage druk in vloeistof veranderen.

Biomethanol uit eencellige algen

Een dergelijke stof is een analoog van gewoon methanol, dat veel wordt gebruikt voor de productie van een aantal chemische verbindingen (azijnzuur, formaldehyde) en ook wordt gebruikt als antivriesmiddel en oplosmiddel.

De vraag naar de productie van dit type biobrandstof werd voor het eerst gesteld in de jaren 1980, toen een groep wetenschappers voorstelde om een vloeibare substantie te verkrijgen via biochemische transformatie van marien fytoplankton, dat zal worden gekweekt in speciale waterbekkens.

Biomethanol heeft een aantal potentiële voordelen:

• hoge energieopbrengst – 14 bij productie van methaan, 7 bij productie van methanol;
• uitstekende productiviteit van fytoplankton – tot 100 ton per hectare per jaar;
• weinig eisende eencellige organismen, waarvoor voor de kweek geen zoet water of vruchtbare grond nodig is;
• behoud van landbouwgrondstoffen, omdat fytoplankton wordt gekweekt in vijvers of zeebaaien.

Hoewel de industriële productie van biomethanol nog niet is opgestart, worden er momenteel intensief onderzoek en ontwikkeling van technologieën uitgevoerd om de productie van dit type alternatieve brandstof te bevorderen.

Biodiesel als alternatief voor transportbrandstof

Dit is een vloeibare biobrandstof voor motoren, bestaande uit een mengsel van vetzure esters. De stof is veilig voor mens en dier, wordt in de bodem in 28 dagen vrijwel volledig afgebroken en heeft een relatief hoog (<100) ontbrandingspunt.

Biodiesel vermindert het percentage schadelijke uitlaatgassen en verlengt de levensduur van de motor, omdat het smeercomponenten bevat.

De brandstof wordt gebruikt voor het tanken van automotoren, zowel op zichzelf als in combinatie met normale brandstof. U dient alleen rekening te houden met de korte houdbaarheid van de biologische stof: na drie maanden begint de afbraak van de biologische stof met volledig verlies van eigenschappen.

Voor biodiesel is in de EU-landen een speciale norm EN14214 aangenomen. In diverse landen geldt ook de norm EN590, die een toevoeging van 5% biodiesel in andere brandstof toestaat.

Type #3: gasvormig

Tot de belangrijkste varianten van gasvormige biologische brandstoffen behoren biogas en biowaterstof.

Biogas als vervanging van aardgas

Biogas is vrijwel volledig analoog aan aardgas: het bevat 13-50% CO_2, 49-87% methaan, en ook onzuiverheden van H₂ en H₂S. Als deze stof van kooldioxide wordt gereinigd, kan biomethaan worden verkregen.

Gasvormige biobrandstof wordt uit biomassa vervaardigd door middel van waterstof- of methaanfermentatie. Dit laatste wordt veroorzaakt door drie soorten micro-organismen: eerst wordt de grondstof blootgesteld aan hydrolytische bacteriën, die vervolgens worden opgevolgd door zuurvormende en methaanvormende microben.

De productie van biogas kan plaatsvinden in industriële en ambachtelijke installaties. De meest gebruikelijke productiemethode is anaerobe vergisting in methaantanks.

Als grondstof kunnen diverse materialen worden gebruikt: kuilvoer, mest, algen, afvalwater, uitwerpselen, fecaliën, huishoudelijk afval. Het uitgangsmateriaal wordt in een homogene toestand gebracht, waarna het met behulp van een lader in de reactor wordt geplaatst.

Daar wordt een comfortabele temperatuur van +35-38°C gehandhaafd, die nodig is voor het methaanvergistingsproces.

De grondstof wordt voortdurend gemengd, waarbij het gevormde gasvormige product naar een gasmeter (opslagblok) wordt afgevoerd, vanwaar het in de elektrische generator terechtkomt.

Meer informatie over het verkrijgen van biogas uit mest en de inrichting van een biogasinstallatie is te vinden in de artikelen:

1. Hoe biobrandstof thuis met eigen handen uit mest te maken
2. Biogasinstallatie voor een eigen huis zelf maken: aanbevelingen voor de constructie en een voorbeeld van de inrichting van een zelfgemaakte installatie

Biowaterstof, verkregen via een chemische methode

Een variant van gasvormige biobrandstof die een analoog is van gewone waterstof, wordt uit biomassa gewonnen met behulp van biochemische of thermochemische methoden.

Bij de thermochemische methode wordt het voorbereide materiaal (bijvoorbeeld houtafval) verwarmd tot een temperatuur van 500-800°C zonder toegang van zuurstof, waarbij gassen H₂, CO, CH₄ vrijkomen.

Een veelbelovende methode voor de productie van biowaterstof is biofotolyse. In dit geval wordt het gas geproduceerd met behulp van algen die in zeewater of rioolwater worden geplaatst.

Bij de biochemische methode wordt het grondstof onder comfortabele omstandigheden bewaard bij normale druk en een temperatuur van ongeveer 30°C.

In de biomassa worden speciale micro-organismen Enterobacter cloacae en Rodobacter speriodes gebracht, die het oorspronkelijke product afbreken en waterstof vrijmaken. Om de productie te versnellen met behulp van polysachariden is het toevoegen van enzymen toegestaan.

Conclusies en nuttige video over het onderwerp

In de onderstaande video kunt u het productieproces zien van een populaire vorm van biobrandstof – houtbriketten:

De soorten biologische brandstof verschillen niet alleen in aggregatietoestand, maar ook in eigenschappen. Bij de keuze van dergelijke materialen moet u rekening houden met het beoogde gebruik, de efficiëntie, de functionele eigenschappen en de kosten.

Heeft u ervaring met het gebruik van alternatieve brandstof? Of wilt u vragen stellen over biobrandstof? Reageer dan op de publicatie en neem deel aan de discussies. Het feedbackblok vindt u hieronder.