Biokütuse liigid: tahke, vedela ja gaasilise kütuse omaduste võrdlus

Alternatiiviks traditsioonilistele energiaallikatele on mitmesugused biokütuse liigid, mille valmistamiseks kasutatakse taimset või loomset toorainet, tööstusjäätmeid ja organismide elutegevuse jääke.

Soovitame tutvuda sellise kütuse kasutamise eeliste ja puudustega, tootmise iseärasustega ja funktsionaalsete omadustega ning hinnata eri tüüpi biokütuse kasutamise tõhusust. Alltoodud teave aitab orienteeruda alternatiivsete energiaallikate valikus.

Mis on biokütus?

Kõige perspektiivsem suund energeetikas on taastuvaid ressursse kasutavad tehnoloogiad, mille hulka kuulub ka biokütus.

Kõige levinum biokütuse liik on tavalised küttepuud. 38% maailma elanikkonnast kasutab neid kütteks ja toiduvalmistamiseks.

Selle tootmise toormena võib kasutada taimset/loomset päritolu biomassi, sealhulgas tööstusjäätmeid või loomsete elutegevuse jääke.

Selliste ainete töötlemine toimub termokeemilisel või bioloogilisel meetodil, viimasel juhul saadakse kütust erinevate mikroorganismide abil.

Bioloogiliste kütuste kasutamise osakaal kasvab pidevalt, mis aitab säilitada fossiilseid süsivesinikuvarusid (+)

Paljudes riikides on spetsiaalsed programmid biokütuse osakaalu suurendamiseks riiklikus ja piirkondlikus energiatarbimises. Mitmes riigis kehtivad ka kohustuslikud normid selle energiaallika kasutamiseks.

Biokütuse eelised ja puudused

Bioloogilistel kütustel on oma positiivsed ja negatiivsed küljed. Huvi selle tooraine kasutamise vastu on tingitud selle vaieldamatutest eelistest.

Nende hulka kuuluvad:

• Soodne hind. Kuigi hetkel on biokütuste hinnad peaaegu bensiini omaga võrdsed, peetakse bioloogilisi aineid soodsamaks kütuseliigiks, kuna põletamisel tekib vähem heitmeid. Biokütus sobib kasutamiseks erinevates tingimustes ning seda saab kohandada erineva konstruktsiooniga mootoritele. Veel üheks plussiks on mootori töö optimeerimine, mis püsib kauem puhas tänu vähesele tahma- ja heitgaasikogusele.
• Mobiilsus. Bioloogiline kütus erineb teistest alternatiivsetest energiaallikatest oma mobiilsuse poolest. Päikese- ja tuuleenergiaseadmete konstruktsiooni kuuluvad tavaliselt rasked akud, mistõttu neid kasutatakse enamasti statsionaarselt, samas kui biokütust saab ilma suuremate probleemideta ühest piirkonnast teise transportida.
• Taastuv energiaallikas. Kuigi teadlaste hinnangul jätkub olemasolevatest toornafta varudest vähemalt mitmeks sajaks aastaks, on fossiilsed varud siiski lõplikud. Taimedest ja loomsetest jäätmetest valmistatud biokütus kuulub taastuvate ressursside hulka, millele lähemas tulevikus ei ähvarda kadumist.
• Maa atmosfääri kaitse. Traditsiooniliste süsivesinike suureks puuduseks on suur CO₂ protsent, mis eraldub põletamisel. See gaas tekitab meie planeedi atmosfääris kasvuhooneefekti, luues tingimused globaalseks soojenemiseks. Kuid bioloogiliste ainete põlemisel väheneb süsinikdioksiidi kogus 65%-ni. Lisaks sellele tarbivad biokütuse tootmises kasutatavad kultuurid süsinikoksiidi, vähendades selle osakaalu õhus.
• Majanduslik julgeolek. Süsivesinike varud on ebaühtlaselt jaotunud, mistõttu osa riike on sunnitud ostma naftat või maagaasi, kulutades selle ostmisele, transportimisele ja ladustamisele suuri vahendeid. Erinevaid biokütuseid saab toota peaaegu igas riigis. Kuna selle valmistamiseks ja töötlemiseks on vaja luua uusi ettevõtteid ja seega ka töökohti, toob see kasu rahvamajandusele ja mõjub positiivselt inimeste heaolule.

Tehnoloogiate täiustamine ja uute meetodite väljatöötamine võib tugevdada biokütuste positiivset mõju. Näiteks tehnoloogiate arendamine planktoni ja vetikate abil võimaldab oluliselt vähendada selle hinda.

Samas on praegusel teaduse ja tehnoloogia arenguetapil biokütuste tootmine seotud mitmete raskuste ja ebamugavustega. Esiteks on need looduslikud piirangud taimede kasvatamisel.

Biomassi tootmiseks kasutatavate kultuuride kasvatamisel tuleb arvestada mitmete teguritega, nimelt:

• Veekasutus. Põllumajandustaimed tarbivad palju vett, mis on piiratud ressurss, eriti kuivades piirkondades.
• Invasiivsus. Kütusena kasvatatavad kultuurid on sageli agressiivsed. Need summutavad autentse floora, mistõttu võib kannatada piirkonna bioloogiline mitmekesisus ja ökosüsteem.
• Väetised. Paljude taimede kasvatamiseks on vaja täiendavalt lisada toitaineid, mis võivad kahjustada teisi kultuure või üldist ökosüsteemi.
• Kliima. Üksikud kliimavööndid (näiteks kõrb või tundra) ei sobi biokütusekultuuride kasvatamiseks.

Põllumajandustaimede aktiivne kasvatamine on seotud ka põllumajanduslike ressursside ammendumisega. Agrotehnika reeglite eiramine võib viia mulla kasulike komponentide sisalduse vähenemiseni ja selle tagajärjel nende ammendumiseni, mis toob kaasa toiduprobleemi teravnemise.

Ökosüsteem kahjustub. Biomassi tootmiseks on tavaliselt vaja laiendada põllumajanduses kasutatavaid alasid.

Sageli viiakse selleks läbi territooriumi puhastamine, mis toob kaasa mikroökosüsteemi (näiteks metsa) hävimise, taimede ja loomade hukkumise.

Biokütuse tootmiseks kasvatatakse juba praegu suures koguses põllumajanduskultuure. Biomassi tootmiseks kulub üle 50% Euroopas toodetavast rapsist, üle kolmandiku Ameerika teraviljast, peaaegu pool Brasiilias kasvatatavast suhkruroost.

Tekivad probleemid monokultuuride kasvatamisega. Suurema biomassi saagi saamiseks külvavad tootjad sageli maad teatud taimega. Selline praktika ei mõju liiga hästi põllumajandusmaade seisundile, kuna monokultuur viib keskkonna muutumiseni.

Põldudel, mis on hõivatud ühe taimeliigiga, parasiteerivad tavaliselt spetsiifilised kahjurite variandid. Katse nendega võidelda insektitsiidide ja pestitsiidide abil toob kaasa ainult nende vahendite suhtes resistentsuse väljakujunemise.

Eespool kirjeldatud probleemide vältimiseks soovitavad teadlased mitte jätta tähelepanuta kultuuride bioloogilist mitmekesisust, kombineerides põldudel mitut taime ja kasutades ka kohalikke floora sorte.

Alternatiivkütuse põlvkonnad

Biomassi jaoks kasutatavat laias valikus taimset toorainet jaotatakse tavaliselt mitmeks põlvkonnaks.

Esimene põlvkond. Sellesse kategooriasse kuuluvad põllumajanduskultuurid, mis sisaldavad kõrge tärklise, suhkrute ja rasvade protsenti. Need on sellised populaarsed taimed nagu mais, suhkrupeet, raps ja soja.

Kuna nende kultuuride kasvatamine kahjustab kliimat ja nende turult kõrvaldamine mõjutab toodete hinnakujundust, püüavad teadlased neid asendada muude biomassi liikidega.

Esimese põlvkonna tooraine hulka kuuluvatest põllumajandustaimedest toodetakse praegu peaaegu kõiki kaasaegseid vedelkütuseid (biodiisel, etanool).

Teine põlvkond. Biomassi rühma kuuluvad puit, rohi, põllumajandusjäätmed (koor, kest). Sellisest toorainest biokütuse tootmine nõuab suuri kulutusi, kuid võimaldab lahendada mittesöödavate jääkide utiliseerimise koos põlevmaterjalide tootmisega.

Sellesse liiki kuuluvate kultuuride eripäraks on nendes leiduv ligniin ja tselluloos. Tänu nendele saab biomassi põletada ja gaasistada ning ka pürolüüsida, et saada vedelkütust.

Teise põlvkonna biomassi peamiseks puuduseks peetakse ebapiisavat saagikust pindalaühiku kohta, mistõttu tuleb selliste kultuuride all kasutada märkimisväärseid maaressursse.

Kolmas põlvkond. Biokütuse tootmise tooraineks on vetikad, mida kasvatatakse tööstuslikus mahus, näiteks avatud veekogudes.

Kõige perspektiivikamaks variandiks peetakse biokütust, mida saadakse üherakulistest vetikatest. Sellised taimed kasvatavad kiiresti massi ning nende kasvatamiseks ei ole vaja viljakaid maid.

Sellisel praktikal on suured väljavaated, kuid praegu on sellised tehnoloogiad alles väljatöötamisel. Teadlased viivad läbi ka uuringuid, et luua meetodeid, mis võimaldavad saada neljanda ja isegi viienda põlvkonna biokütust.

Kolm biokütuse liiki

Sõltuvalt aine olekust eristatakse kolme peamist biokütuse tüüpi:

1. Tahke: küttepuud, turvas, loomade ja põllumajandustootmise jäätmed.
2. Vedel: biodiisel, dimetüüleeter, bioetanool, biobutaanool.
3. Gaasilised: biogaas, metaan, biovesinik.

Igal ainetüübil on oma eripära, mida käsitletakse allpool.

Tüüp #1: tahke

Kõige populaarsemate tahkete biokütuste liikide hulka kuuluvad puit, turvas, loomade jääkained.

Puit (küttepuud, hakkepuit, saepuru)

Biokütuse vana liik on kõigile hästi tuntud küttepuud, mida on iidsetest aegadest kasutatud kodude kütmiseks ja toidu valmistamiseks. Neid kasutatakse endiselt aktiivselt erinevates riikides soojuse/elektri tootmiseks, eelkõige töötab küttepuudel suur Austria soojuselektrijaam, mille võimsus on 66 megavatti.

Samas on sellisel toorainel puudusi. Küttepuude energeetiline väärtus on suhteliselt madal: põletamisel settib osa ainest tahmana, mistõttu tuleb kaminat ja ahju regulaarselt puhastada. Lisaks nõuab puiduvarude täiendamine teatud aega – uued puud kasvavad alles 15-20 aasta pärast.

Suurepäraseks alternatiiviks tavalistele küttepuudele on pelletid (graanulid), mille tootmiseks kasutatakse mittekonditsioonilist puitu: puukoor, hakkepuit, pressitud saepuru, oksad.

Puidust, turbast ja erinevatest jäätmetest saadud pelletid on erinevat värvi. Heledaid kasutatakse kaminates ja ahjudes kütmiseks, samas kui tumedad, suure kooresisaldusega, on ette nähtud tahkeküttekateldele.

Kütusepelletite tootmiseks purustatakse tooraine tolmuks, mis seejärel kuivatatakse ja pressitakse kõrgel temperatuuril. Tänu puidus sisalduvale ligniinile moodustub kleepuv mass, millest vormitakse väikesed silindrid pikkusega 5-70 mm ja läbimõõduga 6-10 mm.

Kaasaegseks alternatiiviks traditsioonilistele küttepuudele on nelja-, kuue- või kaheksanurksed kütusebrikett. See keskkonnasõbralik materjal on kõrge soojusülekandega.

Pelletite tootmist saab ise korraldada, valmistades pressi kütusebrikettide jaoks.

Populaarsete biokütuste liikide hulka kuulub puiduhake, mis on sageli energiaallikaks Euroopa soojuselektrijaamades. Selle tooraine tootmine toimub metsaraietel või spetsiaalsetel tootmisliinidel, mis on varustatud purustusmasinatega.

Soo- ja metsakütuse turvas

See on levinud biokütuse liik, mida on kasutatud olme- ja tööstuslikel eesmärkidel sajandeid. Turvas on soo tingimustes täielikult lagunemata samblakiht, mida kaevandatakse paljudes maailma riikides: Venemaa, Valgevene, Kanada, Rootsi, Indoneesia ja teised.

Turvas, mis sisaldab 50-60% süsinikku, on populaarne gaasikandja materjal. See väärtuslik toore võib leida kasutust mitte ainult kütusena, vaid ka väetise või soojusisolaatorina.

Tootmisprotsessi mugavuse huvides töödeldakse biomassi tavaliselt kohapeal. Protsess koosneb tooraine puhastamisest (sõelumisest) võõrkehade eemaldamiseks, millele järgneb kuivatamine ja vormimine brikettide või graanulitena.

Põllumajandusjäätmetest kütus

Põllumajanduslikus tootmises koguneb tavaliselt suur hulk erinevaid taimseid jäätmeid: taimede välimised kestad, pähklikoored, õled.

Sarnast toorainet saab samuti pressida ja granuleerida, saades kütusepelleteid, mille omadused ei erine praktiliselt puidubiomassist valmistatud graanulitest.

Loomse päritoluga biokütus

Juba vanasti hakkasid inimesed koos küttepuudega kasutama loomset päritolu kütust, nimelt kizjakid – kuivanud koduloomade sõnnikut. Kaasaegsed kuivatamis- ja töötlemistehnoloogiad võimaldavad saada tahkeid biokütuseid, millel puudub täielikult ebameeldiv lõhn.

Juba ammustest aegadest kasutasid rändrahvad kütusena hobuste, kaamelite ja veiste kuivanud sõnnikut. Tänapäeval valmistatakse koduloomade elutegevuse jäätmetest biokütust brikettide või pelletitena.

Kuna tänapäeval kogunevad loomakasvatuse jäätmed tööstuslikus mahus, lahendab nendest kütuse valmistamine ühtlasi nende utiliseerimise küsimuse.

Tüüp #2: vedel

Vedelad biokütuse variandid, mis eristuvad ohutuse ja keskkonnasõbralikkuse poolest, kasutatakse enamasti bensiini ja muude sarnaste vahendite asendajana. Kõige levinumate variantide hulka kuuluvad bioetanool, biometanool, biobutanool, biodiisel, dimetüüleeter.

Bioetanool taimsetest kultuuridest

See on levinud vedel biokütus, mida kasutatakse autode tankimiseks. Kuigi puhast ainet kütusena ei kasutata, aitab selle lisamine bensiinile parandada mootori tööd, suurendada selle võimsust, kontrollida mootori kuumutamist ja vähendada heitgaaside heitkoguseid.

Paljudes Euroopa, Aasia, Põhja- ja Lõuna-Ameerika tanklates pakutakse lisaks traditsioonilisele kütusele ka erinevaid biokütuseid, eelkõige bioetanooli sisaldavaid segusid.

Bioetanooli on hinnanud ka kaminasõbrad. Sellel ainel on hea soojusülekanne, pealegi ei teki selle põlemisel tahma ega suitsu ning eralduva süsihappegaasi hulk on viidud miinimumini.

Tänu sellistele omadustele saab kütust kasutada isegi koldes kütmiseks kortermajades. Lisateavet kaminate biokütuse kohta on kirjutatud selles artiklis.

Bioetanooli tootmine toimub esimese põlvkonna toorainest, mis sisaldab tärklist või suhkrut. Teraviljad, mais, suhkruroog, peet töödeldakse alkohoolse kääritamise tehnoloogia abil.

Biobutanool autode tankimiseks

Biobutanoon – bioloogilisel teel saadud butanooli analoog. Värvitu vedelik, iseloomuliku lõhnaga, mida kasutatakse laialdaselt keemilise toormena tööstuses ning seda saab kasutada ka transpordikütusena.

Butanooli energiamahukuse näitaja on lähedane bensiinile, mis võimaldab viimast osaliselt asendada kütuseelementides. Erinevalt bioetanoolist saab biobutanooli kasutada iseseisvalt, ilma traditsioonilisi kütuseliike lisamata.

Selle bioaine tootmise toormena kasutatakse väga erinevaid taimi: peet, maniokk, nisu, mais.

Dimetüüleeter (C₂H₆O)

See on samuti keskkonnasõbralik kütus. Selle põletamisel heitgaasides puuduvad väävliühendid ning lämmastikuühendite sisaldus on 90% madalam kui bensiini põlemisel.

Dimetüüleetrit saab kasutada ilma spetsiaalsete filtriteta, kuid auto konstruktsiooni (toitesüsteem, mootori süüde) tuleb teha põhjapanevad muudatused.

Dimetüüleetrit peetakse perspektiivseks autokütuse variandiks. Sellisele kütusele mõeldud mootoritega autosid arendavad sellised suured ettevõtted nagu Volvo, SAIC Motor, KAMAZ, Nissan

Ilma mingite ümberehitusteta saab kasutada kombineeritud kütust, mis sisaldab 30% dimetüüleetrit LPG-mootoritega varustatud autodes.

Vedelat kütust saab toota erinevast toormest: maagaasist, kivisöetolmust, biomassist ja eelkõige tselluloosi- ja paberitootmisjääkidest, mis muutuvad madalal rõhul vedelikuks.

Biometanool üherakulistest vetikatest

Sarnane aine on tavalise metanooli analoog, mida kasutatakse laialdaselt mitmete keemiliste ühendite (äädikhape, formaldehüüd) tootmiseks ning ka antifriisi ja lahustina.

Esimest korda tõstatati seda tüüpi biokütuse tootmise küsimus 1980. aastatel, kui teadlaste rühm pakkus välja vedela aine tootmise mere fütoplanktoni biokeemilise transformatsiooni teel, mida kultiveeritakse spetsiaalsetes veekogudes.

Biometanoolil on rida potentsiaalseid eeliseid:

• kõrge energia väljund – 14 metaani tootmisel, 7 metanooli tootmisel;
• suurepärane fütoplanktoni tootlikkus – kuni 100 tonni hektarilt aastas;
• üherakuliste organismide vähenõudlikkus, mille kultiveerimiseks pole vaja magedat vett ega viljakaid muldasid;
• põllumajandusressursside säilitamine, kuna fütoplanktonit kasvatatakse tiikides või merelahtedes.

Kuigi biometanooli tööstuslik tootmine pole siiani korraldatud, tehakse praegu püsivaid uuringuid ja tehnoloogiaarendusi, et arendada selle alternatiivkütuse tootmist.

Biodiisel kui alternatiiv transpordikütusele

See on vedel mootori biokütus, mis koosneb rasvhapete estrite segust. Aine on inimestele ja loomadele ohutu, laguneb pinnases peaaegu täielikult 28 päevaga ning sellel on suhteliselt kõrge (<100) süttimistemperatuur.

Biodiisel vähendab kahjulike heitgaaside protsenti ning pikendab mootori tööiga, kuna see sisaldab määrdekomponente.

Kütust kasutatakse automootorite tankimiseks nii eraldi kui ka tavatavalise kütusega kombineerituna. Arvestada tuleb vaid bioloogilise aine lühikese säilivusajaga: kolme kuu pärast algab bioloogilise aine lagunemine, millega kaasneb omaduste täielik kaotus.

Biodiisli jaoks võeti ELi riikides vastu spetsiaalne standard EN14214. Mitmes riigis kehtib ka standard EN590, mis lubab lisada 5% biodiislit muusse kütusesse.

Tüüp #3: gaasiline

Gaasilise bioloogilise kütuse põhiliikide hulka kuuluvad biogaas ja biovesinik.

Biogaas loodusliku gaasi asendajana

Biogaas on loodusliku gaasi peaaegu täielik analoog: see sisaldab 13-50% CO_2, 49-87% metaani ning lisandeid H₂ ja H₂S. Kui see aine puhastada süsihappegaasist, on võimalik saada biometaani.

Gaasilist biokütust toodetakse biomassist vesiniku- või metaanikäärimise meetodil. Viimast põhjustavad kolme tüüpi mikroorganismid: esmalt töödeldakse toorainet hüdrolüüsibakteritega, mis seejärel asenduvad happe moodustavate ja metaani moodustavate mikroobidega.

Biogaasi tootmist saab läbi viia tööstuslikel ja käsitöönduslikel seadmetel. Levinuim tootmisviis on aeroobne kääritamine metaanpaakides.

Toormaterjalina võib kasutada mitmesuguseid materjale: silo, sõnnik, vetikad, reovesi, väljaheited, fekaalijäägid, olmejäätmed. Algne aine viiakse homogeensesse olekusse, misjärel paigutatakse see laaduri abil reaktorisse.

Seal hoitakse mugavat temperatuuri +35-38°C, mis on vajalik metaanikäärimise protsessi läbiviimiseks.

Toorainet segatakse pidevalt, samal ajal juhitakse tekkiv gaasiline produkt gaasihoidikusse (salvestusplokki), kust see jõuab elektrigeneraatorisse.

Täpsemalt on biogaasi saamisest sõnnikust ja biogaasiseadme rajamisest kirjutatud artiklites:

1. Kuidas valmistada biokütust oma kätega sõnnikust kodustes tingimustes
2. Biogaasiseade eramaja jaoks ise: soovitused seadme kohta ja näide ise tehtud seadme rajamisest

Keemilisel meetodil saadud biovesinik

Gaasilise biokütuse liik, mis on tavalise vesiniku analoog, saadakse biomassist biokeemilise või termokeemilise meetodi abil.

Termokeemilise meetodi korral kuumutatakse ettevalmistatud toorainet (näiteks puidujäätmeid) temperatuurini 500–800°C ilma hapniku juurdepääsuta, eraldudes gaasid H₂, CO, CH₄.

Paljutõotav meetod biovesiniku tootmiseks on biofotolüüs. Sel juhul toodetakse gaasi vetikate abil, mis paigutatakse merevette, kanalisatsiooniheitvettesse.

Biokeemilise meetodi puhul hoitakse toormaterjali mugavates tingimustes normaalsel rõhul ja umbes 30°C juures.

Biomassi lisatakse spetsiaalsed mikroorganismid Enterobacter cloacae, Rodobacter speriodes, mis lagundavad lähtetoodet, eraldades vesinikku. Tootmise kiirendamiseks polüsahhariidide abil on lubatud ensüümide lisamine.

Järeldused ja kasulik video teemal

Allpool esitatud videos on näha populaarse biokütuse liigi – puidubrikettide – valmistamise protsessi:

Bioloogilise kütuse liigid erinevad mitte ainult agregaatoleku, vaid ka omaduste poolest. Selliste materjalide valikul tuleb arvesse võtta nende kavandatud kasutust, tõhusust, funktsionaalseid omadusi ja maksumust.

Kas teil on alternatiivse kütuse kasutamise kogemusi? Või soovite esitada küsimusi biokütuse teemal? Palun kommenteerige väljaannet ja osalege aruteludes. Tagasisideplokk asub allpool.