바이오연료의 종류: 고체, 액체, 기체 연료의 특성 비교

전통적인 에너지 자원의 대안은 식물이나 동물 원료, 산업 폐기물 및 유기체의 중요한 활동 결과를 사용하여 생산되는 다양한 유형의 바이오 연료입니다.

우리는 이러한 연료 사용의 장단점을 이해하고 생산 특징, 기능적 특성을 파악하고 다양한 유형의 생물학적 연료 사용의 효율성을 평가할 것을 제안합니다. 제공된 정보는 대체 에너지원을 선택하는 데 도움이 될 것입니다.

바이오연료란 무엇인가

에너지 부문에서 가장 유망한 방향은 생물학적 연료를 포함한 재생 가능한 자원을 사용하는 기술입니다.

가장 일반적인 유형의 생물학적 연료는 일반 장작입니다. 세계 인구의 38%가 난방과 요리에 사용합니다.

산업 폐기물이나 동물 폐기물을 포함한 식물/동물 유래 바이오매스를 생산 원료로 사용할 수 있습니다.

이러한 물질의 가공은 열화학적 또는 생물학적 방법으로 수행되며 후자의 경우 다양한 유형의 미생물을 사용하여 연료를 얻습니다.

생물연료의 사용 비중이 지속적으로 증가하여 화석탄화수소 자원 보존에 기여하고 있습니다. (+)

많은 국가에서는 국가 및 지역 에너지 소비에서 바이오연료의 비중을 확대하기 위한 특별 프로그램을 운영하고 있습니다. 또한 많은 주에서는 이 에너지원의 사용에 대한 필수 표준을 가지고 있습니다.

바이오연료의 장점과 단점

생물학적 연료에는 긍정적인 측면과 부정적인 측면이 있습니다. 이러한 유형의 원료 사용에 대한 관심은 의심할 여지 없는 장점으로 인해 발생합니다.

여기에는 다음이 포함됩니다.

• 예산 비용. 현재 바이오 연료 가격은 휘발유 가격과 거의 같지만, 생물학적 물질은 연소 시 배출량이 적기 때문에 더 수익성이 높은 연료 유형으로 간주됩니다. 바이오 연료는 다양한 조건에서 사용하기에 적합하며 다양한 설계의 엔진에 적용할 수 있습니다. 또 다른 장점은 엔진 작동 최적화로, 적은 양의 그을음과 배기가스로 인해 더 오랫동안 깨끗한 상태를 유지한다는 것입니다.
• 유동성. 생물학적 연료는 휴대성 측면에서 다른 대체 에너지원과 다릅니다. 태양광 및 풍력 설비에는 일반적으로 무거운 배터리가 포함되므로 영구적으로 사용되는 경우가 가장 많으며, 바이오 연료는 큰 어려움 없이 한 지역에서 다른 지역으로 운송할 수 있습니다.
• 재생에너지원. 연구자들은 기존 원유 매장량이 적어도 수백 년 동안 지속될 것이라고 믿고 있지만, 화석 매장량은 여전히 ​​유한합니다. 식물과 동물의 배설물로 만들어진 바이오연료는 가까운 미래에 사라질 위험이 없는 재생 가능한 자원 중 하나입니다.
• 지구 대기 보호. 전통적인 탄화수소의 주요 단점은 CO의 비율이 높다는 것입니다.₂, 연소되면 방출됩니다. 이 가스는 지구의 대기에 온실 효과를 만들어 지구 온난화의 조건을 만듭니다. 생물학적 물질이 연소되면 이산화탄소의 양이 65%로 감소합니다. 또한, 바이오 연료 생산에 사용되는 작물은 일산화탄소를 소비하여 대기 중 일산화탄소의 비율을 줄입니다.
• 경제적 안정. 탄화수소 매장량은 고르지 않게 분포되어 있기 때문에 일부 주에서는 석유나 천연가스를 구입해야 하며 획득, 운송 및 저장에 많은 돈을 지출해야 합니다. 거의 모든 국가에서 다양한 유형의 생물학적 연료를 생산할 수 있습니다. 생산과 가공에는 새로운 기업과 그에 따른 일자리 창출이 필요하기 때문에 이는 국가 경제에 도움이 되고 사람들의 복지에 긍정적인 영향을 미칠 것입니다.

기술을 개선하고 새로운 방법을 개발하면 바이오연료의 긍정적인 효과를 높일 수 있습니다. 따라서 플랑크톤과 조류를 이용한 기술의 개발은 플랑크톤의 가격을 크게 낮추게 될 것이다.

동시에, 현재의 과학기술 발전 단계에서 바이오연료 생산은 많은 어려움과 불편함을 안고 있습니다. 우선, 이는 식물 재배에 있어 자연적인 한계입니다.

바이오매스 생산에 사용되는 작물의 성장을 위해서는 다음과 같은 여러 가지 요소를 고려해야 합니다.

• 물 사용. 농업 식물은 특히 건조한 지역에서 한정된 자원인 물을 많이 소비합니다.
• 침략성. 연료용으로 재배되는 작물은 공격적인 경우가 많습니다.그들은 실제 식물군을 질식시켜 해당 지역의 생물 다양성과 생태계를 악화시킬 수 있습니다.
• 비료. 많은 식물은 자라기 위해 추가 영양분을 필요로 하며, 이는 다른 작물이나 전체 생태계에 해를 끼칠 수 있습니다.
• 기후. 특정 기후대(예: 사막 또는 툰드라)는 바이오연료 작물 재배에 적합하지 않습니다.

농업 식물의 활발한 재배는 농업 자원의 고갈과도 관련이 있습니다. 농업 기술 규칙을 준수하지 않으면 유용한 토양 구성 요소의 함량이 감소하고 결과적으로 고갈되어 토양이 악화될 수 있습니다. 음식 문제.

생태계가 교란됩니다. 바이오매스 생산에는 일반적으로 농업 지역의 확장이 필요합니다.

종종 이러한 목적을 위해 영토가 정리되어 미세 생태계 (예 : 숲)가 파괴되고 식물과 동물이 죽습니다.

바이오연료를 생산하기 위해 이미 많은 양의 작물이 재배되고 있습니다. 유럽에서 생산되는 유채의 50% 이상, 미국 곡물의 1/3 이상, 브라질에서 재배되는 사탕수수의 거의 절반이 바이오매스 생산에 사용됩니다.

단일문화가 성장하면서 문제가 발생합니다. 더 큰 바이오매스 수확량을 얻기 위해 생산자는 종종 토지에 특정 식물을 심습니다. 단일 재배로 인해 환경 변화가 발생하기 때문에 이러한 관행은 농경지에 좋지 않습니다.

한 가지 유형의 식물이 차지하는 밭은 일반적으로 특별한 유형의 해충에 의해 감염됩니다.살충제와 살충제를 사용하여 이러한 물질을 퇴치하려는 시도는 이러한 물질에 대한 저항성을 키우게 됩니다.

위에서 설명한 문제를 피하기 위해 과학자들은 밭에서 여러 식물을 결합하여 작물의 생물 다양성을 무시하지 말고 지역 식물 품종을 사용할 것을 권고합니다.

대체 연료의 세대

바이오매스에 사용되는 광범위한 식물 원료는 일반적으로 여러 세대로 나누어집니다.

첫 세대. 이 범주에는 전분, 설탕, 지방 함량이 높은 농작물이 포함됩니다. 옥수수, 사탕무, 유채, 콩과 같은 인기 있는 식물이 여기에 속합니다.

이러한 작물을 재배하는 것은 기후에 해를 끼치고 시장에서 이러한 작물을 제거하면 식량 가격에 영향을 주기 때문에 과학자들은 이를 다른 유형의 바이오매스로 대체하려고 노력하고 있습니다.

거의 모든 유형의 현대 액체 연료(바이오디젤, 에탄올)는 현재 1세대 원료에 속하는 농업 공장에서 생산됩니다.

2세대. 바이오매스 그룹에는 목재, 풀, 농업 폐기물(껍질, 껍질)이 포함됩니다. 이러한 원료로부터 바이오 연료를 생산하는 것은 비용이 많이 들지만 가연성 물질을 동시에 생산하면서 비식품 잔류물 재활용 문제를 해결할 수 있습니다.

이 품종에 포함된 작물의 특징은 리그닌과 셀룰로오스가 함유되어 있다는 것입니다. 덕분에 바이오매스는 연소되고 가스화될 수 있을 뿐만 아니라 열분해되어 액체 연료를 생산할 수도 있습니다.

2세대 바이오매스의 가장 큰 단점은 단위 면적당 수익이 충분하지 않다는 점이며, 이는 그러한 작물에 상당한 토지 자원을 할당해야 하는 이유입니다.

3세대. 바이오 연료 생산을 위한 원료는 조류이며, 예를 들어 개방형 저장소에서 산업 규모로 재배됩니다.

가장 유망한 옵션은 단세포 조류에서 얻은 바이오연료로 간주됩니다. 이러한 식물은 빠르게 체중을 늘리며 자라기 위해 비옥한 땅이 필요하지 않습니다.

이 관행은 큰 가능성을 가지고 있지만 현재 이러한 기술은 개발 중입니다. 과학자들은 또한 4세대, 심지어 5세대 바이오연료를 얻을 수 있는 기술을 개발하기 위한 연구도 진행하고 있습니다.

세 가지 유형의 바이오 연료

물질의 응집 상태에 따라 바이오연료에는 세 가지 주요 유형이 있습니다.

1. 단단한: 장작, 이탄, 동물 및 농업 폐기물.
2. 액체: 바이오디젤, 디메틸에테르, 바이오에탄올, 바이오부탄올.
3. 텅빈: 바이오가스, 메탄, 바이오수소.

각 유형의 물질에는 고유한 특성이 있으며 이에 대해서는 아래에서 설명합니다.

유형 #1: 하드

가장 널리 사용되는 고체 유형의 생물학적 연료에는 목재, 이탄 및 동물 폐기물이 포함됩니다.

목재(장작, 칩, 톱밥)

고대 유형의 바이오 연료는 잘 알려진 장작으로 오랫동안 집을 난방하고 음식을 요리하는 데 사용되었습니다. 지금까지 여러 국가에서 열/전기를 생산하기 위해 적극적으로 사용되었으며, 특히 66 메가와트 용량의 오스트리아 대형 화력 발전소가 목재로 운영되고 있습니다.

동시에 이러한 원자재에는 단점도 있습니다. 장작의 에너지 가치는 상대적으로 낮습니다. 연소되면 물질의 일부가 그을음 형태로 침전되므로 벽난로와 스토브를 정기적으로 청소해야 합니다.또한 목재 매장량을 보충하는 데 일정 시간이 걸립니다. 새로운 나무는 15-20년 후에야 자랄 것입니다.

기존 장작에 대한 훌륭한 대안은 표준 이하의 목재가 사용되는 펠릿(과립)입니다. 나무껍질, 목재 칩, 압축된 톱밥, 개년아.

목재, 이탄 및 다양한 폐기물에서 얻은 펠릿은 색상이 다릅니다. 밝은 것은 벽난로와 스토브를 발사하는 데 사용되는 반면 나무 껍질 함량이 높은 어두운 것은 고체 연료 보일러에 사용됩니다.

연료 펠릿을 생산하기 위해 원료를 분쇄하여 먼지로 만든 다음 고온에서 건조하고 압착합니다. 목재에 함유된 리그닌 덕분에 끈적끈적한 덩어리가 형성되고, 이로부터 길이 5~70mm, 직경 6~10mm의 작은 원통이 형성됩니다.

전통적인 장작에 대한 현대적인 대안은 4각형, 6각형 또는 팔각형 연료 연탄입니다. 열전도율이 높은 친환경 소재입니다.

펠렛 생산을 직접 설정할 수 있습니다. 연료 연탄 프레스.

인기 있는 바이오 연료 유형 중에는 유럽 화력 발전소에서 종종 에너지원으로 사용되는 우드 칩이 있습니다. 이러한 원자재의 생산은 벌목장이나 분쇄기가 장착된 특수 생산 라인에서 수행됩니다.

늪 및 산림 연료 이탄

이는 수세기 동안 가정용 및 산업용으로 사용되어 온 일반적인 유형의 바이오 연료입니다. 이탄은 늪지대에서 완전히 분해되지 않은 이끼층으로 러시아, 벨로루시, 캐나다, 스웨덴, 인도네시아 등 전 세계 여러 국가에서 채굴됩니다.

50~60%의 탄소를 함유한 이탄은 인기 있는 가스 함유 물질로 간주됩니다. 이 귀중한 원료는 연료뿐만 아니라 비료나 단열재로도 사용할 수 있습니다.

생산 공정을 용이하게 하기 위해 바이오매스는 일반적으로 추출 현장에서 처리됩니다. 이 공정은 외부 함유물에서 원료를 청소(체질)한 다음 건조하고 연탄이나 과립으로 성형하는 것으로 구성됩니다.

농업폐기물 연료

농업 생산에서는 일반적으로 식물의 외부 껍질, 견과류 껍질, 짚 등 다양한 식물 폐기물이 많이 축적됩니다.

이러한 원료는 압축 및 과립화되어 연료 펠릿을 생성할 수도 있으며, 그 특성은 목재 바이오매스로 만든 펠릿과 실질적으로 다르지 않습니다.

동물성 바이오연료

장작과 함께 고대에는 사람들이 동물성 연료, 즉 가축의 똥을 말린 똥을 사용하기 시작했습니다. 이러한 원료를 건조하고 가공하는 현대 기술을 통해 불쾌한 냄새가 전혀 없는 고체 종류의 바이오연료를 얻을 수 있습니다.

오랫동안 유목민들은 말, 낙타, 소의 마른 거름을 연료로 사용했습니다. 현재 바이오연료는 가축분뇨로부터 연탄이나 펠릿 형태로 생산된다.

현재 축산 폐기물은 산업 규모로 축적되어 있기 때문에 이를 통해 연료를 생산하면 폐기 문제도 동시에 해결됩니다.

유형 #2: 액체

안전하고 환경 친화적인 액체 바이오 연료는 휘발유 및 기타 유사한 제품의 대체품으로 주로 사용됩니다.가장 일반적인 옵션에는 바이오에탄올, 바이오메탄올, 바이오부탄올, 바이오디젤 및 디메틸 에테르가 포함됩니다.

식물 작물의 바이오 에탄올

이는 자동차 연료에 사용되는 일반적인 액체 바이오연료입니다. 순수한 물질은 연료로 사용되지 않지만 휘발유에 첨가하면 엔진 성능 향상, 출력 증가, 엔진 가열 제어 및 배기 가스 배출 감소에 도움이 됩니다.

유럽, 아시아, 북미 및 남미의 많은 주유소에서는 기존 연료뿐만 아니라 다양한 유형의 바이오연료(주로 바이오에탄올을 함유한 혼합물)도 제공합니다.

바이오에탄올은 벽난로 애호가들에게도 높이 평가되었습니다. 이 물질은 열전달이 좋고, 연소 시 그을음이나 연기가 발생하지 않으며, 이산화탄소 방출량이 최소화됩니다.

이러한 기능 덕분에 연료는 아파트 건물의 난로를 태우는 데에도 사용될 수 있습니다. 벽난로용 바이오 연료에 대해 자세히 알아보세요. 이 기사.

바이오에탄올은 전분이나 설탕을 함유한 1세대 원료로 생산됩니다. 곡물, 옥수수, 사탕수수, 사탕무는 알코올 발효 기술을 사용하여 가공됩니다.

자동차 주유용 바이오부탄올

바이오부탄올은 부탄올의 생물학적 유래 유사체입니다. 독특한 냄새를 지닌 무색의 액체로 산업계의 화학원료로 널리 사용되며, 수송용 연료로도 사용될 수 있다.

부탄올의 에너지 강도는 휘발유와 비슷하므로 연료전지에서 휘발유를 부분적으로 대체할 수 있습니다. 바이오에탄올과 달리 바이오부탄올은 전통적인 유형의 연료를 추가하지 않고도 독립적으로 사용할 수 있습니다.

이 생체 물질을 생산하는 원료는 사탕무, 카사바, 밀, 옥수수 등 다양한 식물입니다.

디메틸에테르(C₂시간₆영형)

친환경 연료이기도 합니다. 연소 시 배기가스에는 황화합물이 없으며, 질소화합물 함량은 휘발유 연소 시보다 90% 낮습니다.

디메틸 에테르는 특수 필터 없이 사용할 수 있지만 자동차 설계(전원 시스템, 엔진 점화)에 근본적인 변화가 이루어져야 합니다.

디메틸 에테르는 자동차 연료의 유망한 옵션으로 간주됩니다. 이 연료용으로 설계된 엔진이 장착된 자동차는 Volvo, SAIC Motor, KAMAZ, Nissan과 같은 대기업에서 개발되고 있습니다.

LPG 엔진이 장착된 자동차에는 디메틸에테르 30% 함유 복합연료를 아무런 개조 없이 사용할 수 있습니다.

액체 연료는 천연가스, 석탄 분진, 바이오매스 등 다양한 원료로부터 생산될 수 있으며, 무엇보다도 저압에서 액체로 변환되는 펄프 및 종이 생산 잔여물로부터 생산될 수 있습니다.

단세포 조류의 바이오메탄올

이 물질은 일반 메탄올과 유사하며 다양한 화합물(아세트산, 포름알데히드) 생산에 널리 사용되며 부동액 및 용매로도 사용됩니다.

이러한 유형의 바이오 연료를 생산하는 문제는 1980년대에 과학자 그룹이 특수 저장소에서 재배할 해양 식물성 플랑크톤의 생화학적 변형을 통해 액체 물질을 생산할 것을 제안했을 때 처음 제기되었습니다.

바이오메탄올에는 다음과 같은 여러 가지 잠재적 이점이 있습니다.

• 높은 에너지 효율 - 메탄 생산을 위한 14개, 메탄올 생산을 위한 7개;
• 우수한 식물성 플랑크톤 생산성 — 연간 헥타르당 최대 100톤;
• 까다롭지 않은 단세포 유기체, 담수와 비옥한 토양이 필요하지 않은 재배를 위해;
• 농업 자원 보존, 식물성 플랑크톤은 연못이나 바다 만에서 자라기 때문입니다.

바이오메탄올의 산업적 생산은 아직 확립되지 않았지만, 현재 이러한 유형의 대체 연료 생산을 개발하기 위한 끊임없는 연구와 기술 개발이 진행되고 있습니다.

운송 연료의 대안인 바이오디젤

이는 지방산 에스테르의 혼합물로 구성된 액체 모터 바이오연료입니다. 이 물질은 사람과 동물에게 안전하고 28일 만에 땅에서 거의 완전히 분해되며 비교적 높은(<100) 인화점을 갖습니다.

바이오디젤은 윤활 성분을 함유하고 있기 때문에 유해한 가스 배출 비율을 줄이고 엔진 수명을 연장합니다.

연료는 자동차 엔진에 연료를 공급하는 데 독립적으로 사용되거나 기존 연료와 함께 사용됩니다. 생물학적 물질의 짧은 유통기한만 고려해야 합니다. 3개월 후에는 생물학적 물질이 분해되기 시작하여 특성이 완전히 손실됩니다.

바이오디젤의 경우 EU 국가에서는 특별 표준 EN14214가 채택되었습니다. 많은 국가에서는 EN590 표준도 시행되어 다른 연료에 5%의 바이오디젤을 추가할 수 있습니다.

유형 #3: 기체

기체상 생물학적 연료의 주요 유형에는 바이오가스와 바이오수소가 포함됩니다.

천연가스를 대체하는 바이오가스

바이오가스는 거의 완전한 천연가스 유사체입니다. 이는 13-50%의 CO를 함유하고 있습니다._2, 49-87% 메탄 및 H 불순물₂ 그리고 H₂에스.이 물질을 이산화탄소로부터 정제하면 바이오메탄을 얻을 수 있다.

기체 바이오연료는 수소 또는 메탄 발효를 통해 바이오매스로부터 생산됩니다. 후자는 세 가지 유형의 미생물에 의해 발생합니다. 첫째, 원료가 가수분해 박테리아에 노출된 후 산 생성 및 메탄 생성 미생물로 대체됩니다.

바이오가스 생산은 산업 및 수공예 장치를 사용하여 수행될 수 있습니다. 가장 일반적인 생산 방법은 소화조에서의 호기성 소화입니다.

사일리지, 거름, 조류, 폐수, 쓰레기, 배설물 잔류물, 가정 쓰레기 등 다양한 재료를 원료로 사용할 수 있습니다. 출발 물질을 균질한 상태로 만든 후 로더를 사용하여 반응기에 넣습니다.

그곳에서는 메탄 발효 과정에 필요한 +35-38°C의 쾌적한 온도가 유지됩니다.

원료는 지속적으로 혼합되는 반면, 생성된 가스 생성물은 가스 홀더(저장 장치)로 배출되어 발전기로 들어갑니다.

거름에서 바이오가스를 얻고 바이오가스 플랜트를 설치하는 방법에 대한 자세한 내용은 다음 기사에 나와 있습니다.

1. 집에서 분뇨로 직접 손으로 바이오 연료를 만드는 방법
2. 개인 주택을 위한 DIY 바이오가스 플랜트: 장치 권장 사항 및 수제 제품 준비 예

화학적 방법으로 얻은 바이오수소

기존 수소와 유사한 일종의 기체 바이오연료는 생화학적 또는 열화학적 방법을 사용하여 바이오매스에서 얻습니다.

열화학적 방법에서는 준비된 원료(예: 목재 폐기물)를 산소 없이 500~800°C의 온도로 가열하여 H 가스를 방출합니다.₂,CO,CH₄.

바이오수소를 생산하는 유망한 방법은 생체분해이다. 이 경우 가스는 해수, 하수 등에 존재하는 조류를 이용하여 생산된다.

생화학적 방법을 통해 원료는 상압과 약 30°C의 온도에서 편안한 상태로 유지됩니다.

특수 미생물인 엔테로박터 클로아카에(Enterobacter cloacae)와 로도박터 스페리오데스(Rodobacter sperides)가 바이오매스에 도입되어 원래 제품을 분해하여 수소를 방출합니다. 다당류를 사용하여 생산 속도를 높이기 위해 효소를 첨가할 수 있습니다.

주제에 대한 결론 및 유용한 비디오

아래 비디오에서는 인기 있는 바이오 연료인 목재 연탄을 만드는 과정을 볼 수 있습니다.

생물학적 연료의 종류는 응집 상태뿐만 아니라 특성도 다릅니다. 이러한 재료를 선택할 때는 용도, 효율성, 기능적 특성 및 비용을 고려해야 합니다.

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