6. Biobrændstoffer

Bioenergi er energi, der bliver skabt ved at forbrænde biologisk dannet organisk materiale. Dette bliver brugt i en hvis udstrækning i kræftværker til el-produktion, men er også langsomt ved at blive implementeret i transportsektoren, hvor man blander bioethanol i alm benzin. I dette kapitel vil der blive fokuseret på biobrændstoffer, men du kan læse meget mere om bioenergi her: iBook: https://itunes.apple.com/book/id590265247?mt=11

 

Hvad er biomasse?

Biomasse produceres typisk i landbruget og skovbruget og kan være etårige afgrøder som halm, korn og raps, eller det kan være flerårige afgrøder som f.eks. træ. Når begrebet biomasse benyttes i forbindelse med energiproduktion og forbrug, skal det forstås som biologisk materiale, der enten direkte eller efter raffinering/behandling kan benyttes som brændsler. I kraft- varmeproduktion kan dette være træ eller halm som benyttes uden videre behandling. Biomasse benyttes i transportsektoren til at producere biobenzin eller biodiesel.

Den energi vi har tilrådighed i biomassen stammer i virkeligheden fra solen. Ved hjælp af fotosyntesen bliver solens stråler omdannet i planternes blade, hvor der produceres glukose. Dette bruges til at opbygge planter og træer.

Læs om fotosyntese her: http://www.skoven-i-skolen.dk/default.asp?m=10&a=1495

 

1. og 2. Generation biobrændstoffer

Der skelnes mellem første og anden generations biobrændstoffer. Første generation biobrændstoffer produceres af korn, majs, sukkerroer, sukkerrør eller rapsfrø. Der har været en del modstand mod at lave brændstof af noget der ellers kunne være brugt til mad, da sult og hungersnød er et stort problem rundt om i verden, og da der sjældent er en klimafordel ved denne type biobrændstoffer.

Dette har betydet en øget fokus på anden generation biobrændstof, som produceres af halm, træ og organisk affald fra industri og husholdninger. Da der her er tale om biprodukter af fødevareproduktion, har produktionen af anden generations biobrændstoffer generelt mindre negativ indflydelse på den mængde fødevarer der produceres. Dog kan det medføre f.eks. udpining af jorden hvis alt organisk stof vedvarende fjernes, som f.eks. halmen. Dette er tilfældet i mange af de lerede jorde i Danmark, hvorfor produktionen af 2. generations biobrændstoffer næppe kan øges væsentlig her.

 

Alternative brændstoffer

Som tidligere beskrevet er der stor forskel på egenskaberne for diesel og benzin. I det følgende vil der blive nævnt nogle forskellige biobrændstoffer der kan erstatte henholdsvis diesel og benzin.

 

Dieselalternativer

En populær betegnelse for miljøvenlige diesel alternativer er ”biodiesel”, som hører under kategorien FAME (fatty acid methyl ester). FAME kan produceres fra vegetabilske olier eller animalsk fedt. De mest udbredte er RME (raps methyl ester) og SME produceret fra soyabønner. Brændslet fremstilles ved at tilsætte methanol samt en kemisk katalysator der får de to stoffer til at reagere.

Energiindholdet eller mere præcist energitætheden i biodiesel er lidt mindre end konventionel diesel, hvilket gør at effekten i motorer der kører på biodiesel er en anelse mindre. Dette er dog ikke mere end ca. 5%. Almindelige dieselmotorer kan i princippet køre på disse brændstoffer uden ombygning, men i praksis har det vist sig at mindre justeringer af brændstofsystemet er nødvendig. Blandt andet kan der være problemer ved lave temperaturer om vinteren da biodiesel er mere tyktflydende hvilket betyder at brændstofslangerne i nogle tilfælde stopper til. Dette kan undgås ved at opvarme slangerne og øge størrelsen på dem.

 

 

Definition: Energitæthed

Energitæthed, også kaldet specifik energi, er hvor meget energi et kg af et givet stof indeholder målt i Joule. Energitæthed måles i  J/kg.

 

 

Alternative dieselbrændstoffer lavet fra gas kaldes syntetisk diesel. Det mest kendte er GTL (gas to liquid) der laves af naturgas. Dette er et fossilt brændstof på fod med almindelig diesel. Der er dog fordele ved GTL da emissionerne, det vil sige udstødningsgassen er renere end når der anvendes almindelig diesel. GTL har også en fordel med hensyn til forsyningssikkerhed, da de kendte oliereserver vurderes at slippe op før naturgasreserverne. Hvis en syntetisk gas bliver fremstillet på biogas, fra eksempelvis fermentering ville dette være en miljøvenlig biodiesel.

 

 

Fakta:Hvad er forskellen på naturgas og biogas?

Naturgas er et fossilt brændstof fra olie og gasdepoter under jordens overflade. Afbrænding af naturgas bidrager til global opvarmning. Biogas kan fremstilles på biologisk materiale ved fermentering og er en vedvarende energikilde.

 

 

Benzinalternativer

Det mest kendte miljøvenlige benzinalternativ er bioethanol. Bioethanol adskiller sig fra almindelig ethanol ved at være produceret på biologisk materiale. Dette gøres ved en kemisk proces kaldet fermentering.

Alkoholfermentering sker når gærsvampe tilføres en sukkerholdig opløsning, hvor gærsvampene får følgende reaktion til at ske:

Resultatet af reaktionen er de to produkter; kuldioxid og ethanol. Kuldioxid er en gas som vil boble op gennem opløsningen, men for at separere ethanol fra vandopløsningen skal opløsningen destilleres indtil den ønskede koncentration af ethanol er opnået.

Øvelse:

–       Hvad betyder fermentering?

–       Hvordan virker fermenteringsapparatet?

–       Hvorfor er det en god ide at fermentere madrester?

–       Beskriv hvilke problemer du ser i at få indsamlet madrester på f.eks. Roskildefestivalen?

 

Ethanol kan forholdsvis nemt anvendes i almindelige benzinmotorer med små justeringer. Dog er det et problem at ethanol opløser de gummislanger og pakninger der er anvendt i de fleste biler. Det er derfor nødvendigt at udskiftes disse. I dag kan man på mange tankstationer tanke benzin med 5% bioethanol blandet i benzinen. Dette kan alle benzinbiler køre på, også uden at lave nogle ændringer på bilen. Hvis en bil skal køre på 100% ethanol er det som minimum nødvendigt at ændre på timingen i motoren, da der skal mere energi (og derved tid) til at fordampe ethanol end benzin. Dette er dog en mindre operation, da det blot er noget software i bilens computer der skal ændres.

 

Øvelse: 

Afstem reaktionsligningen for forbrænding af methan så der er samme antal af hvert atom på venstre og højre side.

 

CH4 + O2 -> H2O + CO2

 

Andre miljøvenlige alternativer til benzin kan laves ved at forgasse biologisk materiale. En benzinmotor kan uden problemer køre på gas. Faktisk vil det være en fordel, da det derved er nemmere at blande luft og brændstof inden tændingstidspunktet. Det kræver selvfølgelig at der installeres en tryktank i bilen i stedet for en almindelig benzintank. Forgasning af f.eks. træ og halm kan foregå på flere måder. En måde er, efter at brændslet er tørret, at tilføre vanddamp og høj varme, omkring 800°C. Derved omdannes brændslet til gasserne  (kultile),  (brint) og  (methan) hvor de sidste nævnte er de mest interessante. Kulilte kan dog anvendes til at producere brint ved at lade det reagere med vand. Disse gasser kan, hvis man ønsker det, raffineres eller omdannes til et flydende brændstof  for at gøre det nemmer at håndtere ved påfyldning.

Øvelse: 

Færdiggør reaktionen mellem kulilte (carbonmonooxid) og vand:

CO + H2O -> ?

 

Det er dog vigtigt at huske, at forbruget af fossile brændsler i verden i dag er så stort, at der ingen mulighed er for at erstatte dette med biobrændstoffer, idet verdens biomasseproduktion ikke er stor nok til på ansvarlig vis helt at erstatte det nuværende olieforbrug med biobrændstoffer. Konsekvenserne ville da også være omfattende for fødevareproduktionen og verdens tilbageværende naturområder, herunder især regnskovene.

 

 

Øvelse: 

–       Er fritureolie 1. eller 2. generations biobrændstof?

–       Hvor får de olien fra til deres oliegenerator?

–       Hvad kan en generator?

–       Hvad er fidusen i at få en motor til at køre på rapsolie?

–       Hvilke etiske problemer er forbundet med at bruge olie til motorbrændstof?

–       Hvor stor effekt har generatoren?

–       Hvor mange liter fritureolie bruges der per telefonopladning?

–       Når generatoren yder 5000W bruger den 1,7liter fritureolie per time. Hvor meget elektrisk energi bliver der produceret på en time? Antag en virkningsgrad på 30% og at en densitet på 0,8kg/l: hvad er energiindholdet i fritureolien?

–       Drengene drømmer om at kunne levere strøm til hele ODEON scenen. Hertil skal der bruges en generator på 450kW (i gennemsnit bruger scenen 250kW). Hvor meget fritureolie skal der bruges til en koncert på 1 time?

 

CASE: Drengene i videoen foreslår at man kan bruge spildvarmen fra vandkøleren til at lave varmt vand til badene på Roskilde festival. Hvor længe skal generatoren køre for at varme vand op til et bad på 5 min (60liter) hvis vandet skal være 40°?

 

  • Energiindholdet i fritureolien antages at være 42000kJ/kg og tabet i vandkøleren er 20% af energien i fritureolien. Dette tab skal nu udnyttes til at opvarme badevand. Inden vandet opvarmes har det en temperatur på 10°.
  • For at bestemme den energi der bruges for at varme vandet op benyttes følgende formel:
  • m er massen af vandet, C_p er varmekapacitet for vandet. ∆T er temperaturstigningen. C_p=4,182 kJ/kg. 60 liter vand vejer 60kg.
  • E=7528kJ.
  • På en time bruger generatoren 1,7 liter, det svarer til: m_olie=1,7L *0,8kg/L = 1,36kg. E_olie= 1,36kg/time*42000kJ/kg =57120kJ/time.
  • t=7528kJ / 57120kJ/time = 0,13time -> 0,13time *60min/time= 7,9 min

 

Øvelse: 

Hvor meget energi skal der til at bringe 1,5L vand fra 5°C til kogepunktet i en elkedel?

Hvis elkedelen bliver forsynet med elektricitet fra frituregeneratoren, hvor meget fritureolie skal der bruges? Find de nødvendige data fra eksemplet og opgaven ovenfor.

 

[ssquiz id=”16″]

More...