Біопа́ливо або біологічне паливо () — це паливо, отримане та вироблене з органічних матеріалів, таких як рослини та їх залишки (деревина, сільськогосподарські культури, відходи й побічні продукти), яке може бути використане для виробництва енергії в біоенергетиці.
Біопаливо — це паливо, яке виробляється за допомогою сучасних технологічних процесів із біомаси, на відміну від інших природних ресурсів, таких як нафта й вугілля, вироблених в результаті дуже повільних геологічних процесів. Подібно до вугілля й нафти, біомаса — це форма збереженої сонячної енергії. Енергія сонця «захоплюється» через процес фотосинтезу під час росту рослин. Одна перевага біологічного палива в порівнянні з іншими типами палива — те, що воно повністю розкладається мікроорганізмами, і тому відносно безпечне для довкілля.
Сільськогосподарська продукція, яку вирощують для використання як біопаливо, включає кукурудзу, сою, льон, ріпак, цукрову тростину й пальмову олію. Розкладена мікроорганізмами продукція промисловості, сільського господарства, лісового господарства та побутові відходи також можуть використовуватися для отримання біоенергії, наприклад, солома, лісоматеріал, побічні продукти сільського господарства та харчової промисловості, стічні води й харчові відходи.
За допомогою новітніх технологій, біопаливо отримують зі спеціально підібраних водоростей, дріжджів та інших мікроорганізмів. Більше того, такі мікроорганізми спеціально модифікують методами генетичної та клітинної інженерії задля збільшення ефективності та зменшення витрат у виробництві біопалива.
Види біопалива Біопаливо поділяють на тверде, рідке і газоподібне. Тверде паливо — це традиційні дрова (часто у вигляді відходів деревообробки) і паливні гранули (пресовані дрібні залишки деревообробки) та залишки рослинності. Рідке паливо — це спирти (метанол, етанол, бутанол), ефіри. Біодизель — виготовляється з рослинних олій або жирових кислот і може використовуватися в дизельних двигунах. Він популярний в автомобільній промисловості та може бути більш екологічно чистим в порівнянні з традиційним дизельним паливом. Біоетанол — виробляється з рослин, зазвичай з кукурудзи чи цукрового тростини. Він використовується як біопаливо для бензинових двигунів та може допомогти знизити викиди парникових газів. Біобутанол — спирт бутиловий, виготовлений з біомаси, який може бути використаний в карбюраторному і інжекторному двигуні внутрішнього згоряння як у чистому вигляді, так і в сумішевому паливі. Може використовуватись в незміненому бензиновому двигуні. На відміну від етанолу, біобутанол є більш калорійним та менш затратним у виробництві, і, як біоетанол, біобутанол можна виробляти з кукурудзи, пшениці, цукрових буряків, цукрової тростини, сорго, кассава та ячменю. Біомазут — це вид біопалива, виготовлений з біомаси, такої як солома, деревина, лушпиння з кукурудзи, сіно і інші органічні матеріали. Біомазут використовується для опалення та генерації тепла в побуті та промисловості. Може бути перспективним для тих регіонів, де доступна велика кількість біомаси. Газоподібне паливо — різні газові суміші з чадним газом, метаном, воднем, які отримуються внаслідок термічного розкладання сировини у присутності кисню (газифікація), без кисню (піроліз) або при мікробному зброджуванні (ферментації). Біогаз — виробляється з органічних матеріалів, таких як органічні відходи і рослинні залишки. Він може бути використаний для генерації електроенергії та палива для автомобілів. Біогаз вважається перспективним в аспекті виробництва енергії з відходів. Біометан — це природний газ, компонент біогазу, вироблений з органічних матеріалів. Його використовують як замінник природного газу у побуті та промисловості. Він є чистим джерелом енергії та може допомогти знизити залежність від видобутку природного газу. Біоводень — біопаливо, яке виробляється за допомогою мікроорганізмів, які виробляють водень з біомаси відходів або інших органічних матеріалів; часто разом з біобутанолом. Біоводень може бути використаний як джерело водню для електрогенераторів, або у водневих двигунах і системах, водневих авто чи іншій техніці на водневій енергетиці.
Історія
Біопаливо першого покоління Біопаливо першого покоління безпосередньо пов’язане з біомасою, яка зазвичай їстівна.
Як біопаливо першими почали використовувати традиційні сільськогосподарські культури з високим вмістом жирів, крохмалю, вуглеводів. Рослинні жири добре піддаються перетворенню на біодизель. Рослинні крохмаль і цукри переробляються на етанол. Однак використання таких сировин виявилося вкрай незручним: крім витратного землекористування, виснаженням ґрунтів і потребами в їх обробці, додаванні добрив та пестицидів виникають відповідні проблеми із реалізацією харчових продуктів на ринку. Таку сировину відносять до першого покоління.
Біопаливо другого покоління
Біопаливо другого покоління визначається як паливо, вироблене з широкого спектра різноманітної сировини, починаючи від лігноцелюлозної сировини і закінчуючи твердими міськими відходами.
Біопаливо другого покоління — різні види палива, отриманого методами піролізу біомаси, а також інші види палива (крім метанолу, етанолу, біодизелю), вироблені із джерел сировини «другого покоління».
Джерелами сировини для біопалива другого покоління є лігніт-целюлозні сполуки — органічні відходи, які залишаються після виділення придатної для використання у харчовій промисловості біологічної сировини. Використання біомаси для виробництва біопалива другого покоління спрямовано на скорочення кількості використаної землі, придатної для ведення сільського господарства. Рослини — джерела сировини другого покоління представлені:
Рижій (рослина) — рослина, яка росте в ротації з пшеницею та іншими зерновими культурами. Jatropha curcas або Ятрофа — рослина, яка росте в посушливих ґрунтах; вмістом олії в якій складає від 27 до 40 % залежно від виду. Швидкий піроліз дозволяє перетворити біомасу в рідину, яку легше і дешевше транспортувати, зберігати і використовувати. З рідини можна виготовляти автомобільне паливо або паливо для електростанцій.
З біопалива другого покоління, що реалізуються на ринку, найбільш відомими є BioOil виробництва канадської компанії Dynamotive і SunDiesel німецької компанії CHOREN Industries GmbH
За оцінками Німецького Енергетичного Агентства (Deutsche Energie-Agentur GmbH) при існуючих технологіях виробництво палив шляхом піролізу біомаси може покрити 20 % потреб Німеччини в автомобільному паливі. До 2030 року, з розвитком технологій, піроліз біомаси може забезпечити 35 % від споживання автомобільного палива. Собівартість виробництва складе менше €0,80 за літр палива.
Окрім цього, була Створена «Піролізна мережа» — http://www.pyne.co.uk/ дослідницька організація, що об'єднує дослідників з 15 країн Європи, США і Канади.
Досить перспективним є також використання рідких продуктів піролізу деревини хвойних. Наприклад, суміш із 70 % живичного скипидару, 25 % метанолу і 5 % ацетону, тобто фракцій сухої перегонки смолистої деревини сосни, з успіхом може застосовуватися як заміна бензину марки А-80. При цьому для перегонки застосовуються відходи дереводобувних процесів: хмиз, пеньки, кора. Вихід паливних фракцій складаєдо 100 кілограмів від 1 тонни відходів. Основні недоліки сировини другого покоління — задіяні земельні ресурси та відносно невисока віддача з одиниці площі.
Туніка Ciona intestinalis — багатий на целюлозу потік відходів, який є перспективною сировиною для виробництва біоетанолу другого покоління.
Біопаливо третього покоління Біопаливо третього покоління зазвичай пов’язане з біомасою водоростей, але певною мірою може бути пов’язане з використанням CO2 як вихідної сировини. Водорості — прості організми, пристосовані до росту в забрудненій або солоній воді (містять у 200 разів більше олії, ніж джерела першого покоління, такі як соєві боби).
Департамент Енергетики США з 1978 року по 1996 роки досліджував водорості з високим вмістом олії за програмою «Aquatic Species Program». Дослідники прийшли до висновку, що Каліфорнія, Гаваї і Нью-Мексико придатні для промислового виробництва водоростей у відкритих ставках. Протягом 6 років водорості вирощувалися в ставках площею 1000 м2. Ставок в Нью-Мексико показав високу ефективність в захопленні СО2. Врожайність склала більше 50 г. водоростей з 1 м2 в день. 200 тисяч гектарів ставків можуть виробляти паливо, достатнього для річного споживання 5 % автомобілів США. Причому 200 тисяч гектарів — це менше 0,1 % земель США, придатних для вирощування водоростей. У цій технології ще залишаються актуальними багато проблем. Наприклад, водорості потребують високої температури, для їх культивування добре підходить пустельний клімат, але також потрібна певна температурна регуляція при нічних перепадах температур. В кінці 1990-х років технологія не потрапила в промислове виробництво через низьку вартість нафти.
Крім вирощування водоростей у відкритих ставках існують технології вирощування водоростей в малих біореакторах, розташованих поблизу електростанцій. Скидне тепла ТЕС здатне покрити до 77 % потреб у теплі, необхідного для вирощування водоростей. Ця технологія не вимагає спекотного пустельного клімату.
Біопаливо четвертого покоління Останнє покоління біопалива, яке називається біопаливом четвертого покоління, охоплює використання генної інженерії та синтетичної біології для покращення бажаних властивостей організмів, які використовуються у виробництві біопалива. Це стосується різноманітних ознак, починаючи з використання кількох типів цукрів (наприклад, пентоз і гексоз) і закінчуючи вищим синтезом ліпідів або кращими фотосинтезом і фіксацією вуглецю. Для модельних організмів, таких як Escherichia coli та Saccharomyces cerevisiae, повідомляється про широкий спектр інструментів для генетичної інженерії регуляції ендогенних шляхів або введення нових шляхів.
Два основні підходи включають інженерні шляхи в нативних організмах-продуцентах і реконструкцію шляхів у більш генетично доступних модельних організмах. Гетерологічні господарі, включаючи бактерії, дріжджі та водорості, пропонують метаболічну універсальність для виробництва різних видів біопалива. Подолання викликів, таких як конкуруючі метаболічні потоки та токсичність продуктів, можна досягти за допомогою генної інженерії, такої як модифікація клітинних мембран і використання мембранних транспортерів для секреції біопалива.
Генетично модифіковані водорості з підвищеною ефективністю фотосинтезу та інструменти CRISPR/Cas9 (див. Редагування геному) забезпечують більший вихід продукції. Біопаливо четвертого покоління також зосереджується на генетично оптимізованих ціанобактеріях, які успішно виробляють етанол, бутанол, ізобутанол і модифіковані жирні кислоти. Системна біологія допомагає в ефективній оптимізації нативних продуцентів за допомогою секвенування всього геному та аналізу моделей експресії генів.
Біодизель з платформ олійних дріжджів відповідає міжнародним стандартам. Експериментальним підходом є виробництво електробіопалива, де гібридні системи використовують відновлювану електроенергію та джерела вуглецю безпосередньо для виробництва біопалива, перетворюючи сонячну енергію в рідке паливо, яке можна зберігати, з підвищеною ефективністю.
Біопаливо у світі