Tipos de biocombustíveis: comparação das características dos combustíveis sólidos, líquidos e gasosos

Uma alternativa aos recursos energéticos tradicionais são vários tipos de biocombustíveis, cuja produção utiliza matérias-primas vegetais ou animais, resíduos industriais e resultados da atividade vital dos organismos.

Oferecemos entender as vantagens e desvantagens do uso desse combustível, conhecer as características de produção, características funcionais e também avaliar a eficácia do uso de diferentes tipos de combustível biológico. As informações fornecidas irão ajudá-lo a navegar na escolha de fontes alternativas de recursos energéticos.

O que é biocombustível

A direção mais promissora no setor energético são as tecnologias que envolvem o uso de recursos renováveis, que incluem o combustível biológico.

O tipo mais comum de combustível biológico é a lenha comum. 38% da população mundial os utiliza para aquecer e cozinhar

Como matéria-prima para a sua produção pode-se tomar biomassa de origem vegetal/animal, incluindo resíduos industriais ou resíduos animais.

O processamento dessas substâncias é feito por métodos termoquímicos ou biológicos, neste último caso o combustível é obtido a partir de diversos tipos de microrganismos.

A quota de utilização de combustíveis biológicos está em constante crescimento, o que contribui para a conservação dos recursos de hidrocarbonetos fósseis (+)

Muitos países têm programas especiais para expandir a participação dos biocombustíveis no consumo energético nacional e regional. Vários estados também possuem padrões obrigatórios para o uso desta fonte de energia.

Vantagens e desvantagens do biocombustível

Os combustíveis biológicos têm seus lados positivos e negativos. O interesse na utilização desse tipo de matéria-prima se deve às suas indiscutíveis vantagens.

Esses incluem:

• Custo orçamentário. Embora neste momento os preços do biocombustível sejam quase iguais aos da gasolina, as substâncias biológicas são consideradas um tipo de combustível mais rentável porque produzem menos emissões quando queimadas. O biocombustível é adequado para uso em diversas condições e pode ser adaptado a motores de diferentes designs. Outra vantagem é a otimização do funcionamento do motor, que permanece limpo por mais tempo devido à pequena quantidade de fuligem e gases de escapamento.
• Mobilidade. O combustível biológico difere de outras fontes alternativas de energia pela sua portabilidade. As instalações solares e eólicas geralmente incluem baterias pesadas, por isso são mais frequentemente utilizadas de forma permanente, enquanto os biocombustíveis podem ser transportados de uma região para outra sem muitos problemas.
• Fonte de energia renovável. Embora os investigadores acreditem que os depósitos de petróleo bruto existentes durarão pelo menos várias centenas de anos, as reservas fósseis ainda são finitas. Os biocombustíveis, produzidos a partir de resíduos vegetais e animais, estão entre os recursos renováveis ​​que não correm o risco de desaparecer num futuro próximo.
• Protegendo a atmosfera da Terra. Uma grande desvantagem dos hidrocarbonetos tradicionais é a elevada percentagem de CO₂, que é liberado quando queimado. Este gás cria um efeito estufa na atmosfera do nosso planeta, criando as condições para o aquecimento global. Quando substâncias biológicas são queimadas, a quantidade de dióxido de carbono é reduzida para 65%. Além disso, as culturas utilizadas na produção de biocombustíveis consomem monóxido de carbono, reduzindo a sua participação no ar.
• Segurança econômica. As reservas de hidrocarbonetos estão distribuídas de forma desigual, pelo que alguns estados são forçados a comprar petróleo ou gás natural, gastando grandes quantias de dinheiro na aquisição, transporte e armazenamento. Vários tipos de combustível biológico podem ser produzidos em quase todos os países. Uma vez que a sua produção e processamento exigirão a criação de novas empresas e, consequentemente, de empregos, isto beneficiará a economia nacional e terá um impacto positivo no bem-estar das pessoas.

A melhoria da tecnologia e o desenvolvimento de novos métodos podem aumentar os efeitos positivos dos biocombustíveis. Assim, o desenvolvimento de tecnologias utilizando plâncton e algas reduzirá significativamente o seu preço.

Ao mesmo tempo, no atual estágio de desenvolvimento da ciência e da tecnologia, a produção de biocombustíveis está associada a uma série de dificuldades e inconvenientes. Em primeiro lugar, estas são limitações naturais no cultivo de plantas.

Para o crescimento das culturas utilizadas para produção de biomassa, devem ser tidos em conta vários factores, nomeadamente:

• Uso de água. As plantas agrícolas consomem muita água, recurso limitado, principalmente em áreas secas.
• Invasividade. As culturas cultivadas como combustível são frequentemente agressivas.Eles sufocam a flora autêntica, o que pode prejudicar a biodiversidade e o ecossistema da região.
• Fertilizantes. Muitas plantas necessitam de nutrientes adicionais para crescer, o que pode prejudicar outras culturas ou o ecossistema em geral.
• Clima. Certas zonas climáticas (por exemplo, deserto ou tundra) não são adequadas para o cultivo de biocombustíveis.

O cultivo ativo de plantas agrícolas também está associado ao esgotamento dos recursos agrícolas.O não cumprimento das regras da tecnologia agrícola pode levar à diminuição do teor de componentes úteis do solo e, consequentemente, ao seu esgotamento, o que agravará o problema alimentar.

O ecossistema está perturbado. A produção de biomassa geralmente requer expansão de áreas agrícolas.

Muitas vezes, para esse fim, o território é desmatado, o que leva à destruição do microecossistema (por exemplo, florestas), à morte de plantas e animais.

Um grande volume de culturas já está sendo cultivado para produzir biocombustíveis. Mais de 50% da colza produzida na Europa, mais de um terço dos grãos americanos e quase metade da cana-de-açúcar cultivada no Brasil são utilizados para a produção de biomassa.

Surgem problemas com o cultivo de monoculturas. Para obter maiores rendimentos de biomassa, os produtores muitas vezes semeiam a terra com uma planta específica. Esta prática não é muito boa para as terras agrícolas, uma vez que a monocultura provoca alterações ambientais.

Os campos ocupados por um tipo de planta são geralmente infestados por tipos especiais de pragas.A tentativa de combatê-los com a ajuda de inseticidas e pesticidas apenas leva ao desenvolvimento de resistência a esses agentes.

Para evitar os problemas descritos acima, os cientistas aconselham não negligenciar a biodiversidade das culturas combinando várias plantas nos campos, e também utilizar variedades locais da flora.

Gerações de combustíveis alternativos

A ampla gama de matérias-primas vegetais utilizadas para biomassa é geralmente dividida em várias gerações.

Primeira geração. Esta categoria inclui culturas agrícolas que contêm uma elevada percentagem de amido, açúcares e gorduras. Estas são plantas populares como milho, beterraba sacarina, colza e soja.

Dado que o cultivo destas culturas prejudica o clima e a sua retirada do mercado afecta os preços dos alimentos, os cientistas estão a tentar substituí-las por outros tipos de biomassa.

Quase todos os tipos de combustíveis líquidos modernos (biodiesel, etanol) são atualmente produzidos a partir de plantas agrícolas pertencentes à primeira geração de matérias-primas.

Segunda geração. O grupo de biomassa inclui madeira, grama e resíduos agrícolas (conchas, cascas). A produção de biocombustíveis a partir dessas matérias-primas é cara, mas permite resolver o problema da reciclagem de resíduos não alimentares com a produção simultânea de materiais combustíveis.

Uma característica das culturas incluídas nesta variedade é a presença de lignina e celulose nas mesmas. Graças a eles, a biomassa pode ser queimada e gaseificada, bem como submetida à pirólise para produzir combustível líquido.

A principal desvantagem da biomassa de segunda geração é considerada o retorno insuficiente por unidade de área, razão pela qual recursos terrestres significativos têm de ser atribuídos a tais culturas.

Terceira geração. A matéria-prima para a produção do biocombustível são as algas, que são cultivadas em escala industrial, por exemplo, em reservatórios abertos.

A opção mais promissora são os biocombustíveis obtidos a partir de algas unicelulares. Essas plantas ganham peso rapidamente e não requerem terras férteis para cultivá-las.

Esta prática é muito promissora, mas actualmente tais tecnologias estão apenas a ser desenvolvidas. Os cientistas também realizam pesquisas para criar técnicas que possibilitem a obtenção de biocombustíveis de quarta e até quinta geração.

Três tipos de biocombustíveis

Dependendo do estado de agregação em que a substância se encontra, existem três tipos principais de biocombustíveis:

1. Sólido: lenha, turfa, resíduos animais e agrícolas.
2. Líquido: biodiesel, éter dimetílico, bioetanol, biobutanol.
3. Gasoso: biogás, metano, biohidrogênio.

Cada tipo de substância possui suas especificidades, que serão discutidas a seguir.

Tipo #1: difícil

Os tipos sólidos mais populares de combustível biológico incluem madeira, turfa e resíduos animais.

Madeira (lenha, aparas, serragem)

Um tipo antigo de biocombustível é a conhecida lenha, que há muito é usada para aquecer casas e cozinhar alimentos. Até agora, são ativamente utilizados em diferentes países para gerar calor/eletricidade, em particular, uma grande central térmica austríaca com uma capacidade de 66 megawatts funciona a lenha.

Ao mesmo tempo, essas matérias-primas apresentam desvantagens. O valor energético da lenha é relativamente baixo: quando queimada, parte da substância se deposita na forma de fuligem, por isso as lareiras e fogões precisam ser limpos regularmente.Além disso, leva um certo tempo para repor as reservas de madeira - novas árvores crescerão somente após 15 a 20 anos.

Uma excelente alternativa à lenha convencional são os pellets (grânulos), em cuja produção se utiliza madeira de qualidade inferior: cascas, aparas de madeira, serragem prensada, vadia.

Os pellets obtidos a partir de madeira, turfa e resíduos diversos possuem cores diferentes. Os claros são utilizados para acender lareiras e fogões, enquanto os escuros, com alto teor de casca, são destinados a caldeiras de combustível sólido.

Para produzir pellets de combustível, as matérias-primas são transformadas em pó, que é então seco e prensado a altas temperaturas. Graças à lignina contida na madeira, forma-se uma massa pegajosa, a partir da qual se formam pequenos cilindros com comprimento de 5 a 70 mm e diâmetro de 6 a 10 mm.

Uma alternativa moderna à lenha tradicional são os briquetes de combustível de quatro, seis ou octogonais. Este material ecológico possui alta transferência de calor

Você mesmo pode configurar a produção de pellets fazendo prensa para briquetes de combustível.

As aparas de madeira estão entre os tipos populares de biocombustíveis, que muitas vezes servem como fonte de energia nas centrais térmicas europeias. A produção dessas matérias-primas é realizada em madeireiras ou em linhas de produção especiais equipadas com trituradoras.

Pântano e turfa combustível florestal

É um tipo comum de biocombustível que tem sido utilizado para fins domésticos e industriais há séculos. A turfa é uma camada de musgo que não se decompôs completamente em condições de pântano e é extraída em muitos países ao redor do mundo: Rússia, Bielo-Rússia, Canadá, Suécia, Indonésia e outros.

A turfa, contendo 50-60% de carbono, é considerada um material popular que contém gás. Esta valiosa matéria-prima pode ser usada não apenas como combustível, mas também como fertilizante ou isolante térmico.

Para facilitar o processo de produção, a biomassa geralmente é processada no local de extração. O processo consiste na limpeza (peneiração) das matérias-primas de inclusões estranhas, seguida de secagem e moldagem em briquetes ou grânulos.

Combustível proveniente de resíduos agrícolas

Na produção agrícola, via de regra, acumula-se um grande número de diversos resíduos vegetais: cascas externas de plantas, cascas de nozes, palha.

Essas matérias-primas também podem ser prensadas e granuladas, produzindo pellets combustíveis, cujas características praticamente não diferem dos pellets produzidos a partir de biomassa lenhosa.

Biocombustíveis de origem animal

Juntamente com a lenha, na antiguidade as pessoas começaram a utilizar combustíveis de origem animal, nomeadamente estrume - esterco seco de animais domésticos. As modernas tecnologias de secagem e processamento dessas matérias-primas permitem a obtenção de variedades sólidas de biocombustíveis totalmente desprovidas de odores desagradáveis.

Durante muito tempo, os povos nômades usaram esterco seco de cavalos, camelos e gado como combustível. Atualmente, o biocombustível é produzido a partir de dejetos de animais domésticos na forma de briquetes ou pellets

Como os resíduos pecuários são atualmente acumulados em escala industrial, a produção de combustível a partir deles resolve simultaneamente a questão do seu descarte.

Tipo #2: líquido

Os biocombustíveis líquidos, seguros e ecológicos, são utilizados principalmente como substitutos da gasolina e de outros produtos similares.As opções mais comuns incluem bioetanol, biometanol, biobutanol, biodiesel e éter dimetílico.

Bioetanol de culturas vegetais

É um biocombustível líquido comum usado para abastecer carros. Embora a substância pura não seja utilizada como combustível, sua adição à gasolina ajuda a melhorar o desempenho do motor, aumentar sua potência, controlar o aquecimento do motor e reduzir as emissões de escapamento.

Muitos postos de gasolina na Europa, Ásia, América do Norte e do Sul oferecem não apenas combustíveis tradicionais, mas também vários tipos de biocombustíveis, principalmente misturas contendo bioetanol

O bioetanol também foi apreciado pelos amantes da lareira. Essa substância possui boa transferência de calor, além disso, quando queima não se forma fuligem ou fumaça e a quantidade de dióxido de carbono liberada é minimizada.

Graças a essas características, o combustível pode até ser usado para acender lareiras em prédios de apartamentos. Leia mais sobre biocombustível para lareiras em Este artigo.

O bioetanol é produzido a partir de matérias-primas de primeira geração contendo amido ou açúcar. Cereais, milho, cana-de-açúcar e beterraba são processados ​​usando tecnologia de fermentação alcoólica.

Biobutanol para reabastecimento de carros

O biobutanol é um análogo biologicamente derivado do butanol. Líquido incolor e de odor característico, é amplamente utilizado como matéria-prima química na indústria, podendo também ser utilizado como combustível para transportes.

A intensidade energética do butanol é próxima da da gasolina, o que permite substituir parcialmente esta nas células a combustível. Ao contrário do bioetanol, o biobutanol pode ser utilizado de forma independente, sem adição de combustíveis tradicionais.

As matérias-primas para a produção desta biosubstância são uma grande variedade de plantas: beterraba, mandioca, trigo, milho.

Éter dimetílico (C₂H₆Ó)

É também um combustível amigo do ambiente. Quando queimado, não há compostos de enxofre nos gases de escapamento e o teor de compostos de nitrogênio é 90% menor do que na queima da gasolina.

O éter dimetílico pode ser usado sem filtros especiais, mas mudanças fundamentais devem ser feitas no design do carro (sistema de potência, ignição do motor).

O éter dimetílico é considerado uma opção promissora para combustível automotivo. Carros com motores projetados para este combustível estão sendo desenvolvidos por grandes empresas como Volvo, SAIC Motor, KAMAZ, Nissan

Sem quaisquer modificações, você pode usar um combustível combinado contendo 30% de éter dimetílico em carros equipados com motores a GLP.

O combustível líquido pode ser produzido a partir de diversas matérias-primas: gás natural, pó de carvão, biomassa e, sobretudo, a partir de resíduos da produção de celulose e papel, que se transformam em líquido sob baixa pressão.

Biometanol de algas unicelulares

Essa substância é um análogo do metanol comum, amplamente utilizado para a produção de diversos compostos químicos (ácido acético, formaldeído) e também como anticongelante e solvente.

A questão da produção desse tipo de biocombustível foi levantada pela primeira vez na década de 1980, quando um grupo de cientistas propôs produzir uma substância líquida por meio da transformação bioquímica do fitoplâncton marinho, que seria cultivado em reservatórios especiais.

O biometanol tem vários benefícios potenciais:

• alta eficiência energética — 14 para produção de metano, 7 para produção de metanol;
• excelente produtividade do fitoplâncton — até 100 toneladas por hectare por ano;
• organismos unicelulares pouco exigentes, para cujo cultivo não são necessários água doce e solos férteis;
• conservação de recursos agrícolas, uma vez que o fitoplâncton é cultivado em lagoas ou baías marítimas.

Embora a produção industrial de biometanol ainda não tenha sido estabelecida, estão atualmente em curso pesquisas persistentes e desenvolvimento de tecnologias para desenvolver a produção deste tipo de combustível alternativo.

Biodiesel como alternativa ao combustível de transporte

Este é um biocombustível líquido para motores que consiste em uma mistura de ésteres de ácidos graxos. A substância é segura para pessoas e animais, decompõe-se quase completamente no solo em 28 dias e também possui um ponto de inflamação relativamente alto (<100).

O biodiesel reduz o percentual de emissões de gases nocivos e também prolonga a vida útil do motor, pois contém componentes lubrificantes.

O combustível é utilizado para reabastecer motores de automóveis, tanto de forma independente quanto em combinação com combustível convencional. Apenas o curto prazo de validade da substância biológica deve ser levado em consideração: após três meses, a substância biológica começa a se decompor com perda total de propriedades.

Para o biodiesel, uma norma especial EN14214 foi adotada nos países da UE. Em vários países também está em vigor a norma EN590, que permite a adição de 5% de biodiesel a outros combustíveis.

Tipo #3: gasoso

Os principais tipos de combustíveis biológicos gasosos incluem biogás e biohidrogênio.

Biogás como substituto do gás natural

O biogás é um análogo quase completo do gás natural: contém 13-50% de CO_2, 49-87% de metano, bem como impurezas de H₂ e H₂S.Se esta substância for purificada do dióxido de carbono, pode-se obter biometano.

O biocombustível gasoso é produzido a partir de biomassa por fermentação de hidrogênio ou metano. Este último é causado por três tipos de microrganismos: primeiro, a matéria-prima é exposta a bactérias hidrolíticas, que são então substituídas por micróbios formadores de ácido e metano.

A produção de biogás pode ser realizada por meio de dispositivos industriais e artesanais. O método de produção mais comum é a digestão aeróbica em digestores.

Uma variedade de materiais podem ser utilizados como matéria-prima: silagem, estrume, algas, águas residuais, lixo, resíduos fecais, lixo doméstico. A substância inicial é levada a um estado homogêneo, após o qual é colocada no reator por meio de um carregador.

Lá é mantida uma temperatura confortável de +35-38°C, necessária para o processo de fermentação do metano.

A matéria-prima é constantemente misturada, enquanto o produto gasoso resultante é descarregado em um reservatório de gás (unidade de armazenamento), de onde entra no gerador elétrico.

Mais informações sobre como obter biogás a partir de esterco e montar uma usina de biogás estão escritas nos artigos:

1. Como fazer biocombustível com as próprias mãos a partir de esterco em casa
2. Usina de biogás faça você mesmo para uma residência particular: recomendações para o aparelho e um exemplo de arranjo de um produto caseiro

Biohidrogênio obtido por método químico

Um tipo de biocombustível gasoso, análogo ao hidrogênio convencional, é obtido a partir da biomassa por métodos bioquímicos ou termoquímicos.

No método termoquímico, as matérias-primas preparadas (por exemplo, resíduos de madeira) são aquecidas a uma temperatura de 500–800°C sem oxigênio, o que libera gases H₂,CO,CH₄.

Um método promissor para a produção de biohidrogênio é a bioftólise. Nesse caso, o gás é produzido a partir de algas, que são colocadas na água do mar, esgoto

Com o método bioquímico, as matérias-primas são mantidas em condições confortáveis, com pressão normal e temperatura de aproximadamente 30°C.

Microrganismos especiais Enterobacter cloacae e Rodobacter speriodes são introduzidos na biomassa, que decompõem o produto original, liberando hidrogênio. Para acelerar a produção usando polissacarídeos, podem ser adicionadas enzimas.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

No vídeo abaixo você pode ver o processo de fabricação de um tipo popular de biocombustível - os briquetes de madeira:

Os tipos de combustível biológico diferem não apenas no estado de agregação, mas também nas características. Ao escolher tais materiais, é necessário levar em consideração o uso pretendido, eficácia, propriedades funcionais e custo.

Você tem experiência no uso de combustíveis alternativos? Ou quer tirar dúvidas sobre biocombustíveis? Comente a postagem e participe das discussões. O bloco de feedback está localizado abaixo.