바이오 연료

Biofuel
바이오디젤 샘플
시리즈의 일부
재생 에너지
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바이오 연료는 석유와 같은 화석 연료의 형성에 수반되는 매우 느린 자연 과정이 아닌 바이오매스로부터 단기간에 생산되는 연료이다.바이오매스는 연료로 직접 사용될 수 있기 때문에(예: 목재 통나무), 바이오매스와 바이오 연료라는 단어를 서로 바꾸어 사용한다.하지만, 바이오 연료라는 단어는 보통 액체 또는 가스 연료에 사용되며 운송에 사용됩니다.미국 에너지 정보국(EIA)은 이 명명 [1]방식을 따릅니다.

바이오 연료는 식물 또는 농업, 가정 또는 산업용 바이오 [2]페이스트에서 생산될 수 있다.바이오 연료의 온실가스 완화 잠재력은 일부 시나리오에서는 화석 연료에 필적하는 배출 수준부터 다른 시나리오에서는 음의 배출량에 이르기까지 상당히 다양하다.이 토론에 대한 개요는 바이오매스 페이지를 참조하십시오.

가장 흔한 두 종류의 바이오 연료는 바이오 에탄올과 바이오디젤이다.미국은 바이오에탄올의 최대 생산국이고, EU는 바이오디젤의 최대 생산국이다.바이오에탄올과 바이오디젤의 전 세계 생산 에너지 함량은 각각 [3]연간 2.2EJ와 1.5EJ이다.

2019년, 전 세계 바이오 연료 생산은 도로 교통에 세계 연료의 3%를 공급했으며, 극소량의 항공 바이오 연료를 공급했다.국제에너지기구([5]IEA)는 석유 의존도를 줄이기 위해 2050년까지 바이오연료가 수송용 연료 수요의 4분의 1 이상을 충족시키기를 바라고 있다.그러나 바이오 연료의 생산과 소비는 IEA의 지속 가능한 개발 [6]시나리오를 충족시키지 못하고 있다.2020년부터 2030년까지 전 세계 바이오 연료 생산량은 매년 10%씩 증가해야 IEA의 [5]목표를 달성할 수 있다.

세대

바이오 연료 에너지 생산, 2019년

첫번째

1세대 바이오 연료는 경작지에서 재배되는 농작물로 만들어진 연료이다.작물의 설탕, 녹말 또는 기름 함량은 에스테르 변환 또는 효모 [7]발효를 사용하여 바이오디젤 또는 에탄올로 변환됩니다.연구자들은 1세대 바이오 연료의 기후 영향에 대해 동의하지 않는다.예를 들어 미국에서는 옥수수 에탄올이 석유보다 [8]배출량이 많다고 주장하는 반면, 다른 이들은 더 [9]낮다고 주장한다.

미국에서 생산되는 옥수수의 40%가 [10]에탄올을 만드는 데 사용되며, 전 세계 곡물의 10%가 바이오 [11]연료로 사용됩니다.미국과 유럽에서 바이오 연료에 사용되는 곡물의 50% 감소는 우크라이나의 모든 곡물 [12]수출을 대체할 것이다.

둘째

주요 기사:제2세대 바이오 연료

2세대 바이오 연료는 리그노셀룰로오스 또는 목질 바이오매스 또는 농업 잔류물/폐기물로 만들어진 연료이다.연료를 만드는 데 사용되는 공급 원료는 경작지에서 자라나지만 주요 작물의 부산물이거나 주변 땅에서 [13]재배된다.2세대 사료 원료로는 짚, 바가스, 여러해살이풀, 자트로파, 폐식물성 기름, 도시 고체 폐기물 [14]등이 있다.이 등급의 바이오 연료를 사용하면 식물의 비식품 부분이 [15]폐기되는 대신 2세대 바이오 연료를 생산하는 데 사용되기 때문에 환경 지속 가능성을 높일 수 있을 것으로 생각된다.그러나 이 등급의 바이오연료의 사용은 리그노셀룰로오스 바이오매스 경쟁을 증가시켜 이러한 바이오연료 [16]생산 비용을 증가시킨다.이 등급의 바이오 연료를 사용하면 탄소 배출량이 감소하지만, 탄소 [17]배출량이 0으로 순배출되는 것은 아니다.

셋째

주요 기사:조류 양식 및 조류 연료

조류는 육지의 연못이나 수조에서, 그리고 바다에서 [18][19]생산될 수 있다.조류 연료는 높은 [20]수율을 가지고 있으며, 담수 [21][22]자원에 미치는 영향을 최소화하면서 재배할 수 있으며, 염수와 폐수를 사용하여 생산될 수 있으며,[23] 발화점이 높으며,[24][25] 엎지르면 환경에 비교적 무해하고 생분해성이 있다.생산에는 많은 양의 에너지와 비료가 필요하며, 생산된 연료는 다른 바이오 연료보다 빠르게 분해되며,[18] 저온에서는 잘 흐르지 않는다.2017년까지 경제적 고려로 인해 조류에서 연료를 생산하려는 대부분의 노력은 포기되거나 다른 [26]용도로 변경되었다.

넷째

이 종류의 바이오 연료는 전기[citation needed] 연료와 태양 연료를 포함한다.전기 연료는 액체와 가스의 화학 결합에 전기 에너지를 저장함으로써 만들어진다.주요 표적은 부탄올, 바이오디젤, 수소이지만 다른 알코올과 메탄, 부탄과 같은 탄소를 함유한 가스를 포함합니다.태양 연료는 태양 에너지로부터 생산되는 합성 화학 연료이다.빛은 일반적으로 양성자를 수소로 환원하거나 이산화탄소를 유기 [27]화합물로 환원함으로써 화학 에너지로 변환됩니다.

또한 4세대 바이오 연료는 조류와 시아노박테리아와 [28]같은 생물 공학 유기체에 의해 생산되는 바이오 연료를 포함한다.조류와 시아노박테리아는 바이오 [28]연료를 생산하기 위해 물, 이산화탄소, 태양 에너지를 사용할 것이다.이 바이오 연료 생산 방식은 아직 연구 단계에 있다.생물공학 유기체에 의해 분비되는 바이오 연료는 구세대 바이오 [28]연료에 비해 광자 대 연료 변환 효율이 더 높을 것으로 예상된다.이 등급의 바이오 연료의 장점 중 하나는 바이오 연료를 생산하는 유기체의 재배에 경작지를 [29]사용할 필요가 없다는 것이다.단점은 바이오 연료를 생산하는 유기체의 배양 비용이 매우 [29]높다는 것이다.

종류들

1세대, 2세대, 3세대 또는 4세대 바이오 연료 생산 절차를 사용하여 다음과 같은 연료를 생산할 수 있다.이들 중 대부분은 두세 가지 다른 바이오 연료 생성 [30]절차를 사용하여 생산될 수 있다.

가스

바이오가스 및 바이오메탄

바이오가스
주요 기사:바이오가스

바이오가스는 혐기성 [31]물질에 의한 혐기성 소화 과정에서 생성되는 메탄이다.이는 생분해성 폐기물로 생산되거나 가스 수율을 보충하기 위해 혐기성 굴착기에 공급되는 에너지 작물을 사용하여 생산될 수 있습니다.고체 부산물인 소화물은 바이오 연료나 비료로 사용될 수 있습니다.이산화탄소와 다른 불순물이 바이오가스에서 제거되면, 그것은2 바이오메탄이라고 불립니다.

바이오가스는 기계적 생물학적 처리 폐기물 처리 시스템에서 회수할 수 있습니다.생물 가스의 덜 깨끗한 형태인 매립 가스는 자연적으로 발생하는 혐기성 소화를 통해 매립지에서 생산된다.만약 그것이 대기 중으로 빠져나간다면, 그것은 온실가스의 역할을 한다.

농부들은 혐기성 [32]굴착기를 사용하여 소의 비료에서 바이오가스를 생산할 수 있다.

신가스

주요 기사: 가스화

일산화탄소, 수소, 각종 탄화수소의 혼합물인 신가스는 바이오매스를 이산화탄소와 [33]물로 완전히 전환하기에는 부족한 양의 산소로 바이오매스를 부분 연소시켜 생성된다.부분 연소 전에 바이오매스는 건조되고 열분해되기도 한다.결과적으로 발생하는 가스 혼합물인 singas는 원래 바이오 연료의 직접 연소보다 효율적이며, 연료에 포함된 더 많은 에너지가 추출됩니다.

신가스는 내연기관, 터빈 또는 고온 [34]연료전지에서 직접 연소될 수 있다.목질 연료 가스화 원자로인 목질 가스 발생기는 내연기관에 연결할 수 있다.

신가스는 메탄올, DME 및 수소를 생산하거나 피셔-트롭쉬 프로세스를 통해 전환되어 디젤 대체물 또는 가솔린에 혼합될 수 있는 알코올 혼합물을 생산할 수 있습니다.가스화는 일반적으로 700°C 이상의 온도에 의존합니다.

바이오카르의 공동 생산 시 저온 가스화가 바람직하지만, 타르로 오염된 신가스를 발생시킨다.

액체.

에탄올

주요 기사:에탄올 연료
브라질 주유소의 좌측(A), 우측(G) 가솔린

생물학적으로 생산된 알코올, 가장 일반적으로 에탄올, 그리고 덜 일반적으로는 프로판올과 부탄올은 설탕이나 녹말(가장 쉬운) 또는 셀룰로오스(더 어려운)의 발효를 통해 미생물과 효소의 작용에 의해 생산됩니다.바이오 [citation needed]부탄올은 가솔린 엔진에 직접 사용될 수 있기 때문에 종종 휘발유를 직접 대체할 수 있다고 주장됩니다.

에탄올 연료는 세계적으로, 특히 브라질에서 가장 흔한 바이오 연료입니다.알코올 연료는 밀, 옥수수, 사탕무, 사탕수수, 당밀 및 위스키와 같은 알코올 음료(감자 및 과일 폐기물 등)를 제조할 수 있는 설탕 또는 전분으로부터 파생된 설탕을 발효하여 생산됩니다.사용되는 에탄올 생산 방법은 효소 소화(저장된 녹말에서 당을 방출하기 위한), 당 발효, 증류 및 건조입니다.증류 과정에는 열에 대한 상당한 에너지 투입이 필요합니다(때로는 지속 불가능한 천연 가스 화석 연료, 그러나 사탕수수를 즙을 추출하기 위해 압착한 후 남은 폐기물인 바가스 같은 셀룰로오스 바이오매스는 브라질에서 가장 일반적인 연료인 반면, 펠릿, 나무 조각 및 폐열은 유럽에서 더 흔합니다). 폐증기 연료에탄올[35] 공장 – 공장에서 나오는 폐열이 지역 난방 그리드에도 사용됩니다.

에탄올은 가솔린 엔진에서 가솔린 대체품으로 사용될 수 있으며, 가솔린과 혼합될 수 있습니다.대부분의 기존 자동차 가솔린 엔진은 최대 15%의 바이오 에탄올과 석유/가솔린을 혼합하여 작동할 수 있습니다.에탄올은 가솔린보다 에너지 밀도가 작습니다. 즉, 동일한 양의 작업을 생성하는 데 더 많은 연료(용적 및 질량)가 필요합니다.에탄올(CHCHOH
3
2)의 장점은 도로변 주유소에서 구입할 수 있는 무에탄 가솔린보다 옥탄 등급이 높아 엔진의 압축비를 높여 열 효율을 높일 수 있다는 것입니다.고지대(얇은 공기)에서는 일부 주에서 대기 [citation needed]오염 배출을 줄이기 위해 가솔린과 에탄올 혼합물을 겨울철 산화제로 의무화하고 있습니다.

옥수수-에탄올과 다른 식품 재고는 셀룰로오스 [36]에탄올의 개발로 이어졌다.

에탄올은 단위 부피당 에너지 함량이 휘발유에 비해 약 1/3 낮습니다.이는 에탄올을 사용할 때 효율이 향상되는 것으로 부분적으로 상쇄됩니다(210만km 이상의 장기 테스트에서 BEST 프로젝트에서 FFV 차량이 가솔린 자동차보다 에너지 효율이 1-26% 더 높지만 체적 소모가 약 30% 증가하므로 연료 정지가 [citation needed]더 많이 필요합니다).

기타 바이오 알코올

메탄올은 현재 비재생 화석 연료인 천연가스로 생산되고 있다.미래에는 바이오매스로부터 바이오메타놀로 생산될 것으로 기대된다.이것은 기술적으로 실현 가능하지만, 경제성이 아직 [37]미해결이라는 우려 때문에 현재 생산이 연기되고 있다.메탄올 경제는 오늘날의 천연가스 수소 생산과 대비되는 수소 경제의 대안이다.

부탄올(CHOH
4
9)은 ABE 발효(아세톤, 부탄올, 에탄올)에 의해 형성되며, 부탄올을 유일한 액체 생성물로 하여 잠재적으로 높은 순 에너지 이득을 나타낸다.부탄올은 에탄올보다 더 많은 에너지를 생산하며,[38] (엔진이나 자동차를 개조하지 않고) 기존 가솔린 엔진에서 "직선으로" 연소될 수 있으며, 에탄올보다 부식성이 적고 수용성이 낮으며, 기존 인프라를 통해 분배될 수 있습니다.듀폰과 BP는 부탄올 개발을 [citation needed]돕기 위해 협력하고 있다.대장균주는 아미노산 대사를 [39]조절하여 부탄올을 생산하도록 성공적으로 개발되었습니다.대장균에서 부탄올 생산의 한 가지 단점은 여전히 영양소가 풍부한 배지의 높은 비용으로 남아 있지만, 최근의 연구는 대장균이 최소한의 영양 [40]보충만으로 부탄올을 생산할 수 있다는 것을 보여주었다.

바이오디젤

바이오 연료 펌프 DCA 07 2010 9834
주요 기사: 바이오디젤
상세 정보:전 세계 바이오디젤

바이오디젤은 유럽에서 가장 흔한 바이오 연료이다.에스테르 교환을 사용하여 오일 또는 지방으로 제조되며 화석/광물 디젤과 구성이 유사한 액체입니다.화학적으로, 그것은 대부분 지방산 메틸(또는 에틸) 에스테르(FAME)[41]로 구성됩니다.바이오디젤용 원료는 동물성 지방, 식물성 기름, 콩, 유채씨, 자트로파, 마화, 겨자, 아마, 해바라기, 팜유, 삼베, 밭주머니, 폰가미아 피나타 및 해조류를 포함한다.순수 바이오디젤(B100, 일명 '니트' 바이오디젤)은 현재 디젤 [42]2세대 B100보다 배출량을 최대 60%까지 줄인다.2020년 현재 호주 CSIRO의 연구원들은 엔진 윤활유로서 홍화 오일을 연구해 왔고, 미국 몬타나 주립 대학의 Advanced Fuels Center의 연구원들은 대형 디젤 엔진에서 홍화 오일의 성능을 연구해 왔으며, 그 결과를 "게임 체인저"[43]라고 표현했다.

바이오디젤을 수송하는 타그레이 바이오 연료 사업부 철도 차량.

바이오디젤은 디젤 엔진 및 개조된 장비에 광질 디젤과 혼합하여 사용할 수 있습니다.디젤 엔진에서도 순수한 형태(B100)로 사용할 수 있지만,[44] 사용되는 공급 원재료에 따라 낮은 온도에서 연료가 다소 점성이 높아지기 때문에 겨울철 사용 시 일부 유지관리 및 성능 문제가 발생할 수 있습니다.

예를 들어 독일의 폭스바겐은 B100으로 전환하기 전에 VW 환경 서비스 부서에 전화로 확인하도록 요구하지만, 일부 국가에서는 제조업체가 B100의 사용을 보증하고 있습니다.대부분의 경우 바이오디젤은 1994년 이후 디젤 엔진과 호환되며, 디젤 엔진은 기계식 연료 분사 시스템에 '바이톤'(DuPont) 합성 고무를 사용합니다.단, 2014년 이전에는 바이오디젤에 대한 배기가스 규제 프로토콜이 없었기 때문에 순수 바이오디젤 사용 인증을 받은 차량은 없습니다.

1990년대 후반 이후의 전자 제어식 '커먼 레일' 및 '유닛 인젝터' 유형 시스템에서는 기존의 디젤 연료와 혼합된 바이오디젤만 사용할 수 있습니다.이러한 엔진은 연료의 점도에 매우 민감한 다단 분사 시스템을 정밀하게 계량 및 분무합니다.현재 세대의 디젤 엔진은 엔진 자체를 변경하지 않고 B100에서 구동할 수 있도록 제작되었지만, 이는 연료 레일 설계에 따라 다릅니다.바이오디젤은 효과적인 용매이며 미네랄 디젤이 축적한 잔류물을 청소하기 때문에, 바이오 연료가 연료 탱크와 파이프의 오래된 침전물을 녹이기 때문에 엔진 필터를 더 자주 교체해야 할 수 있습니다.또한 엔진 연소실의 탄소 침전물을 효과적으로 청소하여 효율성을 유지하는 데 도움이 됩니다.많은 유럽 국가에서 5% 바이오디젤 혼합물이 널리 사용되고 있으며 수천 개의 [45][46]주유소에서 구입할 수 있습니다.바이오디젤은 또한 화석 디젤보다 적은 양의 탄소와 높은 수소와 산소를 함유하고 있다는 것을 의미한다.이는 바이오디젤의 연소를 개선하고 미연소 탄소의 미립자 배출을 감소시킨다.그러나 순수 바이오디젤을 사용하면 NO 배출이x[47] 증가할 수 있다.

바이오디젤은 무독성 및 생분해성이므로 취급 및 운반에도 안전하며, 125°F(52°[48]C)의 점멸점이 있는 석유 디젤 연료에 비해 약 300°F(148°C)의 높은 점멸점이 있습니다.

프랑스에서 바이오디젤은 모든 프랑스 디젤 [49]차량에 사용되는 연료에 8%의 비율로 포함되어 있습니다.에이브릴 그룹은 디에스터라는 상표로 생산하고 있는데, 이는 유럽연합이 [50]연간 소비하는 바이오디젤 1100만 톤의 5분의 1에 해당하는 양이다.그것은 바이오디젤의 [49]유럽 주요 생산국이다.

그린 디젤

주요 기사: 바이오디젤 생산

그린 디젤은 식물성 기름과 동물성 [51][52]지방과 같은 생물학적 기름 공급 원료를 수소 분해하여 생산됩니다.하이드로 크래킹은 촉매가 존재하는 상태에서 높은 온도와 압력을 사용하여 식물성 기름과 같은 더 큰 분자를 [53]디젤 엔진에 사용되는 더 짧은 탄화수소 체인으로 분해하는 정제 방법입니다.재생 디젤, 수산화 식물성 기름(HVO 연료)[53] 또는 수소 유래 재생 [52]디젤이라고도 합니다.바이오디젤과 달리, 그린 디젤은 석유 [53][54]기반 디젤과 정확히 같은 화학적 특성을 가지고 있다.유통 및 사용에 새로운 엔진, 파이프라인 또는 인프라가 필요하지 않지만,[52] 석유와 경쟁적인 비용으로 생산되지는 않았습니다.가솔린 버전도 [55]개발되고 있다.그린 디젤은 스웨덴 예테보리에서 프리엠뿐만 아니라 Conoco Phillips, Neste Oil, Valero, Dynamic Fuels 및 Honeywell[52][56] UOP에 의해 루이지애나 및 싱가포르에서 개발되고 있으며, Evolution [57]Diesel로 알려진 것을 만들고 있습니다.

스트레이트 식물성 기름

이 트럭은 애리조나주 월마트 Buckeye에 본사를 둔 15대의 트럭 중 하나로, 월마트 [58]매장에서 음식을 준비하는 과정에서 생산된 조리용 기름으로 만든 바이오 연료로 운행하도록 개조되었다.
주요 기사:식물성 기름 연료

직선의 미수식 식물성 기름은 일반적으로 연료로 사용되지 않지만, 이러한 목적을 위해 품질이 낮은 기름이 사용되어 왔다.사용이 끝난 식물성 기름은 점점 더 바이오디젤로 가공되거나 물과 미립자를 제거하고 연료로 사용되고 [citation needed]있습니다.

100% 바이오디젤(B100)과 마찬가지로 연료 인젝터가 식물성 오일을 올바른 패턴으로 분무하도록 하려면 식물성 오일 연료를 전기 코일 또는 열 교환기로 디젤에 대한 점도를 낮추도록 가열해야 합니다.이것은 따뜻하거나 온화한 기후에서 더 쉽다.MAN B&W Diesel, Wértsilae 및 Deutz AG 및 Elsbett과 같은 다수의 소규모 회사는 사후 시장 [citation needed]변경 없이 직립 식물성 오일과 호환되는 엔진을 제공합니다.

식물성 오일은 커먼 레일 또는 유닛 인젝션 전자식 디젤 분사 시스템을 사용하지 않는 많은 구형 디젤 엔진에도 사용될 수 있습니다.간접 분사 엔진의 연소실은 설계상 식물성 오일에 사용하기에 가장 적합한 엔진입니다.이 시스템은 상대적으로 큰 오일 분자가 연소하는 데 더 많은 시간을 허용합니다.일부 구형 엔진, 특히 Mercedes는 마니아들에 의해 아무런 변환 없이 실험적으로 운전됩니다.Pumpe Duse 이전의 VW TDI 엔진 및 직분사 방식의 기타 유사한 엔진에서는 소수의 드라이버만 성공을 거두지 못했습니다.Elsbett 또는 Wolf와 같은 몇몇 회사는 프로페셔널 변환 키트를 개발하여 지난 수십 [citation needed]년 동안 수백 개의 변환 키트를 성공적으로 설치했습니다.

촉매(일반적으로 수산화나트륨[NaOH])의 존재 하에서 10파운드의 짧은 사슬 알코올(일반적으로 메탄올)과 반응하는 기름과 지방은 수소화되어 [59]디젤 대체물을 얻을 수 있습니다.결과물은 세탄 수치가 높고 방향족과 황 함량이 낮으며 산소를 포함하지 않는 직선 탄화수소입니다.수소화 오일은 디젤과 모든 비율로 혼합될 수 있다.저온에서의 뛰어난 성능, 스토리지 안정성 문제, 미생물 공격에 대한 [33]민감성 등 바이오디젤에 비해 몇 가지 이점이 있습니다.

바이오에더

지역별 바이오 연료 생산량

바이오에더(연료 에테르 또는 산소화 연료라고도 함)는 옥탄 정격 강화제 역할을 하는 비용 효율적인 화합물입니다.바이오에더는 이소부틸렌과 같은 반응성 이소올레핀과 바이오에탄올의 [60]반응에 의해 생산됩니다.바이오에더는 밀이나 사탕무로 만들어지며, 바이오디젤의 [61]생산으로 인한 폐글리세롤로부터도 생산된다.또한 엔진 성능을 향상시키는 동시에 엔진 마모와 유독성 배기 가스 배출을 크게 줄여줍니다.영국에서 바이오에더가 석유에테르를 대체할 가능성이 높지만 낮은 에너지 [62]밀도 때문에 그 자체가 연료가 될 가능성은 매우 낮다.지상 오존 배출량을 크게 줄임으로써 대기 [63][64]질에 기여한다.

수송 연료에 관해서는 디메틸 에테르(DME), 디에틸 에테르(DIE), 메틸 테르트 부틸 에테르(MTBE), 에틸 테르트 부틸 에테르(ETBE), 테르트 아밀 메틸 에테르(TAME) 및 테르트 아밀 에테르(TAE)[65]의 6가지 에테르 첨가물이 있습니다.

유럽연료산소협회(EFOA)는 납을 대체하기 위해 연료에서 가장 일반적으로 사용되는 에테르로 메틸 Tert-Butyl Ether(MTBE) 및 에틸 Tert-Butyl Ether(ETBE)를 식별합니다.에테르는 고독성 [66]화합물을 대체하기 위해 1970년대에 유럽에 도입되었다.유럽인들은 여전히 바이오에테르 첨가물을 사용하지만, 미국은 더 이상 산소산염 요구 사항이 없기 때문에 바이오에테르 첨가물은 더 이상 주 연료 [67]첨가물로 사용되지 않습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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