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

Os diferentes tipos de biocombustível são uma alternativa aos recursos energéticos tradicionais. Para fabricá-los, são utilizadas matérias-primas vegetais ou animais, resíduos industriais e subprodutos da atividade de organismos vivos.

Convidamos você a conhecer as vantagens e desvantagens do uso desse tipo de combustível, as características de produção e as especificações funcionais, além de avaliar a eficiência dos diferentes tipos de biocombustível. As informações apresentadas ajudarão você a escolher entre fontes alternativas de energia.

O que é combustível biológico

A área mais promissora no setor de energia são as tecnologias que envolvem o uso de recursos renováveis, entre os quais se inclui o combustível biológico.

O tipo mais comum de combustível biológico é a lenha comum. 38% da população mundial a utiliza para aquecimento e preparo de alimentos.

Como matéria-prima para sua produção, pode-se utilizar biomassa de origem vegetal/animal, incluindo resíduos de processos industriais ou restos de atividades animais.

O processamento dessas substâncias é feito por método termoquímico ou biológico; neste último caso, o combustível é obtido com o auxílio de diferentes tipos de microrganismos.

A participação do uso de combustíveis biológicos está em constante crescimento, o que contribui para a preservação dos recursos fósseis de hidrocarbonetos (+)

Em muitos países, existem programas especiais para expandir a participação do biocombustível no consumo nacional e regional de energia. Em vários estados, também existem normas obrigatórias para o uso dessa fonte de energia.

Vantagens e desvantagens do biocombustível

Os combustíveis biológicos têm seus lados positivos e negativos. O interesse pelo uso desse tipo de matéria-prima é motivado por suas vantagens inegáveis.

Entre elas estão:

• Custo acessível. Embora atualmente os preços do biocombustível sejam praticamente iguais aos da gasolina, as substâncias biológicas são consideradas um tipo de combustível mais vantajoso, pois produzem menos emissões na queima. O biocombustível é adequado para uso em diversas condições, podendo ser adaptado a motores de diferentes construções. Outra vantagem é a otimização do funcionamento do motor, que permanece mais limpo devido à menor quantidade de fuligem e gases de escape.
• Mobilidade. O biocombustível se diferencia de outras opções de fontes alternativas de energia por sua mobilidade. As construções de instalações solares e eólicas geralmente incluem baterias pesadas, por isso são usadas principalmente de forma estacionária, enquanto o biocombustível pode ser transportado de uma região para outra sem grandes dificuldades.
• Fonte de energia renovável. Embora, segundo pesquisadores, as reservas existentes de petróleo bruto durem pelo menos algumas centenas de anos, as reservas fósseis são finitas. O biocombustível, fabricado a partir de plantas e resíduos de atividades animais, está entre os recursos renováveis que não correm risco de extinção num futuro previsível.
• Proteção da atmosfera terrestre. Uma grande desvantagem dos hidrocarbonetos tradicionais é a alta porcentagem de CO₂ liberada na queima. Esse gás cria o efeito estufa na atmosfera do nosso planeta, gerando condições para o aquecimento global. Já na combustão de substâncias biológicas, a quantidade de dióxido de carbono é reduzida em até 65%. Além disso, as culturas utilizadas na produção de biocombustível consomem monóxido de carbono, diminuindo sua proporção no ar.
• Segurança econômica. As reservas de hidrocarbonetos estão distribuídas de forma desigual, portanto, alguns países são obrigados a comprar petróleo ou gás natural, gastando grandes recursos na aquisição, transporte e armazenamento. Diferentes tipos de biocombustíveis podem ser obtidos em praticamente qualquer país. Como sua produção e processamento exigirão a criação de novas empresas e, consequentemente, empregos, isso beneficiará a economia nacional e terá um impacto positivo no bem-estar das pessoas.

O aprimoramento das tecnologias e o desenvolvimento de novos métodos poderão ampliar o efeito positivo dos biocombustíveis. Por exemplo, o desenvolvimento de tecnologias que utilizam plâncton e algas permitirá reduzir significativamente seu preço.

Ao mesmo tempo, no estágio atual do desenvolvimento da ciência e da tecnologia, a produção de biocombustível está associada a uma série de desafios e inconvenientes. Em primeiro lugar, existem limitações naturais no cultivo de plantas.

Para o crescimento das culturas utilizadas na produção de biomassa, é necessário considerar uma série de fatores, a saber:

• Uso da água. As plantas agrícolas consomem muita água, que é um recurso limitado, especialmente em áreas áridas.
• Invasividade. As culturas cultivadas para combustível são frequentemente agressivas. Elas sufocam a flora autêntica, o que pode prejudicar a biodiversidade e o ecossistema da região.
• Fertilizantes. Para o crescimento de muitas plantas, é necessária a aplicação adicional de nutrientes, que podem prejudicar outras culturas ou o ecossistema geral.
• Clima. Certas zonas climáticas (por exemplo, deserto ou tundra) não são adequadas para o cultivo de culturas de biocombustíveis.

O cultivo intensivo de plantas agrícolas também está associado ao esgotamento dos recursos agrícolas. O não cumprimento das práticas agrotécnicas pode levar à redução do teor de componentes benéficos do solo e, consequentemente, ao seu esgotamento, o que agravará o problema alimentar.

Ocorre uma perturbação do ecossistema. Para a produção de biomassa, geralmente é necessária a expansão das áreas utilizadas na agricultura.

Frequentemente, com esse objetivo, é feita a limpeza do terreno, o que leva à destruição do microecossistema (por exemplo, florestas) e à morte de plantas e animais.

Para a produção de biocombustíveis, já é cultivado um grande volume de culturas agrícolas. 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 destinados à produção de biomassa.

Surgem problemas com o cultivo de monoculturas. Para obter uma maior colheita de biomassa, os produtores frequentemente semeiam as terras com uma planta específica. Essa prática não reflete muito bem na condição das terras agrícolas, pois a monocultura leva a mudanças no meio ambiente.

Em campos ocupados por uma única espécie de planta, geralmente parasitam variedades especiais de pragas. A tentativa de combatê-las com inseticidas e pesticidas leva apenas ao desenvolvimento de resistência a esses agentes.

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

Gerações de combustível alternativo

A grande variedade de matérias-primas vegetais usadas para biomassa é geralmente dividida em várias gerações.

Primeira geração. A esta categoria pertencem as culturas agrícolas que contêm uma alta porcentagem de amido, açúcares e gorduras. São plantas populares como milho, beterraba sacarina, colza, soja.

Como o cultivo dessas culturas prejudica o clima e sua retirada do mercado afeta a formação de preços dos alimentos, os cientistas tentam substituí-las por outros tipos de biomassa.

A partir de plantas agrícolas pertencentes à primeira geração de matéria-prima, atualmente são produzidos quase todos os tipos de combustíveis líquidos modernos (biodiesel, etanol).

Segunda geração. O grupo de biomassa inclui madeira, grama, resíduos agrícolas (casca, palha). A obtenção de biocombustíveis a partir dessa matéria-prima requer altos custos, mas permite resolver a questão da reciclagem de resíduos não alimentares com a produção simultânea de materiais combustíveis.

Uma característica das culturas que entram nessa variedade é a presença de lignina e celulose. Graças a elas, a biomassa pode ser queimada e gaseificada, além de ser submetida à pirólise, obtendo combustível líquido.

A principal desvantagem da biomassa de segunda geração é considerada o rendimento insuficiente por unidade de área, razão pela qual é necessário destinar recursos terrestres significativos para essas culturas.

Terceira geração. As algas cultivadas em escala industrial, por exemplo, em corpos d'água abertos, servem como matéria-prima para a produção de biocombustíveis.

A opção mais promissora é considerada o biombustível obtido a partir de algas unicelulares. Essas plantas ganham massa rapidamente, e para o seu cultivo não são necessárias terras férteis.

Essa prática tem grandes perspectivas, mas atualmente essas tecnoligias estão apenas em desenvolvimento. Os cienistas também realizam pesquisas para criar métodos que permitam obter biombustíveis de quarta e até quinta geração.

Três tipos de biocombustível

Dependendo do estado agregado da substância, distinguem-se três tipos principais de biombustível:

1. Sólido: lenha, turfa, resíduos de atividades animais e de produção agrícola.
2. Líquido: biodiesel, éter dimetílico, bioetanol, biobutaol.
3. Gasoso: biogás, metano, biohidrogênio.

Cada tipo de substância tem suas especificidades, sobre as quais falaremos a seguir.

Tipo #1: sólido

Entre as variedades sólidas mais populares de biocombustível estão a madeira, a turfa e os resíduos de animais.

Madeira (lenha, cavacos, serragem)

Um tipo antigo de biocombustível é a lenha, bem conhecida por todos, que há muito é usada para aquecer casas e cozinhar. Até hoje, é amplamente utilizada em vários países para gerar calor/eletricidade; em particular, uma grande termelétrica austríaca funciona com lenha, com capacidade de 66 megawatts.

No entanto, esse tipo de matéria-prima tem desvantagens. O valor energético da lenha é relativamente baixo: ao queimar, parte do material se deposita como fuligem, exigindo limpeza regular das lareiras e fogões. Além disso, para repor os estoques de madeira, é necessário tempo – novas árvores levam de 15 a 20 anos para crescer.

Uma excelente alternativa à lenha comum são os pellets (granulados), para cuja produção se utiliza madeira não conforme: casca, cavacos, serragem prensada, galhos.

Os pellets obtidos de madeira, turfa e vários resíduos têm cores diferentes. Os claros são usados para aquecer lareiras e fogões, enquanto os escuros, com mais casca, são destinados a caldeiras de combustível sólido.

Para produzir pellets de combustível, a matéria-prima é moída até virar pó, que depois é seco e prensado a alta temperatura. Graças à lignina contida na madeira, forma-se uma massa pegajosa, a partir da qual são moldados pequenos cilindros de 5 a 70 mm de comprimento e 6 a 10 mm de diâmetro.

Uma alternativa moderna à lenha tradicional são os briquetes de combustível de formato tetra, hexa ou octogonal. Este material ecológico tem alta transferência de calor.

É possível iniciar a produção de pellets por conta própria, fabricando uma prensa para briquetes de combustível.

Entre os tipos populares de biocombustível está o cavaco de madeira, que frequentemente serve como fonte de energia em usinas termelétricas europeias. A produção dessa matéria-prima é feita em operações de extração de madeira ou em linhas de produção especiais equipadas com trituradores.

Turfa combustível de pântano e floresta

Esta é uma variedade comum de biocombustível, usada para fins domésticos e industriais há séculos. A turfa é uma camada de musgo não completamente decomposta em condições de pântano, cuja extração é realizada em muitos países do mundo: Rússia, Bielorrússia, Canadá, Suécia, Indonésia e outros.

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

Para conveniência do processo produtivo, a biomassa geralmente é processada no local de extração. O processo consiste na limpeza (peneiramento) da matéria-prima para remover impurezas, seguida de secagem e moldagem na forma de briquetes ou pellets.

Combustível a partir de resíduos agrícolas

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

Essa matéria-prima também pode ser submetida à prensagem e granulação, resultando em pellets combustíveis cujas características praticamente não diferem dos pellets fabricados a partir de biomassa lenhosa.

Biocombustível de origem animal

Além da lenha, desde a antiguidade as pessoas começaram a usar combustível de origem animal, nomeadamente o kizyak – esterco seco de animais domésticos. As tecnologias modernas de secagem e processamento dessa matéria-prima permitem obter variedades sólidas de biocombustível completamente livres de odor desagradável.

Desde tempos antigos, os povos nômades usavam como combustível o esterco seco de cavalos, camelos e bovinos. Atualmente, a partir dos resíduos de animais domésticos, é fabricado biocombustível na forma de briquetes ou pellets.

Como atualmente os resíduos da pecuária se acumulam em escala industrial, a fabricação de combustível a partir deles resolve simultaneamente a questão de sua eliminação.

Tipo #2: líquido

As variantes líquidas de biocombustível, que se destacam pela segurança e ecologicidade, são utilizadas principalmente como substitutos da gasolina e outros meios similares. Entre as variantes mais comuns estão o bioetanol, o biometanol, o biobutanol, o biodiesel e o éter dimetílico.

Bioetanol a partir de culturas vegetais

Este é um biocombustível líquido comum usado para abastecer veículos. Embora a substância pura não seja empregada como combustível, sua adição à gasolina contribui para melhorar o funcionamento do motor, aumentar sua potência, controlar o aquecimento do motor e reduzir as emissões de gases de escape.

Em muitos postos de combustível da Europa, Ásia, América do Norte e do Sul, são oferecidos não apenas combustíveis tradicionais, mas também vários tipos de biocombustível, principalmente misturas contendo bioetanol.

O bioetanol também foi apreciado pelos amantes de lareiras. Essa substância tem boa transferência de calor e, além disso, sua queima não produz fuligem ou fumaça, e a quantidade de dióxido de carbono liberado é minimizada.

Graças a essas características, o combustível pode ser usado até mesmo para aquecer lareiras em edifícios de apartamentos. Mais detalhes sobre biocombustível para lareiras estão escritos neste artigo.

A produção de bioetanol é realizada a partir de matérias-primas de primeira geração contendo amido ou açúcar. Cereais, milho, cana-de-açúcar e beterraba são processados pela tecnologia de fermentação alcoólica.

Biobutanol para abastecimento de veículos

Biobutanol – análogo do butanol obtido biologicamente. Líquido incolor, com odor característico, amplamente utilizado como matéria-prima química na indústria e também pode ser usado como combustível para transporte.

O indicador de intensidade energética do butanol é próximo ao da gasolina, o que permite substituir parcialmente este último em células de combustível. Ao contrário do bioetanol, o biobutanol pode ser utilizado sozinho, sem adição de combustíveis tradicionais.

As matérias-primas para a produção desta biosubstância são as mais diversas plantas: beterraba, mandioca, trigo, milho.

Éter dimetílico (C₂H₆O)

Este também é um combustível ecologicamente limpo. Ao queimá-lo, os gases de escape não contêm compostos de enxofre, e o teor de compostos de nitrogênio é 90% menor do que na queima de gasolina.

O éter dimetílico pode ser usado sem filtros especiais, mas é necessário fazer alterações radicais no projeto do veículo (sistema de alimentação, ignição do motor).

O éter dimetílico é considerado uma opção promissora para combustível automotivo. Empresas de grande porte como Volvo, SAIC Motor, KAMAZ, Nissan estão desenvolvendo veículos com motores projetados para este combustível.

Sem qualquer adaptação, pode-se usar combustível combinado contendo 30% de éter dimetílico em veículos equipados com motores LPG.

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

Biometanol a partir de algas unicelulares

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

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

O biometanol tem uma série de vantagens potenciais:

• alto rendimento energético – 14 na produção de metano, 7 na produção de metanol;
• excelente produtividade do fitoplâncton – até 100 toneladas por hectare por ano;
• baixa exigência de organismos unicelulares, que não precisam de água doce ou solos férteis para cultivo;
• preservação dos recursos agrícolas, uma vez que o fitoplâncton é cultivado em lagoas ou baías marinhas.

Embora a produção industrial de biometanol ainda não tenha sido estabelecida, atualmente estão sendo realizadas pesquisas persistentes e desenvolvimento de tecnologias para avançar na produção deste tipo de combustível alternativo.

Biodiesel como alternativa ao combustível para transporte.

Este é um biocombustível líquido para motores, composto por uma mistura de ésteres de ácidos graxos. A substância é segura para humanos e animais, praticamente se decompõe completamente no solo em 28 dias e também tem um ponto de ignição relativamente alto (<100).

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

O combustível é usado para abastecer motores de veículos, tanto sozinho quanto em combinação com combustível comum. Deve-se considerar apenas o curto prazo de validade da substância biológica: após três meses, começa a degradação da substância biológica com perda total de propriedades.

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

Tipo #3: gasoso

As principais variedades de biocombustível gasoso incluem biogás e biohidrogênio.

Biogás como substituto do gás natural

O biogás é praticamente um análogo completo do gás natural: contém 13-50% de CO₂, 49-87% de metano e também 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. Esta última é causada por três tipos de microrganismos: primeiro, a matéria-prima é exposta a bactérias hidrolíticas, que são então substituídas por micróbios acidogênicos e metanogênicos.

A produção de biogás pode ser realizada em dispositivos industriais e artesanais. O método de produção mais comum é a fermentação anaeróbica em tanques de metano.

Como matérias-primas, podem ser usados diversos materiais: silagem, esterco, algas, águas residuais, dejeto, resíduos fecais, lixo doméstico. A substância inicial é homogeneizada e, em seguida, colocada no reator com o auxílio de uma carregadeira.

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

A matéria-prima é constantemente misturada, enquanto o produto gasoso formado é direcionado para um gasômetro (bloco de armazenamento), de onde segue para o gerador elétrico.

Mais detalhes sobre a obtenção de biogás a partir de esterco e a construção de uma planta de biogás estão escritos nos artigos:

1. Como fazer biocombustível com as próprias mãos a partir de esterco em casa
2. Planta de biogás para casa particular feita por você mesmo: recomendações de construção e exemplo de instalação caseira

Biohidrogênio obtido por método químico

Uma variedade de biocombustível gasoso, que é um análogo do hidrogênio comum, é obtida a partir de biomassa por métodos bioquímicos ou termoquímicos.

No método termoquímico, a matéria-prima preparada (por exemplo, resíduos de madeira) é aquecida a uma temperatura de 500-800°C sem acesso de oxigênio, liberando gases H₂, CO, CH₄.

Um método promissor para a produção de bio-hidrogênio é a biofotólise. Neste caso, o gás é produzido com a ajuda de algas que são colocadas em água do mar, esgoto

No método bioquímico, a matéria-prima é mantida em condições confortáveis, à pressão normal e temperatura de aproximadamente 30°C.

Na biomassa, são introduzidos microrganismos especiais como Enterobacter cloacae, Rodobacter speriodes, que decompõem o produto original, liberando hidrogênio. Para acelerar a produção com o uso de polissacarídeos, é permitida a adição de enzimas.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

No vídeo apresentado abaixo, você pode ver o processo de fabricação de um tipo popular de biocombustível – briquetes de madeira:

Os tipos de combustível biológico diferem não apenas pelo estado agregado, mas também pelas características. Ao escolher esses materiais, é necessário levar em consideração seu uso planejado, eficiência, propriedades funcionais e custo.

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