وقود الديزل الحيوي: التاريخ ، الخصائص ، الأنواع ، المزايا ، العيوب - كيمياء - 2025

و قود الديزل الحيوي وقود هو الأصل الطبيعي الذي يتم الحصول على الزيوت النباتية رد فعل أو الدهون الحيوانية مع انخفاض الكحول الكتلة الجزيئية. يسمى هذا التفاعل بالأسترة التبادلية. وهذا يعني أن استرات الأحماض الدهنية الجديدة (تسمى أيضًا استرات مونو ألكيل) تتشكل من الدهون الثلاثية الأصلية.

في سياقات أخرى بدلاً من استخدام كلمة "استرة" ، يُقال إن الكتلة الحيوية تخضع لتحلل الكحول ، لأنها تُعالج بالكحول ؛ من بينها وفي الغالب الميثانول والإيثانول. يعتبر استخدام الميثانول لإنتاج هذا الوقود الحيوي شائعًا لدرجة أنه يكاد يكون مرادفًا له.

مضخة وقود الديزل الحيوي B5. المصدر: Pxhere.

يعتبر وقود الديزل الحيوي بديلاً صديقًا للبيئة لاستخدام وقود الديزل أو الديزل أو البتروديزل (يبرز أكثر أن تركيبته تتكون من الهيدروكربونات البترولية). ومع ذلك ، فإن خصائصها وجودتها من حيث الأداء في محركات الديزل لا تختلف كثيرًا ، بحيث يتم خلط كلا الوقودين بنسب مختلفة.

قد تكون بعض هذه الخلائط أكثر ثراءً في وقود الديزل الحيوي (B100 ، على سبيل المثال) أو أكثر ثراءً في بتروديزل (مع 5-20٪ فقط من وقود الديزل الحيوي). بهذه الطريقة ، ينتشر استهلاك الديزل مع إدخال وقود الديزل الحيوي إلى السوق ؛ لا يخلو من التغلب أولاً على سلسلة من المشاكل الأخلاقية والإنتاجية والاقتصادية.

من وجهة نظر بسيطة ، إذا كان من الممكن الحصول على الزيت كسائل قادر على الاحتراق وتوليد الطاقة لتحريك الآلات ، فلماذا لا يكون الزيت من أصل طبيعي؟ ومع ذلك ، هذا وحده لا يكفي: يجب أن تتلقى علاجًا كيميائيًا إذا كنت ترغب في التنافس أو مواكبة الوقود الأحفوري.

عندما يتم تنفيذ هذا العلاج بالهيدروجين ، يتحدث المرء عن تنقية الزيت النباتي أو الدهون الحيوانية ؛ درجة التأكسد منخفضة أو جزيئاتها مفتتة. بينما في وقود الديزل الحيوي ، يتم استخدام الكحوليات (الميثانول والإيثانول والبروبانول وما إلى ذلك) بدلاً من الهيدروجين.

التاريخ

رد فعل Transesterification

تم اكتشاف إجابة المشكلة الأولى التي سيواجهها الوقود الحيوي في الماضي. في عام 1853 ، حقق اثنان من العلماء ، E.

في عملية الاسترة التبادلية هذه ، تتفاعل الدهون الثلاثية للزيوت و / أو الدهون مع الكحول ، وخاصة الميثانول والإيثانول ، لإنتاج استرات الميثيل والإيثيل من الأحماض الدهنية ، وكذلك الجلسرين كمنتج ثانوي. يتم استخدام محفز أساسي مثل KOH لتسريع التفاعل.

إن أهم نقطة في عملية الأسترة التحويلية للدهون هي أنه بعد مرور ثمانين عامًا ، قام عالم بلجيكي يدعى G. Chavanne بإعادة توجيه هذا التفاعل لتقليل اللزوجة العالية وغير المنتجة للزيوت النباتية.

رودولف ديزل ومحركه

ظهر محرك الديزل في عام 1890 ، في نهاية القرن التاسع عشر ، استجابة لمحدودية المحركات البخارية. لقد جمعت كل ما تريده من محرك: القوة والمتانة. عملت أيضًا مع أي نوع من أنواع الوقود ؛ ولإعجاب رودولف نفسه والحكومة الفرنسية ، يمكنه العمل بالزيوت النباتية.

لكونها مصادر للدهون الثلاثية للطاقة ، كان من المنطقي الاعتقاد أنه عند حرقها فإنها ستطلق الحرارة والطاقة القادرة على توليد عمل ميكانيكي. دعم الديزل الاستخدام المباشر لهذه الزيوت ، حيث رحب بحقيقة أن المزارعين يمكنهم معالجة الوقود الخاص بهم في أماكن بعيدة عن حقول النفط.

حقق أول نموذج وظيفي لمحرك الديزل نجاحًا عند تقديمه في 10 أغسطس 1893 في أوغوستا بألمانيا. كان محركها يعمل بزيت الفول السوداني ، حيث كان رودولف ديزل يعتقد اعتقادًا راسخًا أن الزيوت النباتية يمكن أن تنافس الوقود الأحفوري. ولكن كما تم معالجتها بطريقة بدائية ، دون معالجات لاحقة.

تم تقديم نفس المحرك الذي يعمل بزيت الفول السوداني في المعرض العالمي في باريس عام 1900. ومع ذلك ، لم يجذب الكثير من الاهتمام لأنه بحلول ذلك الوقت كان الزيت مصدر وقود أكثر سهولة وأرخص.

بتروديزل

بعد وفاة الديزل في عام 1913 ، تم الحصول على زيت الديزل (الديزل أو البتروديزل) من تكرير البترول. ولذا كان لابد من تكييف نموذج محرك الديزل المصمم لزيت الفول السوداني وإعادة بنائه للعمل مع هذا الوقود الجديد ، الذي كان أقل لزوجة من أي زيت نباتي أو زيت كتلة حيوية آخر.

هذه هي الطريقة التي سادت بها مادة Petrodiesel لعدة عقود باعتبارها البديل الأرخص. ببساطة ، لم يكن من العملي زرع هكتارات كبيرة من الكتل النباتية لتجميع زيوتها ، والتي في النهاية ، لكونها لزجة جدًا ، انتهى بها الأمر إلى التسبب في مشاكل للمحركات ولم يكن مساويًا للأداء نفسه الذي تم الحصول عليه مع البنزين.

كانت مشكلة هذا الوقود الأحفوري أنه زاد من تلوث الغلاف الجوي ، كما أنه اعتمد على اقتصاديات وسياسات الأنشطة النفطية. ونظراً لاستحالة اللجوء إليها ، فقد استخدمت الزيوت النباتية في بعض السياقات لتعبئة المركبات والآليات الثقيلة.

الوقود الحيوي في الحرب العالمية الثانية

عندما بدأت ندرة النفط في الحرب العالمية الثانية نتيجة للصراع ، وجدت عدة دول أنه من الضروري اللجوء مرة أخرى إلى الزيوت النباتية ؛ لكن كان عليهم التعامل مع الأضرار التي لحقت بمئات الآلاف من المحركات بسبب الاختلاف في اللزوجة الذي لا يمكن أن يتحمله تصميمهم (وحتى أقل إذا كان لديهم ماء مستحلب).

بعد الحرب ، نسيت الدول مرة أخرى الزيوت النباتية واستأنفت ممارسة حرق البنزين والبتروديزل فقط.

ولادة وقود الديزل الحيوي

تم حل مشكلة اللزوجة على نطاق صغير من قبل العالم البلجيكي ج.

يمكن القول ، إذن ، أن وقود الديزل الحيوي ولد رسميًا في عام 1937 ؛ لكن غرسها وإنتاجها الضخم كان لا بد أن ينتظر حتى عام 1985 ، في إحدى الجامعات الزراعية النمساوية.

من خلال إخضاع هذه الزيوت النباتية إلى الأسترة التبادلية ، تم حل مشكلة اللزوجة أخيرًا ، ومطابقة أداء البتروديزل وحتى تمثيل بديل أخضر فوقه.

الخصائص

تعتمد خصائص وقود الديزل الحيوي عالميًا على المواد الخام التي تم إنتاجها بها. يمكن أن تتراوح ألوانها من الذهبي إلى البني الداكن ، وهو مظهر مادي يعتمد على عملية الإنتاج.

بشكل عام ، إنه وقود ذو تشحيم جيد ، مما يقلل من ضوضاء المحرك ، ويطيل عمره ، ويتطلب استثمارات أقل للصيانة.

لديها نقطة اشتعال أعلى من 120 درجة مئوية ، مما يعني أنه طالما أن درجة الحرارة الخارجية لا تتجاوز هذا ، فلا يوجد خطر نشوب حريق ؛ هذا ليس هو الحال مع الديزل ، الذي يمكن أن يحترق حتى عند درجة حرارة 52 مئوية (من السهل جدًا تحقيقه عند إشعال سيجارة).

بسبب نقص الهيدروكربونات العطرية مثل البنزين والتولوين ، فإنه لا يمثل مخاطر مسرطنة في حالة الانسكاب أو التعرض لفترة طويلة.

وبالمثل ، فإنه لا يحتوي على الكبريت في تركيبته ، لذلك فهو لا ينتج غازات ملوثة SO ₂ أو SO ₃. عند مزجه بالديزل ، فإنه يمنحه طابع تشحيم أكبر من مركبات الكبريت الطبيعية. في الواقع ، يعتبر الكبريت عنصرًا غير مرغوب فيه ، وعندما يتم نزع الكبريت من الديزل ، فإنه يفقد التزييت الذي يجب استعادته بوقود الديزل الحيوي أو المواد المضافة الأخرى.

الحصول والإنتاج

يتم الحصول على وقود الديزل الحيوي من الزيوت النباتية أو الدهون الحيوانية. لكن ، أي منهم يجب أن يشكل المادة الخام؟ من الناحية المثالية ، تلك التي تولد كميات أكبر من الزيت أو الدهون من منطقة نمو أصغر ؛ أنه بعبارات أكثر ملاءمة ، سيكون عدد الهكتارات التي تشغلها أرضك الزراعية.

يجب أن يأتي وقود الديزل الحيوي الجيد من محصول (حبوب ، بذور ، ثمار ، إلخ) ينتج كميات كبيرة من الزيت من الحقول الصغيرة ؛ وإلا فإن محاصيلهم ستكون مطلوبة لتغطية بلدان بأكملها ولن تكون مجدية اقتصاديًا.

بمجرد تجميع الكتلة الحيوية ، يجب بعد ذلك استخراج الزيت من خلال عمليات لا نهائية ؛ من بينها ، على سبيل المثال ، استخدام السوائل فوق الحرجة لنقل الزيت وتذويبه. بمجرد الحصول على الزيت ، يتم إخضاعه للأسترة التبادلية من أجل تقليل لزوجته.

يتم تحقيق التحويل بواسطة خلط الزيت مع الميثانول وقاعدة في مفاعلات دفعية ، إما تحت الموجات فوق الصوتية ، أو السوائل فوق الحرجة ، أو التقليب الميكانيكي ، إلخ. عند استخدام الميثانول ، يتم الحصول على إسترات ميثيل الأحماض الدهنية (FAME ، لاختصارها بالإنجليزية: Fatty Acid Methyl Ester).

من ناحية أخرى ، إذا تم استخدام الإيثانول ، فسيتم الحصول على إسترات إيثيل الأحماض الدهنية (FAEE). كل هذه الإسترات وذرات الأكسجين الخاصة بها هي التي تميز وقود الديزل الحيوي.

الميثانول والجلسرين

الميثانول هو الكحول الذي يستخدم في الغالب كمواد خام في إنتاج وقود الديزل الحيوي ؛ والجلسرين ، من ناحية أخرى ، هو منتج ثانوي يمكن استخدامه لدعم العمليات الصناعية الأخرى وبالتالي جعل إنتاج الديزل الحيوي أكثر ربحية.

يأتي الجلسرين من جزيئات الدهون الثلاثية الأصلية ، والتي يتم استبدالها بالميثانول لإنشاء ثلاثة DMARDs.

أنواع وقود الديزل الحيوي

الزيوت أو الدهون المختلفة لها ملامح الأحماض الدهنية الخاصة بها ؛ لذلك ، يحتوي كل وقود حيوي على استرات أحادية ألكيل مختلفة نتيجة للأسترة التبادلية. ومع ذلك ، بما أن هذه الإسترات بالكاد تختلف في أطوال سلاسل الكربون الخاصة بها ، فإن الوقود الناتج لا يظهر تذبذبات كبيرة بين خصائصها.

لذلك لا يوجد تصنيف للديزل الحيوي ، بل كفاءة وربحية مختلفة حسب مصدر الزيت أو الدهون المختارة لإنتاجها. ومع ذلك ، توجد مخاليط وقود ديزل حيوي - بتروديزل ، لأن كلا النوعين من الوقود يمكن مزجهما مع بعضهما البعض ، مما يوفر خصائصهما المفيدة للمحرك.

يقال إن وقود الديزل الحيوي النقي هو B100 ؛ وهو ما يعادل 0٪ بتروديزل في تركيبته. ثم هناك خلطات أخرى:

- B20 (مع 80٪ بتروديزل).

- B5 (95٪ بتروديزل).

- B2 (98٪ بتروديزل).

السيارات التي تم تصنيعها قبل عام 1996 لا يمكنها استخدام B100 في محركاتها دون الحاجة إلى استبدال بعض المكونات التي تدهورت بسبب عملها كمذيب. ومع ذلك ، حتى اليوم هناك طرازات سيارات لا تسمح بتركيزات كبيرة من وقود الديزل الحيوي في ضمانات المصنع ، لذلك يوصون باستخدام مخاليط أقل من B20.

مميزات

فيما يلي تفصيل لسلسلة من المزايا التي يتمتع بها وقود الديزل الحيوي مقارنةً بالديزل الحيوي والتي تجعله بديلاً صديقًا للبيئة وجذابًا:

- يتم الحصول عليها من الكتلة الحيوية ، وهي مادة خام قابلة للتجديد وغالبًا ما تُفقد كنفايات.

- إنه قابل للتحلل البيولوجي وغير سام. لذلك ، لن تلوث التربة أو البحار إذا انسكبت بالخطأ.

- نقطة وميضها العالية تجعلها أكثر أمانًا عند تخزينها ونقلها.

- لا تنتج الغازات المسببة للاحتباس الحراري لأن CO ₂ صدر يمثل نفس القدر من أن تستوعبها النباتات. بفضل هذا ، فهي تتوافق أيضًا مع بروتوكول كيوتو.

- تشجيع الأنشطة الريفية لزراعة المحاصيل التي يستخرج منها الزيت النباتي.

- يمكن إنتاجه حتى من الزيت المقلي. هذه النقطة تفضلها كثيرًا لأن الزيت المعاد تدويره ، سواء كان منزليًا أو من المطاعم ، بدلاً من التخلص منه وتلوث المياه الجوفية ، يمكن استخدامه لإنتاج المزيد من الوقود الأخضر.

- يمثل وسيلة للاستقلال على المدى الطويل عن النفط ومشتقاته.

- يترك مخلفات أقل عند الاحتراق.

- تعد الطحالب البكتيرية ، بالإضافة إلى فول الصويا وبذور عباد الشمس ، مصدرًا واعدًا للديزل الحيوي غير الصالح للأكل (وغير المرغوب فيه للكثيرين).

عيوب

ليس كل شيء على ما يرام مع هذا الوقود. يحتوي وقود الديزل الحيوي أيضًا على قيود يجب التغلب عليها إذا كان سيحل محل الديزل البترولي. بعض هذه القيود أو المضايقات لاستخدامها هي:

- درجة حرارة التصلب أعلى ، مما يعني أنه عند درجات الحرارة المنخفضة يصبح مادة هلامية.

- يمكن لقوة المذيبات أن تدمر المطاط الطبيعي ورغوة البولي يوريثان الموجودة في السيارات التي تم تجميعها قبل عام 1990.

- أغلى من بتروديزل.

- زيادة أسعار المحاصيل والأغذية لأنها تتضمن قيمة مضافة عند استخدامها كمواد خام للديزل الحيوي.

- اعتمادًا على الكتلة الحيوية ، قد يحتاج إلى العديد من الهكتارات للزراعة ، مما يعني الاستيلاء على النظم البيئية الغريبة لهذا الغرض ، وبالتالي سيؤثر على الحيوانات البرية.

- على الرغم من أنه لا ينتج غازات الكبريت أثناء احتراقه ، فإنه يطلق تركيزات أعلى من أكاسيد النيتروجين ، NO _x.

- سيتم استخدام كميات كبيرة من الطعام ، والتي بدلاً من إشباع المجاعات ، سيتم استخدامها لإنتاج وقود الديزل الحيوي.

المراجع

1. ويكيبيديا. (2019). وقود الديزل الحيوي. تم الاسترجاع من: en.wikipedia.org
2. بينيلوبي. (28 ديسمبر 2011). وقود الديزل الحيوي: مزايا وعيوب. اثنين من الطاقة. تم الاسترجاع من: twenergy.com
3. رينوفتيك. (2013). وقود الديزل الحيوي. تم الاسترجاع من: Plantasdebiomasa.net
4. فان جيربن جون. (03 أبريل 2019). تاريخ وقود الديزل الحيوي. طاقة المزرعة. تم الاسترجاع من: farm-energy.extension.org
5. سكوت هيس. (2019). كيف يعمل وقود الديزل الحيوي. Howstuffworks. تم الاسترجاع من: auto.howstuffworks.com
6. وقود الديزل الحيوي المحيط الهادئ. (2019). وقود الديزل الحيوي. تم الاسترجاع من: biodiesel.com