5,4. A: Biodiesel en PPO. Werkstuk door een scholier 2851 woorden 23 mei keer beoordeeld. Scheikunde

Transcriptie

1 Werkstuk door een scholier 2851 woorden 23 mei ,4 49 keer beoordeeld Vak Scheikunde 1 Inleiding Dit werk gaat over alternatieve brandstoffen voor auto s. In 2003 werd 16,8 procent van alle uitstoot van broeikasgassen in België veroorzaakt door het transport, de mens is nu nog afhankelijk van fossiele brandstoffen: steenkool, aardolie en aardgas. Dit heeft als nadeel dat dit het milieu ernstige schade toebrengt: door uitstoot van CO2 wordt het gat in de ozonlaag groter en warmt de aarde op, door SO2 en NOx wordt zure regen veroorzaakt. Toch zijn er al veel alternatieven beschikbaar, het ene al milieuvriendelijker dan het ander. Bij een alternatieve brandstof is het belangrijk dat het lijkt op fossiele brandstoffen en dat de hele industrie en alle auto s niet moeten worden aangepast, elke brandstof heeft zijn voor- en nadelen, dit kan de kostprijs zijn, dit kan uitstoot van schadelijke stoffen zijn,dit kunnen andere dingen zijn, met dit alles moet rekening worden gehouden als we een goede vervanger voor fossiele brandstoffen willen vinden, en dit is belangrijk want de opwarming van de aarde versnelt en we moeten het hier toch leefbaar houden. Hier worden de belangrijkste brandstoffen bekeken. 2 Biobrandstoffen Wat is het? Een biobrandstof is een brandstof die wordt gewonnen uit plantaardig of dierlijk materiaal, er zijn verschillende vormen, zoals bijvoorbeeld bio-ethanol of koolzaadolie. Voor de ontdekking van fossiele brandstoffen gebruikte men alleen biobrandstoffen, zoals hout, gedroogde uitwerpselen of vet. A: Biodiesel en PPO Biodiesel of raapoliemethylester is een biobrandstof gewonnen uit plantaardige of dierlijke olie, zijn eigenschappen komes sterk overeen met die van echte diesel, het wordt gemaakt door transesterificatie (di het vervangen van een alkoxygroep in een ester door een alcohol) van vetzuren uit de olie, door die te laten reageren met een alcohol ontstaan er esters en glycerine, in Europa wordt koolzaadolie het meest gebruikt, maar elders wordt ook zonnebloemolie of sojaolie gebruikt. Het wordt vaak gebruikt gemengd met fossiele diesel, dan noemt men het B20 oftewel 20% bijmenging. De eerste dieselmotor werkte trouwens ook op biodiesel, deze werd gemaakt door Rudolf Diesel, en was bedoeld voor olie uit pinda s. Voordelen: Het belangrijkste voordeel is dat de grondstof, de zogenaamde PPO s of puur plantaardige olies biologisch afbreekbaar zijn en niet giftig zijn of zwavel bevatten, bij verbranding komt minder zwaveloxide en CO vrij dan bij gewone diesel, en de CO2-uitstoot wordt geneutraliseerd. De viscositeit of stroperigheid Pagina 1 van 6

2 komt ook bijna overeen met die van dieselmotoren en daarom kunnen de meeste dieselmotoren zonder aanpassing hierop draaien, het is ook vrij gemakkelijk te verkrijgen, in Duitsland zijn er al 1700 stations waarin het te verkrijgen is en in Frankrijk is het gemengd met gewone diesel al op veel plaatsen te verkrijgen, de norm van de EU (5,57% in 2010) is dus gemakkelijk haalbaar. Nadelen Ondanks dat vele andere schadelijke stoffen niet zullen worden uitgestoten, geeft het wel meer stikstofoxiden af,dat bijdraagt tot het gat in de ozonlaag. Tijdens het productieproces en het transport stoot het echter meer CO2 uit dan gewone diesel, het is dus meer milieubelastend dan gewone brandstof. Er zit ook methanol in, dus ook al moeten de motoren niet vervangen worden, de leidingen en pakkingen moeten wel worden vervangen door een materiaal dat zich niet laat aantasten door methanol. En ook al is er slechts een klein verschil in visositeit, bij het starten kan de auto toch soms, vooral in de winter problemen hebben, om dit op te lossen kan wel 0,15% aceton worden toegevoegd. Maar er is nog een probleem, als we alle braakliggende gronden van ons land hiervoor toch nog zouden gebruiken zouden we slechts aan 3% van de basisbehoefte kunnen voldoen. B: bio-ethanol Bio-ethanol is ethanol op een biologische manier verkregen ethanol, het wordt vooral verkregen uit suikerriet, mais, tarwe en suikerbiet, ook andere granen kunnen worden gebruikt, de gewassen zijn meestal rijk aan glucose of zetmeel, want zetmeel kan omgezet worden in glucose en glucose kan omgezet worden in ethanol door eencellige organismen, het productieproces verloopt als volgt: ten eerste wordt de grondstof mechanisch voorbewerkt door een hamermolen, daarna worden de aanwezige koolhydraten tot fermenteerbare suikers ontsloten (di enzymatische hydrolyse), daarna worden de suikers met behulp van gisten omgezet in alcohol, vervolgens wordt het gedestilleerd tot 90% alcohol, hierna wordt het door pervaporatie (membraanscheiding onder vacuüm) tot 99% gebracht, de ingedikte restbiomassa wordt naar co-vergistingsinstallaties gebracht en omgezet naar biogas en het afvalwater wordt voor hergebruik teruggevoerd naar de hydrolysetank en de vergistingsinstallatie Het biogas wat vrijkomt kan dienen voor zuivering van rioolwater of het kan na zuivering ook als brandstof dienen. Bio-ethanol is ook de meest gebruikte biobrandstof op aarde. Er zijn ook nog andere manieren om ethanol te maken, zoals cellulose ethanol. Cellulose-ethanol is ethanol gemaakt van het houtachtige gedeelte (cellulose) van gewassen. In het Zweedse Örnsköldsvik, 540 kilometer ten noorden van Stockholm, staat een wereldwijd unieke proeffabriek, die op termijn uit resthout vloeibaar ethanol gaat fabriceren. Voorlopig gebeurt dit nog uit zaagsel. Cellulose-ethanol vermindert de uitstoot van CO2 met 80 tot 90 procent. Het scoort dus nog beter dan bio-ethanol.. Voordelen Er is een gunstigere milieubalans, er is tot 30 à 40% minder CO2-uitstoot dan bij gewone benzine en geen zwavel- of roetuitstoot, het is echter moeilijk om de CO en NOX uitstoot te bepalen omdat dit van gewas tot gewas verschilt. Door bioethanol kunnen we minder afhankelijk worden van brandstofimport, er is ook toekomst voor de landbouwers in ons land. Pagina 2 van 6

3 Nadelen Er zijn uiteraard door de honger in de wereld morele bezwaren om belangrijke voedingsmiddelen te gebruiken als brandstof, de kostprijs ligt ook veel hoger en de landbouw kan zo belangrijk worden dat andere nog niet ontgonnen (natuur)gebieden plaats zullen moeten ruimen voor de landbouw. C andere alternatieven Biogas Biogas is een brandbaar gas gemaakt door het zonder zuurstof (anaëroob) vergisten van biomassa, zoals hiervoor al werd getoond, of van de biologisch afbreekbare fractie van afval. Het ruwe gas bestaat voornamelijk uit methaan en koolstofdioxide. Na het verwijderen van de koolstofdioxide vindt samenpersing van het methaan plaats en kan het als brandstof voor aardgasauto's dienen. De meeste ontstekingsautomotoren hebben enige aanpassing nodig om biogas te kunnen gebruiken. Momenteel is veel van het commercieel verkrijgbare biogas in Europa afkomstig van stortplaatsen. Door het vrijwel ontbreken van voldoende tankstations voor biogas blijft de toepassing helaas beperkt. Bio-FT-diesel Bio-FT-diesel, ook wel groene diesel genoemd, ontstaat door vergassing van biomassa met behulp van het zogenaamde Fischer Tropsch (FT) procédé (genoemd naar de Duitse onderzoekers Franz Fischer en Hans Tropsch). In Duitsland heeft CHOREN een proeffabriek voor FT-diesel op biomassa opgezet. In 2008 wil CHOREN dat de fabriek klaar is voor commerciële productie. DME DME of dimethylether, is een organische verbinding die veel waterstof bevat. DME wordt gemaakt uit methanol en is vooral geschikt als dieselbrandstof. Het aanpassen van de dieselmotoren kan relatief eenvoudig gebeuren. Een nadeel van DME is dat het agressief is voor de meeste kunststoffen en rubbers, zodat er andere afdichtingen moeten komen. De energie-inhoud van DME is bijna de helft van die van diesel, en dat betekent of vaker tanken of een grotere brandstoftank aan boord. Synthesegas (SNG) Synthesegas bevat voornamelijk waterstof en koolmonoxide en ontstaat door biomassa met zuurstof te vergassen. Na reiniging valt dit synthesegas op te waarderen tot synthetisch aardgas, ofwel Synthetic Natural Gas (SNG). Auto's die al geschikt zijn om op gas te rijden kunnen ook SNG gebruiken. Biomethanol Biomethanol stond vroeger bekend onder de naam houtalcohol. Het is een vloeibare brandstof die onder meer te fabriceren is uit synthesegas (zie hierboven). Dit methanol is ook te maken uit fossiele brandstoffen, vooral uit aardgas. Met name in de Verenigde Staten speelt methanol een belangrijke rol als vervanging van benzine, onder meer door menging van methanol met benzine. Methanol heeft een lagere verbrandingswaarde dan ethanol en het is giftig, maar prijstechnisch is het aantrekkelijk. Reden voor de Amerikaanse overheid om veel onderzoek te laten verrichten naar het verbeteren van het fabricageproces. HTU Bij TNO-MEP in Apeldoorn bevindt zich een HTU-proefinstallatie. Met een capaciteit van 100 kilo biomassa per uur is de bescheiden Hydro Thermal Upgrading (HTU) installatie in staat om bij een temperatuur van 300 tot 350 graden Celsius een zwaar organische vloeistof te produceren, die na bewerking onder meer fossiele diesel kan vervangen. Een van de voordelen van het HTU-proces is dat hiermee ook natte biomassa te verwerken is. Het zal waarschijnlijk nog enige jaren duren voordat het procédé voldoende Pagina 3 van 6

4 getest en ontwikkeld is om een commerciële biodiesel voort te kunnen brengen. Pyrolyse-olie Pyrolyse-olie, ook wel bio-olie genoemd, ontstaat na een speciale bewerking (pyrolyse) van biomassa. Het pyrolyseproces is minder ver ontwikkeld dan de verbrandings- of vergassingstechnologieën, maar er zijn enkele bedrijven die al enkele jaren het proces commercieel toepassen. 3: De waterstofauto of brandstofcelauto Volgens mij is waterstof het beste alternatief, daarom ga ik hier ook dieper op in. Een brandstofcelauto krijgt zijn energie door het verbranden van waterstof. Het rendement is ongeveer 45%. De opgewekte elektriciteit wordt via een accu toegevoerd aan een elektromotor (hier later meer over). Waterstof is gemakkelijk verkrijgbaar door ontleding of elektrolyse van water, hiervoor is helaas stroom nodig, groene stroom kan slechts in kleine mate worden opgewekt en fossiele brandstoffen vervuilen te veel, dus is hiervoor de beste oplossing kernenergie (geen CO2, helaas wel radioactief afval), bij ontleding van water is het rendement ongeveer 66%, het kan ook gewonnen worden uit aardolie, bedrijven zoals shell doen er momenteel onderzoek naar, maar ook dit kost energie. Waterstofauto s zijn ook altijd uitgerust met een brandstofcel, maar wat is dat nu precies? Wel, brandstofcellen zijn elektrochemische toestellen die chemische energie van een doorgaande reactie omzetten in elektrische energie waarbij voortdurend nieuwe reagentia kunnen worden aangevoerd. Afhankelijk van de brandstof hebben veel brandstofcellen schone afvalproducten, bijvoorbeeld puur water, die het milieu niet belasten. Dit voordeel wordt veelal echter teniet gedaan als de gebruikte brandstoffen uit of met gebruik van bestaande niet-schone energiedragers (aardgas, kolen) moeten worden gewonnen waarbij wel milieubelasting optreedt. Het zou daarom wenselijk zijn om de brandstof uit schone bron te betrekken, bijvoorbeeld door met zonne-energie of waterkracht water te splitsen in waterstof en zuurstof. Er is al veel onderzoeks- en ontwikkelingswerk gedaan om op deze manier een schone zogeheten waterstofeconomie te verwezenlijken, maar de mensheid is nog ver van de wereldwijde invoering van een dergelijk stelsel af. Problemen die momenteel met brandstofcellen optreden zijn onder andere het feit dat ze meestal onmiddellijk werken en dat de temperatuur, waarbij ze optimaal functioneren, hoog is. Hierdoor is er bijvoorbeeld bij gebruik in auto s dikwijls een zekere opwarmtijd. Een brandstofcel lijkt nog iets nieuws maar eigenlijk werd hij al in de 19de eeuw ontwikkeld door William Grove, in 1843 werd al een schets geproduceerd, maar het duurde nog tot de jaren 60 van de 20ste eeuw voor de brandstofceltechnologie kon worden gebruikt, ze werden vooral door de VS gebruikt in de ruimtevaart om water en elektriciteit uit waterstof te maken, hier werden echter zeer dure materialen gebruikt, en hij kon enkel op zeer zuivere waterstof rijden en in de tachtiger en negentiger jaren werd nafion als elektroliet gebruikt Een brandstofcel in een waterstofauto werkt als volgt: in de brandstofcel worden waterstof- en zuurstofatomen is aparte kamers gezet, een poreuze wand waar een elektrolyt doorheen kan scheidt de kamers. In de zuurstofkamer is een kathode (positieve geleider). Als de anode (negatieve geleider) en de kathode verbonden worden vindt er een reactie plaats die bekend staat als de oxidatie en reductiereactie, waterstofgas wordt geoxideerd met zuurstof om water te vormen aan de anode, tijdens de reactie komen er elektronen vrij uit het waterstof, de vrijgekomen elektronen stromen terug door de geleider in een elektrische schakeling. Nadat ze door de schakeling zijn gestroomd, stromen ze terug de kathode in en Pagina 4 van 6

5 worden opgenomen door het zuurstof. Deze stroom gaat door en produceert een elektrische stroom. Het enige afvalmateriaal wat tijdens deze reactie vrijkomt is H2O, oftewel water, dit gebeurt door de reactie 2H2+O2-> 2H2O, het water moet verwijderd worden om te voorkomen dat de ruimte overstroomt. Elke cel produceert slechts een kleine lading, maar de cellen kunnen met elkaar verbonden worden of gestapeld worden om genoeg stroom te kunnen leveren zodat praktisch elk apparaat aangedreven kan worden. Hier enkele voorbeelden van brandstofcellen: AFC PEM FC DMFC PAFC MCFC Bedrijfstemperatuur ( C) Brandstof* H2 H2 (/CO2) methanol H2 (/CO2) H2, CO Elektroliet KOH polymeer polymeer fosforzuur gesmolten carbonaat Mobiele ion OH- H+ H+ H+ (CO3)2- Toepassing ruimtevaart, (transport) transport, grootschalige energieopwekking, WKK, draagbare energie draagbare energie, transport. grootschalige energieopwekking, WKK grootschalige energieopwekking, WKK Een andere manier om aan waterstof te komen is door het uit biomassa te maken, er zijn verschillende technieken mogelijk, zoals het afscheiden uit generatorgas (een mengsel van waterstof, koolstofdioxide en methaan) dmv een keramisch membraan, generatorgas ontstaat door vergassing van biomassa, maar hier is het nodig dat het waterstof eerst wordt gereinigd, een andere veelbelovende techniek is vergassing van biomassa gecombineerd met reforming en CO2-verwijdering. Maar voor kleinschalig gebruik is het het beste om superkritische vergassing van biomassa (bij hoge druk en lage temperatuur)te gebruiken. Toyota wil een hybride brandstofauto tegen 2010 grootschalig op de markt brengen. Een hybride auto is een auto die deels op gewone brandstof, deels op een alternatieve brandstof rijdt, in deze auto kunnen vijf personen, hij haalt 150km/uur en er rijden al prototypes rond die in totaal km hebben gereden. Dit is niet de enige auto die al op waterstof kan rijden, de Hy-wire van General Motors geeft waarschijnlijk het beste beeld van de toekomst, de naam is een samentrekking van Hydrogen (waterstof) en Drive by Wire, dit prototype laat zich rijden als een soort computerspeletje, er zijn ook auto s met een waterstof verbrandingsmotor, soals de H2R van BMW die op het Franse racecircuit Miramas 9 snelheidsrecords brak, waaronder de topsnelheid (302,4 km/u) en 1 km met vliegende start in 11, 993 seconden. Binnen enkele jaren brengt BMW trouwens ook een hybride auto op de markt. Een belangrijk nadeel van waterstof is wel de ontplofbaarheid, bij een terroristische aanval op een opslagplaats zouden de gevolgen rampzalig zijn, maar voor auto s zelf is er bijna geen risico, want ze zijn van aluminium gemaakt en verstevigd met kevlon, een van de hardste materialen, de waterstof staat ook onder hoge druk in de tand (50 tot 100 keer de druk in een LPG-tank), mocht er dan toch een lek in komen, dan werkt de hoge druk in het voordeel: de waterstof die vrijkomt, vervliegt in een oogwenk. Met waterstofauto s associeert men vaak waterstofbommen, maar die ontploffen door kernfusie, in brandstofcellen gebeuren heel andere processen, ook denkt men vaak aan de ramp met de beroemde zeppelin de Hindenburg, maar die bleek achteraf een gewone brand te zijn geweest. Normale auto s kunnen ook gemakkelijk worden overgeschakeld naar hybride auto s, dit wordt gedaan om te wennen aan het gebruik van waterstof, daarna zullen ze geleidelijk kunnen overstappen op Pagina 5 van 6

6 volwaardige waterstofauto s, binnenkort zal een gewone auto waarschijnlijk kunnen worden omgebouwd tot een hybride auto voor 2000 à 5000 euro, wat in prijs nog goed meevalt. Waterstoftankstations zijn er nog niet veel, maar als er meer waterstofauto s zijn zullen er ook meer tankstations komen, eerder zullen tankstations nog niet willen investeren in waterstoftanks, en omgekeerd, zolang er weinig watestofstations zijn, zullen weinig mensen een waterstofauto willen kopen. Het eerste tankstation voor waterstofauto s was in de VS, in californië zijn er zelfs al 13, in 2010 zullen er waarschijnlijk (en hopelijk) 170 zijn. Vele merken experimenteren al met brandstofcelauto s, zoals Toyota (zie hierboven), BMW, Hyunday, Mercedes, Mazda en Opel, volgens schattingen zal in % van de auto s in de VS op waterstof rijden, in 2050 kan dit 100% zijn en als hij in de VS aanslaat, zal het niet lang duren eer hij Europa verovert, General Motors wil vanaf 2010 massaal waterstofauto s produceren, zodat de consument zo n auto kan kopen tegen een prijs die hij zich kan veroorloven. Helaas zijn we nog niet zo ver, brandstofcellen zijn nog altijd duurder dan een verbrandingsmotor, er zit platinum in, wat zeer duur is. Gelukkig weten de onderzoekers de nodige hoeveelheid steeds te reduceren en men verwacht dat dat nog zo gaat verdergaan, brandstofcellen worden dus nog goedkoper dan dat ze nu zijn. Het is wel mogelijk om je verbrandingsmotor om te bouwen, zodat die op waterstof kan rijden, maar het vermogen uit zo n motor is minder dan de helft dan dat uit een brandstofcel. Waterstof is ook veel lichter dan benzine en bevat minder energie per m³, daarom moet het goed samengedrukt worden, anders zou een waterstofauto een enorme tank nodig hebben, maar zelfs een tank van fatsoenlijke afmetingen moet wel gaan tanken om de 300 km, terwijl dit met benzinetanken toch 400 km is. Wetenschappers proberen te kijken hoe er nog betere compressie (samendrukking) van waterstof kan zijn zodat er meer energie uit hetzelfde volume waterstof kan worden gehaald, een van de mogelijkheden is, volgens onderzoekers van Alfred University is het waterstof opslaan in minuscule glasbolletjes, het waterstof wordt dmv licht vrijgelaten, dit zou een veilige, goedkope en betrouwbare manier zijn om waterstof op te slaan. 4: Andere alternatieven Er zijn natuurlijk ook nog andere alternatieven mogelijk, zoals een auto op elektriciteit te laten rijden, maar de wereld verbruikt al zo veel elektriciteit en binnen 100 jaar zullen we nog driemaal zoveel elektriciteit nodig hebben, moesten we toch genoeg energie hebben zou ik voor kernenergie kiezen omdat het milieuvriendelijk is en veel stroom opwekt, maar de elektrische auto is niet het enige alternatief, er zijn ook auto s op zonne-energie en nog veel andere dingen, spijtig genoeg staan deze nog niet op punt, er moet dus nog heel wat gedaan worden om aan een goede milieuvriendelijke brandstof te komen. Pagina 6 van 6