اهمیت و کاربرد بیودیزل

تقاضای انرژی جهان از منابع مختلفی مانند ذغال سنگ ، نفت و گاز طبیعی و . . .  فراهم می شود. و نفت  مبتنی بر سوختهای محدود ذخائر متمرکز در مناطق خاصی از جهان می باشد.این منابع در شرف منقرض شدن قرار دارند و کمبود ذخائر نفتی شناخته شده استفاده از منابع تجدید پذیر را جذاب تر خواهد ساخت. همچنین تقاضای انرژی در جهان روز به روز در حال افزایش می باشد و عملی ترین راه برای روبرو شدن با تقاضای رو به رشد، استفاده از سوختهای جایگزین می باشد. یکی از سوختهایی که پتانسیل بسیار زیادی برای تولید سوخت زیستی دارد همین بیودیزل می باشد. اصطلاح سوخت زیستی که به عنوان سوخت مایع یا گاز در بخش حمل و نقل استفاده می شود عمدتاً از زیست توده یا بیوماس تولید می شود.

سوختهای زیستی به طور کلی به عنوان ارائه اولویتهای بسیاری، از جمله پایداری، کاهش انتشار گازهای گلخانه ای، توسعه منطقه ای، ساختار اجتماعی و کشاورزی و امنیت عرضه در نظر گرفته می شوند.در کشورهای توسعه یافته روند رو به رشد به کارگیری فن آوریهای مدرن و کارآمد تبدیل انرژی زیستی با استفاده از طیف وسیعی از سوختهای بیولوژیکی است که در حال تبدیل شدن به رقابت با سوختهای فسیلی با هزینه عاقلانه می باشند. 
کمبود سوختهای فسیلی متعارف، تولید گازهای گلخانه ای در حال رشد آلاینده های تولید و افزایش هزینه ها، منابع زیست توده را جذاب تر خواهد ساخت.
با افزایش تقاضای انرژی و کاهش ذخائر نفتی، سوختهایی مثل بیودیزل و بیو اتانول در خط مقدم از فن آوری های جایگزین قرار داده می شوند.
بر این اساس، جایگزین مناسب برای فشرده سازی و موتورهای احتراق (CIEs)بیو دیزل می باشد و آن به وضوح روشن است که حمل و نقل تقریباً، کاملا ً وابسته به سوختهای فسیلی می باشد به ویژه سوختهای مبتنی بر مشتقات  نفتی مانند بنزین ، گازوئیل ، گاز نفتی مایع مانند LPG وNG .سوختهای جایگزین برای پترو دیزل باید از لحاظ فنی امکان پذیر باشد و از لحاظ اقتصادی نیز قابل رقابت با پترودیزل و همچنین از نظر محیط زیستی نیز قابل قبول بوده و به راحتی در دسترس باشد. با این توصیفات جایگزین مناسب برای دیزل را باید بیودیزل دانست.
استفاده از بیودیزل ممکن است میزان تولید گازهای گلخانه ای برخی از آلاینده ها را بهتر کرده و باعث وخامت بعضی دیگر گردد. با این حال برای کم کردن میزان بیودیزل مهم آن است که با توجه به عوامل دیگر مانند مواد خام، چرخه و تکنولوژی استفاده شده در وسیله نقلیه وغیره توجه نمود. استفاده از بیودیزل به شما این امکان را می دهد که تعادل بین بخش کشاورزی، توسعه اقتصادی و محیط زیست را دنبال کنید.
بیودیزل به عنوان استر های منوالکیل از روغن گیاهی یا چربی حیوانی بدست می آید. روغنهای گیاهی و روغنهایی که از چربی حیوانی بدست می آید با توجه به این که ویسکوزیته آنها 10 تا 17 برابر سوخت دیزل  می باشد بسیار چسبناک است.

بیودیزل طی یک تبادل استری برای رسیدن روغن یا چربی به ویسکوزیته نزدیک گازوئیل تولید  می شود. تبدیل شیمیائی روغن یا چربی به استر مربوطه را (بیودیزل) تبادل استری گویند و هدف از تبادل استری کاهش ویسکوزیته روغن می باشد. تبادل استری درآمد حاصل از واکنش با کاتالیزور و یا بدون کاتالیزور و با استفاده از الکلهای آلیفاتیک اولیه و ثانویه با داشتن 1 – 4 اتم کربن به شرح ذیل می باشد:

نمونه موتور احتراق واکنش:

مطالعات مختلف با استفاده از روغن های مختلف به عنوان مواد اولیه انجام شده است. الکل (متانول، اتانول، بوتانول) و همچنین به عنوان کاتالیزورهای مختلف آنهایی که همگن  هستند مانند هیدروکسید سدیم، هیدروکسید پتاسیم، اسید سولفوریک و مایعات فوق بحرانی و  آنهایی که ناهمگن هستند مثل لیپاز استفاده می شود.

تبدیل شیمیایی که روغن وچربی را به استر (بیودیزل) تبدیل می نماید تبادل استری نامیده می شود. تبادل استری اشاره به واکنش بین استر (تری گلیسیرید) یک الکل (گلیسیرین) و الکل (متانول به شکل استر ار الکل دوم متیل استر) دارد.
 تبادل استری گلیسیرید (روغنهای گیاهی و چربی حیوانی) برای تولید استرهای منوالکیل و گلیسیرین سوخت جدید (بیودیزل) یک فرآیند ایده آل به شمار می رود.
زیست توده های تجدید پذیر نیز به عنوان ماده خام بالقوه برای روغن های گیاهی برای تولید بیودیزل در نظر گرفته شده اند. اقتصاد در حال حاضر فرآیندهایی که در آنها از روغن پخت و پز و غیر خوراکی و مواد زائد استفاده می شود ترجیح می دهد. شکل زیر نمودار جریان پردازش بیودیزل را به صورت شماتیک نشان می دهد:
 

سوخت دیزل (گازوئیل) را نیز می توان با بیودیزل ساخته شده از روغنهای گیاهی جایگزین کرد. بیودیزل در حال حاضر به طور عمده از روغن سویا وکلزا تولید می شود. روغن سویا به عنوان منبع اصلی بیودیزل در ایالات متحده و روغن کلزا در کشورهای اروپایی به عنوان منبع اصلی تولید  بیودیزل مورد استفاده قرار می گیرند.
در کشورهای دارای آب و هوای گرمسیری ترجیح می دهند که از روغن نارگیل و روغن خرما برای تولید این محصول استفاده نمایند با این حال هر گیاهی که دارای روغن باشد مثل ذرت، پنبه دانه، بادام زمینی، آفتابگردان، گلرنگ، نارگیل و خرما می توانند برای تولید بیودیزل مورد استفاده قرار گیرند.
علاوه براین، منابع دیگر مطالعه شده برای تولید بیودیزل را چربی حیوانی و استفاده از ضایعات روغن پخت و پز تشکیل می دهد. پژوهشگران همچنین در حال توسعه جلبک برای استفاده از روغن آن برای تولید بیودیزل می باشند.بیودیزل خالص یا 100% ، به عنوان B100 یا سوخت شسته رفته به آن اشاره شده است. مخلوط بیودیزل خالص با پترودیزل ، بیودیزل را تشکیل می دهد. مخلوط بیودیزل به صورت BXX نشان داده می شود که XX نشان دهنده میزان بیودیزل مخلوطی با پترو دیزل می باشد. (به عنوان مثالB80  دارای 80 % بیودیزل و 20% پترودیزل می باشد).

چرا بیودیزل

بیودیزل سوخت تجدید پذیری است که با واکنش شیمیایی الکل و سبزیجات یا روغنهای حیوانی، چربیها یا گریسها ساخته می شود. از طریق فرآیند پالایش موسوم به واکنش تبادل استری، گلیسیرین را که یک محصول فرعی بوده و برای موتور خودرو مناسب نیست، حذف می کنند. گلیسرین حذف شده می تواند برای تهیه صابون استفاده شود. بیودیزل می تواند در بسیاری از موتورهای دیزلی بصورت خالص یا مخلوط با سوختهای نفتی در مقادیر مختلف استفاده شود. به ویژه در مخلوطی با۸۰ درصد بیودیزل و۲۰ درصد سوخت نفتی، بطور چشمگیری تابشهای سرطانی و گازهایی را که در گرم شدن زمین سهیم می شوند، کاهش می دهد.

سوخت ایمن و تمیز

بیودیزل سلامت اپراتورهایی را که با این سوخت سروکار دارند، تضمین می کند. همچنین جایگزین تمیزی برای سوختهای نفتی است و در زمره سوختهای سبز قرار می گیرد. بیو دیزل از چربیها و روغنهای تجدید پذیر نظیر روغنهای ماهی تابه رستوران ها توسط برخی شرکتها (از جمله شرکت Pacific در آمریکا) تولید می شود.بیودیزل می تواند در خودروهایی که تحت سیاست اعتباری کنترل انرژی عمل می کنند، استفاده شود. بیودیزل در موتورهای تراکم احتراقی موجود در بازار اعم از سبک تا سنگین همانند سوختهای نفتی استفاده می شود و نیازی به هیچگونه مدیفیکاسیون موتور وجود ندارد. بیودیزل ظرفیت عملکردی، بازده و محدوده کاری دیزل های نفتی را دارا بوده و پشتیبانی می کند. نه تنها هیچگونه تغییر ماهیتی در موتور خودرو لازم نیست بلکه هیچ نیازی به تغییر خودروها، قطعات یدکی، ایستگاههای سوخت گیری و مهارت های خاص برای مکانیک ها نیز لازم نخواهد بود. شیلنگ خودروها پس از۶ ماه اول کارکرد با بیودیزل نیازمند بررسی و چک آپ است. همچنین جایگزینی شلنگ های غیرسازگار ضروری است که اینکار نیز چندان سخت و هزینه بر نیست. مخلوط های۲۰ درصد یا کمتر ممکن است اثر نامطلوب اندکی روی شلنگ های غیرسازگار داشته باشند.

بیودیزل تشعشعات آلاینده زیست محیطی را تقلیل می دهد
بیودیزل با۲۰ درصد مخلوط دیزل نفتی استفاده می شود. مبدل های کاتالتیکی موجود در اگزوز خودروها آلایندگی آنها را به حداقل می رسانند. در نتیجه مواد خاص به۳۱ درصد، دی اکسید کربن به۲۱ درصد و کل هیدروکربن ها به۴۷ درصد کاهش می یابد. بیودیزل مصرفی با مخلوط نفتی همچنین نشر سولفور و آروماتیک ها را نیز کاهش می دهد.

استفاده ازB100 مواد سرطان زا و آلاینده ها را بیشتر کاهش می دهد. بیودیزلها بدلیل ایمن بودن، سازگاری با محیط زیست و سهولت حمل و نقل در جاهای مختلف استفاده می شوند. صنعت دریایی آمریکا۱۰درصد از مصرف سوختی خود را از بیودیزل تأمین و از آن در مأموریتهای دریایی، قایقهای نوساخت و تعمیری، کشتیهای تجاری داخلی و کشتیهای تجاری اقیانوس پیما و ناوگان پاسبان ساحلی استفاده می کند. بیودیزل سوختی جایگزین با ضریب ایمنی بالا به حساب می آید، چون دارای نقطه اشتعال بالاتری از دیزلهای موجود است. از سوی NFPA در زمره سوختهای غیرقابل اشتعال کلاس بندی شده است و نیازی به نصب برچسب مواد خطرناک برروی آنها در موقع بارگیری و حمل و نقل وجود ندارد. بیودیزل در موتورها به سهولت می سوزد و موقعی که با حداقل مقدار کمتر از۲ درصد با سوخت نفتی دارای سولفور یا سولفور خیلی کم مخلوط می شود نرمی و روانی آن در سطوحی برابر با سوختهای نفتی حاوی مقادیر بسیار زیاد سولفور افزایش می یابد. استفاده از بیودیزل و مخلوطهای آن تغییرات قابل توجهی در بوی ترکیبات خروجی از اگزوز دارد. اگر بیودیزل اکسیژن دهی شود در اینصورت احتراق کاملتری نسبت به پترودیزلها در موتور صورت می پذیرد.

بیودیزل به عنوان سوخت حمل ونقل
محققین و پژوهشگرها آزمایش را با به کار بردن انواع مختلف روغن خام و تصفیه شده انجام دادند. این آزمایشات با بیودیزل خام به عنوان سوخت، نتایج رضایتبخشی را نشان نداد. این سوخت باعث ذغال کک سازی انژکتور و چسبیدن رینگ پیستون شد. بعضی از محققین سوخت را با اتانول یا متانول در حضور هیدروکسید پتاسیم یا هیدروکسید سدیم مخلوط کردند و سپس آن را تصفیه کردند و شستشو دادند. این مرحله تبادل استری نامگذاری شد و برای زدودن صمغ، موم و پاک کردن تری گلیسیرید از روغن گیاهان استفاده می شود. تبادل استری، گرانروی،چگالی و نقطه ی اشتعال سوخت را کاهش می دهد. نتایج به دست آمده با چنین روغن هایی در موتورهای احتراق تراکمی به عنوان سوخت، فقط برای دوره ای کوتاه مدت رضایتبخش بودند.اکثریت زیادی از محققین روغن بیودیزل استری شده را با دیزل و با نسبت های مختلف مخلوط کردند. مخلوط روغن بالای ۲۰% وقتی در درازمدت آزمایش شد، موجب اشکال در نگهداری و در بعضی مواقع آسیب زدن به موتور شد. بعضی مولفین موفقیت در به کار بردن روغن گیاهان را به عنوان توسعه دهنده ی سوخت های دیزل در ترکیبات بالای ۲۰%، حتی در تحقیق های طولانی مدت، گزارش دادند. نتیجه ی عمده ای که از پژوهش ها به دست آمد این بودکه ذغال کک ساختن، مشکل جدی و بالقوه ی استفاده از بیودیزل گیاهیِ اصلاح نشده است. اگرچه، روغن گیاهی تصفیه شده، به طور شیمیایی فرآوری شده و صمغ زدایی شده، می تواند مخلوط با دیزل برای به کار انداختن موتورهای احتراق تراکمی برای دوره ی طولانی تری استفاده شود.
کاهش ناچیز توان ترمزی و افزایش ناچیز مصرف سوخت گزارش شد. اگرچه، خواص روان کنندگی بیودیزل بهتر از دیزل است که می تواند به افزایش عمر موتور کمک کند. اضافه بر این، سوخت بیودیزل سازگار با محیط زیست است، اکسیدهای نیتروژن و هیدروکربن خیلی کمتری تولید می کند و مطلقا تولید اکسید گوگرد و افزایش دی اکسید کربن در سطح جهانی را به دنبال ندارد.