Biodiesel

Biodiesel is 'n dieselbrandstof wat in die meeste bestaande dieselenjins gebruik kan word sonder om die enjins te verander.  Dié diesel word gewoonlik uit plantaardige olies vervaardig.  Hierdie artikel bespreek hoofsaaklik sulke dieselbrandstowwe wat vanuit plantaardige olies of dierevette deur middel van transesterifikasie vervaardig word.

Biodiesel is bio-afbreekbaar en is nie giftig nie. Gewoonlik veroorsaak biodiesel omtrent 60% minder koolstofdioksied by verbranding as ander diesel wat van petroleum gemaak word. Dít is omdat biodiesel sélf van atmosferiese koolstofdioksied gemaak word tydens die proses van fotosintese in plante.

Sommige motorvervaardigers is positief oor die gebruik van biodiesel, omdat dit die enjin minder beskadig as gewone brandstof.

Vandag se infrastruktuur maak dit moontlik om biodiesel wyd beskikbaar te stel, en die verbruik en vervaardiging van hierdie brandstof is besig om vinnig toe te neem. Vulstasies maak biodiesel ál hoe geredeliker beskikbaar vir verbruikers, en 'n toenemende aantal vervoerstelsels gebruik reeds biodiesel as 'n byvoeging tot hul konvensionele diesel. Biodiesel is gewoonlik duurder as gewone petroleumdiesel, maar daar word verwag dat dit veel goedkoper sal word as gevolg van die stygende fossielbrandstofpryse en regeringsubsidies en die ekonomie van skaal in die vervaardiging daarvan.

Beskrywing 

Biodiesel is 'n vloeistof wat van kleur kan wissel (tussen goud en donker bruin) na gelang van die voermateriaal wat gebruik is tydens vervaardiging.  Dit is so te sê onoplosbaar in water en het 'n hoë kookpunt en lae dampdruk.  Tipiese metielester biodiesel het 'n flitspunt van ongeveer 150 °C wat dit nie geredelik vlambaar maak nie.  Biodiesel het 'n digtheid van ongeveer 0.88 g/cm2, wat laer is as dié van water.  Biodiesel wat nie met reagense besoedel is nie kan as nie-giftig beskou word.

Biodiesel het 'n viskositeit (vloeibaarheid) soortgelyk aan dié van petroleumdiesel.  Dit kan gebruik word as 'n bymiddel in die formulering van diesel om die smering van suiwer ultra-lae swaeldiesel te verbeter.  In groot dele van die wêreld word die hoeveelheid biodiesel in 'n mengsel aangedui deur 'n "B"-faktor.  'n Brandstof wat 20% biodiesel bevat sal as B20 aangedui word.  'n Suiwer biodiesel word na verwys as B100.  Biodiesel is 'n hernubare brandstof wat vervaardig kan word vanuit alge, plantaardige olies of dierevette.  Dit is 'n veilige, bioafbreekbare brandstof wat lugbesoedeling kan verminder ten opsigte van partikels, koolstofmonoksied en koolwaterstowwe.

'n 20% Versnit van biodiesel met 80% petroleumdiesel (B20) kan gewoonlik in onveranderde dieselenjins gebruik word. Dit kan ook in suiwer vorm (B100) gebruik word in onveranderde enjins, maar daar word gewoonlik aanbeveel dat verstellings gedoen word om onderhouds- en werkverrigtingsprobleme te vermy.

Biodiesel het ongeveer 5-8% minder energiedigtheid. Die vollediger verbranding maak dat die energie-uitset slegs sowat 2% minder of sowat 35 MJ/L is.

Geskiedenis 
Transesterifikasie van plantaardige olies is al so vroeg as 1853 deur die wetenskaplike Patrick Duffy uitgevoer, baie jare voordat die eerste dieselenjins uitgevind is.  Die uitvinder van die dieselenjin, Rudolf Diesel, het ook stellings gemaak dat plantaardige olies 'n groot rol sou speel as brandstof vir die dieselenjin.

Tydens die 1920's het dieselenjinvervaardigers hul enjins aangepas om die laer viskositeit van petroleumdiesel ('n fossielbrandstof) te benut, eerder as om plantaardige olies ('n biomassabrandstof) te brand.  Dié brandstof was baie goedkoper as biomassa-alternatiewe.  Ten spyte van die wydverspreide gebruik en gewildheid van dieselbrandstowwe wat uit ru-olie vervaardig is, was daar steeds heelwat belangstelling in verskeie lande tydens die 1920's en die 1930's en later ook tydens die Tweede Wêreldoorlog.

België, Frankryk, Italië, die Verenigde Koninkryk, Portugal, Duitsland, Brasilië, Argentinië, Japan en China het almal berig dat hulle toetse op plantaardige olies as dieselbrandstof in dié tydperk gedoen het. Verskeie bedryfsprobleme is waargeneem wat hoofsaaklik te wyte is aan die hoë viskositeit van plantaardige olies wat 'n lae atomisasie van die brandstof tot gevolg gehad het, met die gevolglike vorming van neerslae op die inspuiters, verbrandingskamer en kleppe. Pogings om die probleme te oorkom het die verhitting van die olie, vermenging met petroleumdiesel of etanol, pirolise en die kraking van die olies ingesluit.

Op 31 Augustus 1937 is 'n patent aan G. Chavanne, wat verbonde was aan die Universiteit van Brussel (België), toegeken vir 'n metode om plantaardige olies om te skakel vir gebruik as brandstof (Belgiese patent 422 877). Die patent het die alkoholise (ook verwys na as transesterifikasie) van plantaardige olies beskryf, deur gebruik te maak van metanol en etanol om die gliserol in die verbinding met korter lineêre alkohole te vervang en sodoende vetsure van gliserol te skei. Dit wil voorkom asof dit die eerste aantekening was van wat deesdae algemeen as "biodiesel" bekend staan.

Navorsing oor die gebruik van veresterde sonneblomolie en die verwerking daarvan na dieselbrandstof is in 1979 in Suid-Afrika gedoen.  In 1983 is die proses vir die vervaardiging van brandstofgehalte, enjingetoetste biodiesel voltooi en internasionaal gepubliseer. 'n Oostenrykse maatskappy, genaamd Gaskoks, het die tegnologie van Suid-Afrikaanse landbouïngenieurs verkry en 'n loodsaanleg in November 1987 opgerig en daarna 'n nywerheidskaalaanleg in April 1989 (met 'n kapasiteit van 30 000 ton raapsaad per jaar).

Gedurende die 1990's is verskeie aanlegte in Europese lande (die Tsjeggiese Republiek, Duitsland en Swede) opgerig. Frankryk het ook die plaaslike vervaardiging van biodiesel vanuit raapsaadolie geloods.  Renault, Peugeot en ander vervaardigers het sekere vragmotorenjins gesertifiseer om petroleum/biodieselmengsels te kan gebruik.  Verskeie lande in ander wêrelddele het ook plaaslike produksie van biodiesel in die tydperk begin; die Oostenrykse Biobrandstofinstituut het 21 lande geïdentifiseer met kommersiële biodieselprojekte. 100% Biodiesel is ook nou by baie gewone vulstasies regoor Europa beskikbaar.

In September 2005 het Minnesota die eerste deelstaat in die VSA geword met die vereiste dat alle dieselbrandstof in die staat ten minste 2% biodiesel moet bevat.

Tegniese standaarde 
Die algemene internasionale standaard vir biodiesel is EN 14214. Daar bestaan ook verdere nasionale spesifikasies. ASTM D 6751 is die mees algemene standaard waarna in die V.S.A en Kanada verwys word. Daar bestaan standaarde vir drie verskillende biodieselvariëteite na gelang van watter olies hulle uit vervaardig is.

 RME (raapsaad metielester, volgens DIN E 51606)
 PME (plantaardige metielester, vir suiwer plantaardige produkte, volgens DIN E 51606)
 FME (vet metielester, vir plantaardige en diereprodukte, volgens DIN V 51606)

Die standaarde verseker dat daar voldoen word aan die volgende belangrike faktore in die vervaardigingsproses:
 Volledige reaksie
 Verwydering van gliserien
 Verwydering van katalisator
 Verwydering van alkohol
 Afwesigheid van vetsure
 Lae swael-inhoud

Basiese toetse wat in die bedryf gedoen word om te bepaal of produkte aan die standaarde voldoen sluit tipies gas-chromatografie in, 'n toets wat slegs die belangrikste eienskappe hierbo bevestig. Meer volledige toetse is baie duurder. Brandstof wat aan die kwaliteitsvereistes voldoen het 'n baie lae giftigheid, met 'n giftigheidsaanslag van meer as (LD50) 50 mL/kg.

Gebruike 

Biodiesel kan in suiwer vorm (B100) gebruik word of kan vermeng word met petroleumdiesel teen enige konsentrasie in die meeste moderne dieselenjins. Biodiesel sal natuurlike rubberpakstukke en -buise in voertuie aanval. Die materiaal word egter selde in moderne motors gebruik. Die onvolledige verwydering van metanol wat as katalisator van die transesterifikasie proses gebruik word is waarskynlik verantwoordelik vir die aanval op die rubber.

Biodiesel se hoër smeringsindeks vergeleke met petroleumdiesel is 'n voordeel en kan bydrae tot verlengde lewensduur van die brandstofinspuiters. Biodiesel is 'n beter oplosmiddel as petrodiesel en daar is gevalle aangeteken waar dit neerslae in brandstoflyne afbreek in enjins wat voorheen met petroleumdiesel gewerk het. Die gevolg is dat brandstoffilters en inspuiters verstop kan raak met partikels as 'n oorskakeling gedoen word. Daar word dus gewoonlik aanbeveel dat die brandstoffilters geruil word binne sowat 1000–1300 km na die omskakeling.

Suiwer onversnitte biodiesel kan in enige dieselvoertuig se tenk gebruik word. In die winter word spesiale lae-temperatuur biodiesel gewoonlik verkoop om vloeibaarheidsprobleme te voorkom. Biodiesel word deur miljoene motoreienaars in Europa gebruik (veral in Duitsland).

Besoedeling met water 
Biodiesel kan klein, maar problematiese hoeveelhede water bevat. Alhoewel dit hidrofobies is, kan dit 'n mate van water uit die atmosfeer absorbeer. Verder kan daar ook oortollige water vanuit die verwerking daarin oorbly of water vanaf kondensasie in stoortenke kan ook kontaminasie veroorsaak. Water veroorsaak die volgende probleme:

 Water verminder die verbrandingswarmte van die brandstof. Dit het meer rook, moeiliker aanskakeling en 'n laer kraglewering tot gevolg.
 Water veroorsaak korrosie van belangrike brandstofstelselkomponente: brandstofpompe, inspuiterpompe, brandstoftoevoerlyne ensovoorts.
 Water vries en vorm yskristalle naby 0 °C. Hierdie kristalle verskaf punte waar nukleasie plaas kan vind en versnel gelvorming van die brandstofreste.
 Water versnel die groei van mikrobe-kolonies, wat 'n brandstofstelsel kan verstop. Biodieselgebruikers met verhitte brandstoftenke kan dus regdeur die jaar probleme met mikrobe ondervind.

Verhittingsdoeleindes 
Biodiesel kan ook gebruik word as verhittingsbrandstof in huishoudelike en kommersiële ketels. Tegniese navorsing is al in die Verenigde Koninkryk gedoen. Andrew Robertson het tydens die Biodiesel Expo in 2006 in die VK sy werk ten toon gestel en aangedui dat B20 biodiesel die VK se huishoudelike CO2 emissies met 1,5 miljoen ton per jaar kan verminder en sou slegs sowat 330 000 hektaar vrugbare grond vereis om die vereiste biodiesel vir die VK se verhittingsbrandstofsektor te vervaardig. Sy navorsing het ook aangedui dat bestaande ketels maklik en goedkoop omgeskakel kan word om biodiesel te gebruik as die B20 mengsel gebruik sou word.

Verhittingsolie met 'n bymenging van tussen 5 en 20 persent biodiesel word in Duitsland sedert 2008 bemark, en die kogenerasie-aanleg van die Duitse bondskanselier se kantoor in Berlyn (Bundeskanzleramt) maak reeds gebruik van hierdie biobrandstof.

Beskikbaarheid en prys 
Wêreldwye biodieselvervaardiging het in 2005 3,8 miljoen ton beloop. Ongeveer 85% biodieselvervaardiging het in die Europese Unie plaasgevind. Kleinhandelpryse in die V.S.A., wat federale en ander staatsbelastings insluit, is ongeveer 12 Amerikaanse sent laer as petroleumdiesel en die prys van B20 is ongeveer dieselfde as dié van petroleumdiesel daar.

Vervaardiging 

Veresterde biodiesel bestaan uit 'n mengsel van mono-alkielesters van lang ketting vetsure. Die algemeenste vorm gebruik metanol om metielesters aangesien dit die goedkoopste beskikbare alkohol is. Etanol kan egter ook gebruik word om etielester biodiesel te vervaardig en hoër alkohole soos isopropanol en butanol is ook al gebruik.  Die gebruik van alkohole met hoër molekulêre massas verbeter die koue vloei-eienskappe van die resulterende ester ten koste van 'n minder doeltreffende transesterifikasie reaksie.  'n Lipied-transesterifikasieproses word gebruik om die basisolie na die verlangde esters om te skakel.

Enige vrye vetsure in die basisolie word óf na seep omgeskakel en in die proses verwyder, óf hulle word verester (en lewer biodiesel) met behulp van 'n suurkatalisator.  Na hierdie verwerking het biodiesel (anders as gewone plantolie) verbrandingseienskappe wat baie ooreenstem met dié van petroleumdiesel.

'n Byproduk van die veresteringsproses is die vervaardiging van gliserol.  Vir elke 1 ton biodiesel wat vervaardig word, word 100 kg gliserol vervaardig. Oorspronklik was daar 'n waardevolle afsetmark vir gliserol wat die ekonomie van die proses bevorder het.  Met die toename in wêreldwye biodieselvervaardiging, het die markprys vir ru-gliserol (wat 20% water en katalisatorreste bevat) skerp gedaal.  Navorsing word gedoen op die gebruik van gliserol as 'n chemiese bousteen. Een só 'n poging is die Verenigde Koninkryk se gliserol-uitdaging.

Gewoonlik moet hierdie ru-gliserol verder gesuiwer word, tipies deur vakuumdistillasie.  Dit is 'n baie energie-intensiewe proses.  Die gesuiwerde gliserol (98%+) kan dan direk gebruik word of omgeskakel word na ander produkte.  Verskeie projekte is in die verband aangekondig:
 Ashland Inc. en Cargill het 'n gesamentlike projek aangekondig om propileenglikol in Europa te vervaardig vanuit gliserol;
 Dow Chemical het soortgelyke planne aangekondig vir Noord-Amerika.  Dow beplan ook 'n aanleg in China wat epichloorhidrien vanuit gliserol sal vervaardig.  Epichloorhidrien is 'n grondstof vir die vervaardiging van epoksieharse.

Biodiesel voermateriale 
'n Verskeidenheid olies kan gebruik word om biodiesel te vervaardig. Dit sluit in onder andere:
 plantaardige olies; raapsaad en sojaboonolies word die meeste gebruik, sojaboonolie alleen maak ongeveer negentig persent van alle brandstofvoermateriale uit; dit kan ook verkry word van die plante Thlaspi arvense en Jatropha.  Ander landbougewasse soos mosterd, vlas, sonneblom, canola, palmolie, hennep en selfs alge toon ook belofte.
 gebruikte kookolie;
 dierevet en die byprodukte van die vervaardiging van omega-3 vesture vanuit visolie; en
 rioolafval. 'n Maatskappy in Nieu-Seeland het 'n suksesvolle stelsel ontwikkel wat rioolafval gebruik as 'n substraat vir alge en die daaropvolgende vervaardiging van biodiesel.

Wêreldwye vervaardiging van plantolie en dierevet is nie voldoende om vloeibare fossielbrandstowwe te vervang nie. Omgewingsbewuste groepe maak ook beswaar teen die grootskaalse boerderybedrywighede en die gevolglike oorgebruik van kunsmis en plaagdoders, asook die omskakeling van grond wat benodig gaan word om meer plantolies te vervaardig.

Baie mense stel voor dat gebruikte plantolies die beste bron van biodiesel sal wees. Die beskikbare hoeveelhede is egter drasties minder as die hoeveelheid petroleumbrandstowwe wat verbrand word vir vervoer en huishoudelike verhitting in die wêreld. Neem kennis dat een liter afvalolie nie gelykstaande is aan een liter biodiesel nie.

Die plante wat biodiesel kan lewer gebruik fotosintese om sonenergie na chemiese energie om te skakel. Die gestoorde chemiese energie word vrygestel wanneer die brandstof verbrand word en daarom kan plante 'n hernubare bron van biodieselproduksie wees. Die meeste koolstofdioksied wat vrygestel word se oorsprong is hoofsaaklik die gas wat deur die plant uit die atmosfeer geabsorbeer is, dus behoort die vervaardiging van kweekhuisgasse baie klein te wees. Skeptici beweer egter dat daar baie fossielbrandstowwe gebruik word in die vervaardiging van misstowwe en ander insette wat die prentjie minder rooskleurig laat lyk.

Voermateriale se opbrengs per hektaar het 'n invloed op die lewensvatbaarheid van so 'n voermateriaal om betekenisvolle hoeveelhede brandstof te lewer.  Die voermateriaal met die hoogste voer opbrengs vir biodiesel is alge, wat soveel as 250 keer die hoeveelheid olie per hektaar as sojabone kan lewer.

Opbrengste van algemene gewasse 

 * Die werklike biomassa alge-opbrengs vanaf veldtoetse wat tydens die NREL se akwatiese spesies-program uitgevoer is, omgeskakel na die werklike olie-inhoud van die algespesies wat gekweek is tydens die spesifieke toetse
 **Geprojekteerde alge-opbrengs gebaseer op volhoubare gemiddelde biomassa opbrengste uit die NREL se akwatiese spesies-program en 'n aanvaarde olie-inhoud van 60%.  Werklike olie-inhoud was baie minder gewees.
 Triadica sebifera, of Sapium sebiferum, staan ook in Engels as "Chinese tallow", "Popcorn Tree" of "Florida Aspen" bekend.

 Tipiese olie-onttrekking vanuit 100 kg oliesaad

Die energie-inhoud van biodiesel is ongeveer 90% minder as dié van petroleumdiesel.

Ekonomiese lewensvatbaarheid 
'n Studie deur drs. Dyne en Raymer van die "Tennessee Valley Authority" toon dat die gemiddelde Amerikaanse plaas ongeveer 82 liter per hektaar verbruik om 'n gewas te verbou. Die gemiddelde raapsaadoes se gemiddelde olielewering is egter rondom 029 ℓ/ha en hoë-opbrengs saad kan soveel as 1 356 ℓ/ha lewer. Die inset/uitsetverhouding in hierdie gevalle is ongeveer 1:12.5 en 1:16.5.  Die fotosinteseproses lê ongeveer 3-6% van die totale stralingsenergie vas. en as die totale massa van die oes gebruik kan word vir energieproduksie sal die oorhoofse doeltreffendheid van hierdie ketting ongeveer 1% wees. Dit vergelyk nie gunstig met sonselle wat met 'n elektriese aandrywer gekoppel is nie, maar dit ding egter wel mee met sonselle ten opsigte van koste en die gemak waarmee dit uitgerol kan word, aangesien sonselle steeds ongeveer VS$1000 per vierkante meter kos. Hierdie statistieke is egter nie voldoende om aan te dui of so 'n verandering ekonomies sin sal maak nie.  Verdere faktore moet ook in ag geneem word, soos die brandstofekwivalent van die energie wat vereis word om dit te verwerk, die opbrengs van brandstof vanuit ru-olie, die opbrengs wat verkry kan word uit voedselverbouing, die impak wat biodiesel op kospryse sal hê en die relatiewe koste van biodiesel teenoor petroleumdiesel. 'n Gesamentlike studie deur die Verenigde State se departemente van energie en landbou het baie van die verskillende kostes betrokke by die vervaardiging van biodiesel nagegaan en gevind dat dit 'n opbrengs van 3,2 eenhede brandstof lewer vir elke eenheid fossielbrandstof wat verbruik word.

Daar word na hierdie mate verwys as die "netto energiewins". 'n Vergelyking van petroleumdiesel, petrol en bio-etanol wat gebruik maak van die syfers deur die Verenigde State se departement van landbou kan op die Minnesota departement van landbou se webwerf verkry word.

Die debat oor die energiebalans van biodiesel woed egter steeds voort. Die volledige oorgang na biobrandstowwe sal groot stukke grond verg indien tradisionele gewasse verbou word. Lande met baie groot ekonomieë sal veral groot probleme ervaar, aangesien energieverbruik eweredig is aan ekonomiese uitset.

As slegs tradisionele voedingsgewasse benut word sal die meeste lande nie voldoende verboubare grond hê om biobrandstowwe vir hulle voertuie te vervaardig nie. Lande met kleiner ekonomieë (en daarom 'n kleiner energieverbruik) en meer verboubare grond mag hulself dalk in 'n gunstiger situasie bevind, al sou baie streke dit nie kan bekostig om grond van voedselverbouing na brandstofproduksie om te skakel nie.  Vir derdewêreldlande, sal biodieselbronne wat marginale grond benut meer sin maak.

Ongebruikte woestynland (wat baie sonstraling ontvang) kan gebruik word om alge te verbou en kan alge plaasafval en oortollige CO2 vanaf fabrieke benut om die groei van die alge te versnel.

In tropiese gebiede soos Maleisië en Indonesië word oliepalms baie vinnig aangeplant om tred te hou met die groeiende aanvraag na biodiesel in Europa en ander markte.  Daar word beraam dat palmolie-diesel in Duitsland slegs sowat 'n derde van raapsaad-diesel kos.

Termiese depolimerisasie 
Termiese depolarisasie is 'n belangrike nuwe proses vir die afbreek van komplekse organiese materiale na ligter rou olie. Hierdie materiale kan nie-oliegebaseerde afvalprodukte insluit, soos byvoorbeeld ou bande, hout en plastiek. Die proses maak die natuurlike geologiese prosesse na wat, soos vermoed word, betrokke was by die vorming van fossielbrandstowwe. Onder die werking van druk en hitte word langkettingpolimere van waterstof, suurstof en koolstof ontbind na korter ketting petroleumkoolwaterstowwe.

Sien ook 
 Hernubare energie

Verwysings

Bronnelys 
 An Overview of Biodiesel and Petroleum Diesel Lifecycles, Sheehan et al., NREL, Mei 1998. 
 Business Management for Biodiesel Producers, Von Gerpen, Jon. Iowa State University under contract with the National Renewable Energy Laboratory (NREL), Januarie 2004 
 Energy balances in the growth of oilseed rape for biodiesel and of wheat for bioethanol  Richards I.R., Junie 2000.
 Life Cycle Inventory of Biodiesel and Petroleum Diesel for Use in an Urban Bus, Sheehan et al. NREL, 1998. 
 Algae – like a breath mint for smokestacks, Mark Clayton, Christian Science Monitor, 11 Januarie 2006.
 Tyson K.S.,  McCormick R.L., "2006 Biodiesel Handling and Use Guide Third Edition", 
 Biodiesel's Bright Future uit die Julie-Augustus uitgawe van The Futurist tydskrif.

Eksterne skakels 

 www.theglycerolchallenge.org – Die Gliserol-uitdaging

Energie