Biopaliwa drugiej generacji
Biopaliwa drugiej generacji , zwane również biopaliwami zaawansowanymi , to paliwa, które można wytwarzać z różnych rodzajów biomasy niespożywczej . Biomasa w tym kontekście oznacza materiały roślinne i odchody zwierzęce wykorzystywane zwłaszcza jako źródło paliwa.
Biopaliwa pierwszej generacji są wytwarzane z surowców skrobiowo-cukrowych (np. trzcina cukrowa i kukurydza ) oraz olejów jadalnych (np. olej rzepakowy i sojowy ), które na ogół są przetwarzane odpowiednio na bioetanol i biodiesel .
Biopaliwa drugiej generacji są wytwarzane z różnych surowców i dlatego mogą wymagać innej technologii, aby wydobyć z nich użyteczną energię. Surowce drugiej generacji obejmują biomasę lignocelulozową lub rośliny drzewiaste, pozostałości rolne lub odpady, a także specjalne niespożywcze rośliny energetyczne uprawiane na gruntach marginalnych, nienadających się do produkcji żywności.
Termin biopaliwa drugiej generacji jest używany luźno do opisania zarówno „zaawansowanej” technologii wykorzystywanej do przetwarzania surowców na biopaliwa, jak i wykorzystania upraw niespożywczych, biomasy i odpadów jako surowców w „standardowych” technologiach przetwarzania biopaliw, jeśli jest to odpowiednie. Powoduje to spore zamieszanie. Dlatego ważne jest rozróżnienie między surowcami drugiej generacji a technologiami przetwarzania biopaliw drugiej generacji.
Rozwój biopaliw drugiej generacji stał się bodźcem od czasu dylematu „żywność vs. paliwo” dotyczącego ryzyka przekierowania gruntów rolnych lub upraw pod produkcję biopaliw ze szkodą dla zaopatrzenia w żywność . Debata na temat cen biopaliw i żywności obejmuje szerokie spektrum poglądów i od dawna jest przedmiotem kontrowersji w literaturze.
Wstęp
Technologie biopaliw drugiej generacji zostały opracowane w celu umożliwienia wykorzystania surowców biopaliw niespożywczych ze względu na obawy dotyczące bezpieczeństwa żywnościowego spowodowane wykorzystaniem upraw spożywczych do produkcji biopaliw pierwszej generacji . Przekierowanie jadalnej biomasy spożywczej do produkcji biopaliw mogłoby teoretycznie skutkować konkurencją z żywnością i użytkowaniem gruntów pod uprawy spożywcze.
Bioetanol pierwszej generacji jest wytwarzany poprzez fermentację cukrów pochodzenia roślinnego do etanolu , przy użyciu procesu podobnego do tego stosowanego w produkcji piwa i wina (patrz Fermentacja etanolem ). Wymaga to wykorzystania roślin spożywczych i pastewnych, takich jak trzcina cukrowa , kukurydza , pszenica i burak cukrowy . Istnieje obawa, że jeśli te rośliny spożywcze zostaną wykorzystane do produkcji biopaliw, ceny żywności mogą wzrosnąć, aw niektórych krajach mogą wystąpić niedobory. Kukurydza, pszenica i buraki cukrowe mogą również wymagać dużych rolniczych w postaci nawozów , które ograniczają możliwe do osiągnięcia redukcje gazów cieplarnianych . Biodiesel wyprodukowany w drodze transestryfikacji z oleju rzepakowego , palmowego lub innych olejów roślinnych jest również uważany za biopaliwo pierwszej generacji.
Celem procesów biopaliw drugiej generacji jest zwiększenie ilości biopaliw, które można wyprodukować w sposób zrównoważony przy użyciu biomasy składającej się z resztek niespożywczych części obecnych upraw, takich jak łodygi , liście i łuski , które pozostają po uprawach spożywczych. został wydobyty, a także inne uprawy, które nie są wykorzystywane do celów spożywczych ( rośliny niespożywcze ), takie jak proso rózgowe , trawa , jatrofa , kukurydza całych upraw , miskant i zbóż, które dają mało ziarna, a także odpady przemysłowe, takie jak zrębki , skórki i miąższ z tłoczenia owoców itp.
Problemem, z którym borykają się procesy biopaliw drugiej generacji, jest wydobycie użytecznych surowców z biomasy drzewnej lub włóknistej, która składa się głównie ze ścian komórkowych roślin . We wszystkich roślinach naczyniowych przydatne cukry ściany komórkowej są związane w węglowodany złożone ( polimery cząsteczek cukru) hemicelulozy i celulozy, ale są niedostępne do bezpośredniego wykorzystania przez ligninę z polimeru fenolowego . Etanol lignocelulozowy jest wytwarzany przez ekstrakcję cząsteczek cukru z węglowodanów za pomocą enzymów , ogrzewanie parowe lub inne wstępne zabiegi. Cukry te można następnie poddać fermentacji w celu wytworzenia etanolu w taki sam sposób, jak w przypadku produkcji bioetanolu pierwszej generacji . Produktem ubocznym tego procesu jest lignina. Lignina może być spalana jako neutralna pod względem emisji dwutlenku węgla paliwa do produkcji ciepła i energii dla zakładu przetwórczego i ewentualnie dla okolicznych domów i firm. Procesy termochemiczne (skraplanie) w ośrodkach hydrotermalnych mogą wytwarzać płynne produkty oleiste z szerokiej gamy surowców, które mogą potencjalnie zastąpić lub wzbogacić paliwa. Jednak te płynne produkty nie spełniają norm dotyczących oleju napędowego lub biodiesla. Uszlachetnianie produktów upłynniania za pomocą jednego lub wielu procesów fizycznych lub chemicznych może poprawić właściwości do wykorzystania jako paliwo.
Technologia drugiej generacji
W poniższych podsekcjach opisano główne trasy drugiej generacji, które są obecnie opracowywane.
Drogi termochemiczne
Materiały na bazie węgla można nagrzewać w wysokich temperaturach przy braku (piroliza) lub w obecności tlenu, powietrza i/lub pary wodnej (zgazowanie).
Te procesy termochemiczne dają mieszaninę gazów, w tym wodór, tlenek węgla, dwutlenek węgla, metan i inne węglowodory oraz wodę. Piroliza wytwarza również stały karbonizat. Gaz można poddać fermentacji lub syntezie chemicznej w celu uzyskania szeregu paliw, w tym etanolu, syntetycznego oleju napędowego, syntetycznej benzyny lub paliwa do silników odrzutowych.
Istnieją również procesy w niższych temperaturach w zakresie 150–374 ° C, które wytwarzają cukry poprzez rozkład biomasy w wodzie z dodatkami lub bez.
Gazyfikacja
Technologie zgazowania są dobrze ugruntowane w przypadku konwencjonalnych surowców, takich jak węgiel i ropa naftowa. Technologie zgazowania drugiej generacji obejmują zgazowanie pozostałości leśnych i rolniczych, odpadów drzewnych, upraw energetycznych i ługu czarnego . Produktem wyjściowym jest zwykle gaz syntezowy do dalszej syntezy, np. Produkty Fischera-Tropscha , w tym olej napędowy, biometanol , BioDME ( eter dimetylowy ), benzyna poprzez katalityczną konwersję eteru dimetylowego lub biometan ( syntetyczny gaz ziemny ). Gaz syntezowy może być również wykorzystywany do produkcji ciepła oraz do wytwarzania energii mechanicznej i elektrycznej za pośrednictwem silników gazowych lub turbin gazowych .
Piroliza
Piroliza jest dobrze znaną techniką rozkładu materiału organicznego w podwyższonej temperaturze bez dostępu tlenu . W zastosowaniach biopaliw drugiej generacji pozostałości leśne i rolne, odpady drzewne i rośliny energetyczne mogą być wykorzystywane jako surowiec do produkcji np. biooleju do zastosowań w postaci oleju opałowego. Bio-olej zwykle wymaga znacznej dodatkowej obróbki, aby stał się odpowiednim surowcem rafineryjnym zastępującym ropę naftową.
toryfikacja
Toryfikacja jest formą pirolizy w temperaturach zwykle w zakresie 200–320 ° C. Surowce i produkcja są takie same jak w przypadku pirolizy .
Skraplanie hydrotermalne
Upłynnianie hydrotermalne to proces podobny do pirolizy, w którym można przetwarzać mokre materiały. Proces ten zwykle przebiega w umiarkowanych temperaturach do 400 ° C i pod ciśnieniem wyższym niż atmosferyczne. Zdolność do obsługi szerokiej gamy materiałów sprawia, że skraplanie hydrotermalne jest opłacalne w produkcji paliw i surowców chemicznych.
Drogi biochemiczne
Procesy chemiczne i biologiczne, które są obecnie wykorzystywane w innych zastosowaniach, są dostosowywane do biopaliw drugiej generacji. Procesy biochemiczne zazwyczaj wykorzystują obróbkę wstępną w celu przyspieszenia procesu hydrolizy, który oddziela ligninę, hemicelulozę i celulozę. Po rozdzieleniu tych składników frakcje celulozowe można poddać fermentacji do alkoholi.
Surowcami są rośliny energetyczne, pozostałości rolne i leśne, przemysł spożywczy oraz bioodpady komunalne i inna biomasa zawierająca cukry . Produkty obejmują alkohole (takie jak etanol i butanol ) oraz inne węglowodory do użytku w transporcie.
Rodzaje biopaliw
Opracowywane są następujące biopaliwa drugiej generacji, chociaż większość lub wszystkie z tych biopaliw są syntetyzowane z produktów pośrednich, takich jak gaz syntezowy, przy użyciu metod, które są identyczne w procesach obejmujących surowce konwencjonalne, biopaliwa pierwszej i drugiej generacji. Cechą wyróżniającą jest technologia związana z wytwarzaniem produktu pośredniego, a nie ostatecznego odbioru.
Proces wytwarzania paliw płynnych z gazu (zwykle gazu syntezowego) nazywany jest procesem gaz-ciecz (GtL). Gdy źródłem produkcji gazu jest biomasa, proces ten nazywany jest również zamianą biomasy w ciecz (BTL).
Z gazu syntezowego przy użyciu katalizy
- Biometanol można stosować w silnikach napędzanych metanolem lub mieszać z benzyną do 10-20% bez żadnych zmian w infrastrukturze.
- BioDME może być wytwarzany z biometanolu przy użyciu odwodnienia katalitycznego lub bezpośrednio z gazu syntezowego przy użyciu bezpośredniej syntezy DME. DME może być stosowany w silnikach o zapłonie samoczynnym .
- Benzynę pochodzenia biologicznego można wytwarzać z DME w reakcji katalitycznej kondensacji pod wysokim ciśnieniem . Benzyna pochodzenia biologicznego jest chemicznie nie do odróżnienia od benzyny pochodzenia ropopochodnego i dlatego można ją mieszać z pulą benzyny.
- Biowodór może być wykorzystywany w ogniwach paliwowych do produkcji energii elektrycznej.
- Alkohole mieszane (tj. mieszanina głównie etanolu , propanolu i butanolu z pewną ilością pentanolu , heksanolu , heptanolu i oktanolu ). Alkohole mieszane są produkowane z gazu syntezowego z kilkoma klasami katalizatorów. Niektórzy stosowali katalizatory podobne do tych używanych do metanolu. Katalizatory z siarczku molibdenu zostały odkryte w Dow Chemical i poświęcono im znaczną uwagę. Wykazano, że dodanie siarczku kobaltu do preparatu katalizatora poprawia wydajność. Katalizatory na bazie siarczku molibdenu zostały dobrze zbadane, ale nie znalazły jeszcze szerokiego zastosowania. Katalizatory te były przedmiotem wysiłków Programu Biomasy Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych w Platformie Termochemicznej. Wykazano również, że katalizatory z metali szlachetnych wytwarzają mieszane alkohole. Większość prac badawczo-rozwojowych w tej dziedzinie koncentruje się na produkcji głównie etanolu. Jednak niektóre paliwa są sprzedawane jako alkohole mieszane (zob Ecalene i E4 Envirolene) Mieszane alkohole są lepsze od czystego metanolu lub etanolu, ponieważ wyższe alkohole mają wyższą zawartość energii. Ponadto podczas mieszania wyższe alkohole zwiększają kompatybilność benzyny i etanolu, co zwiększa tolerancję wody i zmniejsza emisję oparów. Ponadto wyższe alkohole mają również niższe ciepło parowania niż etanol, co jest ważne przy zimnym rozruchu. (Aby zapoznać się z inną metodą produkcji mieszanych alkoholi z biomasy, patrz biokonwersja biomasy na mieszane paliwa alkoholowe )
- Biometan (lub Bio-SNG ) poprzez reakcję Sabatiera
Z gazu syntezowego przy użyciu Fischera-Tropscha
Fischera -Tropscha (FT) jest procesem przemiany gazu w ciecz (GtL). Gdy źródłem produkcji gazu jest biomasa, proces ten nazywany jest również zamianą biomasy w ciecz (BTL). Wadą tego procesu jest duża inwestycja energetyczna w syntezę FT, w związku z czym proces ten nie jest jeszcze ekonomiczny.
- Olej napędowy FT można mieszać z olejem napędowym z paliw kopalnych w dowolnym procencie bez konieczności zmiany infrastruktury, a ponadto można produkować naftę syntetyczną
Biokataliza
- Biowodór można uzyskać za pomocą niektórych organizmów, które bezpośrednio wytwarzają wodór w określonych warunkach. Biowodór może być wykorzystywany w ogniwach paliwowych do produkcji energii elektrycznej.
- Butanol i izobutanol poprzez rekombinowane szlaki wyrażane w gospodarzach, takich jak E. coli i drożdże , butanol i izobutanol mogą być znaczącymi produktami fermentacji z wykorzystaniem glukozy jako źródła węgla i energii.
- DMF (2,5-dimetylofuran). Ostatnie postępy w produkcji DMF z fruktozy i glukozy przy użyciu katalitycznego procesu przekształcania biomasy w ciecz zwiększyły jego atrakcyjność.
Inne procesy
- HTU (Hydro Thermal Upgrading) jest produkowany z mokrej biomasy. Można go mieszać z kopalnym olejem napędowym w dowolnym procencie bez potrzeby infrastruktury.
- Diesel na drewno . Nowe biopaliwo zostało opracowane przez University of Georgia z wiórów drzewnych . Olej jest ekstrahowany, a następnie dodawany do niezmodyfikowanych silników Diesla. Nowe rośliny są używane lub sadzone w celu zastąpienia starych roślin. Produkt uboczny węgla drzewnego jest ponownie wprowadzany do gleby jako nawóz. Według dyrektora Toma Adamsa, ponieważ węgiel jest ponownie wprowadzany do gleby, to biopaliwo może w rzeczywistości być ujemne pod względem emisji dwutlenku węgla , a nie tylko neutralne pod względem emisji dwutlenku węgla. Ujemny węgiel zmniejsza ilość dwutlenku węgla w powietrzu, odwracając efekt cieplarniany, a nie tylko go zmniejszając. [ potrzebne źródło ]
Surowce drugiej generacji
Aby zakwalifikować się jako surowiec drugiej generacji, źródło nie może nadawać się do spożycia przez ludzi. Surowce do biopaliw drugiej generacji obejmują specjalnie uprawiane niejadalne rośliny energetyczne, uprawiane oleje niejadalne, odpady rolnicze i komunalne, oleje odpadowe i algi. Niemniej jednak zboża i rośliny cukrowe są również wykorzystywane jako surowce do technologii przetwórczych drugiej generacji. Przy ocenie przydatności wykorzystania biomasy jako surowca energetycznego należy wziąć pod uwagę użytkowanie gruntów, istniejący przemysł biomasy i odpowiednie technologie konwersji.
Uprawy energetyczne
Rośliny zbudowane są z ligniny , hemicelulozy i celulozy ; technologia drugiej generacji wykorzystuje jeden, dwa lub wszystkie z tych komponentów. Typowe lignocelulozowe rośliny energetyczne obejmują pszeniczną , Arundo donax , Miscanthus spp., topolę zagajnikową o krótkiej rotacji i wierzbę . Jednak każda oferuje inne możliwości i żadnej uprawy nie można uznać za „najlepszą” lub „najgorszą”.
Stałe odpady komunalne
Stałe odpady komunalne obejmują bardzo szeroką gamę materiałów, a całkowita ilość powstających odpadów wzrasta. W Wielkiej Brytanii inicjatywy w zakresie recyklingu zmniejszają odsetek odpadów kierowanych bezpośrednio do utylizacji, a poziom recyklingu rośnie z każdym rokiem. Istnieją jednak znaczne możliwości przekształcenia tych odpadów w paliwo poprzez zgazowanie lub pirolizę.
Zielone odpady
Odpady zielone, takie jak pozostałości leśne, odpady ogrodowe lub parkowe , mogą być wykorzystywane do produkcji biopaliw różnymi drogami. Przykłady obejmują biogaz wychwycony z biodegradowalnych odpadów zielonych oraz gazyfikację lub hydrolizę do gazu syntezowego w celu dalszego przetwarzania na biopaliwa w procesach katalitycznych .
Czarny likier
Ług czarny, zużyty ług kuchenny z procesu siarczanowego , który zawiera skoncentrowaną ligninę i hemicelulozę , może być zgazowany z bardzo wysoką wydajnością konwersji i potencjałem redukcji gazów cieplarnianych w celu wytworzenia gazu syntezowego do dalszej syntezy np. do biometanolu lub BioDME .
Wydajność surowego oleju talowego z procesu mieści się w przedziale 30 – 50 kg/tonę pulpy.
Emisja gazów cieplarnianych
Biopaliwa lignocelulozowe zmniejszają emisję gazów cieplarnianych o 60–90% w porównaniu z ropą naftową (Börjesson.P. et al. 2013. Dagens och framtidens hållbara biodrivmedel), co jest porównywalne z lepszymi z obecnych biopaliw pierwszej generacji, gdzie typowe najlepsze wartości to obecnie 60–80%. W 2010 r. średnie oszczędności biopaliw stosowanych w UE wyniosły 60% (Hamelinck.C. et al. 2013 Renewable energy progress and biofuels balance, Report for the European Commission). W 2013 r. 70% biopaliw stosowanych w Szwecji zmniejszyło emisje o 66% lub więcej. (Energimyndigheten 2014. Hållbara biodrivmedel och flytande biobränslen 2013).
Rozwój handlowy
Działająca fabryka etanolu lignocelulozowego znajduje się w Kanadzie i jest prowadzona przez Iogen Corporation . Zakład na skalę demonstracyjną produkuje rocznie około 700 000 litrów bioetanolu. W budowie jest zakład handlowy. W Ameryce Północnej i na całym świecie zaproponowano wiele dalszych fabryk etanolu lignocelulozowego.
Szwedzka fabryka celulozy Domsjö Fabriker w Örnsköldsvik w Szwecji rozwija biorafinerię wykorzystującą technologię gazyfikacji ługu czarnego firmy Chemrec . Oddana do użytku w 2015 r. biorafineria będzie produkować 140 tys. ton biometanolu lub 100 tys. ton BioDME rocznie, zastępując 2% szwedzkiego importu oleju napędowego do celów transportowych. W maju 2012 roku ujawniono, że Domsjö wycofał się z projektu, skutecznie zabijając wysiłek.
W Wielkiej Brytanii firmy takie jak INEOS Bio i British Airways rozwijają zaawansowane rafinerie biopaliw, które mają powstać odpowiednio do 2013 i 2014 roku. Prognozy NNFCC sugerują , że w sprzyjających warunkach ekonomicznych i znacznej poprawie wsparcia politycznego zaawansowane biopaliwa mogą do 2020 r. zaspokoić do 4,3% paliwa transportowego w Wielkiej Brytanii i zaoszczędzić 3,2 mln ton CO2 rocznie , co odpowiada wyeliminowaniu prawie miliona samochodów droga.
Helsinki, Finlandia, 1 lutego 2012 r. – Firma UPM zainwestuje w biorafinerię produkującą biopaliwa z surowego oleju talowego w Lappeenranta w Finlandii. Inwestycja na skalę przemysłową jest pierwszą tego typu na świecie. Biorafineria będzie produkować rocznie około 100 000 ton zaawansowanego biodiesla drugiej generacji na potrzeby transportu. Budowa biorafinerii rozpocznie się latem 2012 r. w młynie UPM Kaukas i zakończy się w 2014 r. Łączna wartość inwestycji UPM wyniesie około 150 mln EUR.
Calgary, Alberta, 30 kwietnia 2012 r. – Firma Iogen Energy Corporation uzgodniła ze swoimi współwłaścicielami Royal Dutch Shell i Iogen Corporation nowy plan dotyczący zmiany strategii i działań. Shell nadal bada wiele ścieżek, aby znaleźć komercyjne rozwiązanie do produkcji zaawansowanych biopaliw na skalę przemysłową, ale firma NIE będzie kontynuować projektu, który jest w trakcie opracowywania, polegającego na budowie zakładu produkcji etanolu celulozowego na większą skalę w południowej Manitobie.
W Indiach indyjskie firmy naftowe zgodziły się na budowę siedmiu rafinerii drugiej generacji w całym kraju. Firmy, które będą uczestniczyć w budowie biopaliw 2G to Indian Oil Corporation (IOCL), HPCL i BPCL. W maju 2018 r. rząd Indii przedstawił politykę dotyczącą biopaliw, w ramach której na utworzenie biorafinerii 2G przeznaczono kwotę 5000 INR. Indyjskie firmy zajmujące się sprzedażą ropy były w trakcie budowy 12 rafinerii z nakładami inwestycyjnymi w wysokości 10 000 INR.
Zobacz też
- Paliwo z alg
- Komercjalizacja etanolu celulozowego
- Jedzenie kontra paliwo
- Bioenergia IEA
- Jatrofa
- Standard paliwa odnawialnego