Biodiesel: En ny måde at forvandle planter til brændstof

Øko-drømmere har længe håbet på en måde at køre rundt på uden at bidrage til den globale opvarmning, men det langsomme fremskridt inden for alternative brændstofteknologier har holdt denne vision fra at blive til virkelighed. Nu, en lovende ny proces, designet af forskere ved University of Wisconsin og skitseret i et papir, der dukkede op i tidsskriftet Videnskab den 2. juni, kunne være et væsentligt skridt i retning af at gøre den drøm til virkelighed.

Papiret beskriver en ny måde at producere biodiesel på, som er lavet af plantemateriale. Traditionel biodieselraffinering bruger kun fedtsyrerne fra en plante, som typisk udgør mindre end 10 procent af massen af ​​tørrede planter. I stedet for kun at omdanne fedtet, lover denne nye metode at omdanne alt det tørrede plantemateriale, inklusive rødder, stængler, blade og frugt, til biodiesel eller varmeenergi.

Ethanol, det mest populære og kommercielle biobrændstof, har længe været raffineret ud af plantemateriale, men det kræver det kostbare, energikrævende trin at destillere hvert molekyle vand ud af opløsningen. I modsætning hertil er den nye biodieselproces baseret på vandfasereaktioner, som ikke behøver at gå gennem den dyre destillationsfase.

Det største fremskridt, vi har at tilbyde, er manglen på den destillationsproces, siger George Huber, en af ​​avisens forfattere og en kandidatstuderende ved University of Wisconsin, som snart skal undervise på University of Massachusetts i Amherst. Det betyder, at vores proces er eksoterm. Det kræver med andre ord ikke meget ekstra energi. Og det er vigtigt, fordi den største omkostning i den nuværende biobrændstofraffineringsproces er energi.

Den nye metode er opdelt i fire dele. Først føres en strøm af forarbejdet biomasse bestående af vand og sukker over en nikkel-tin-katalysator for at fjerne nogle af dens brintatomer. Derefter behandles åen med syrer, der tager det meste af vandet ud. Den resulterende goo transporteres derefter over en fast basekatalysator, som danner den til lange kulstofkæder, kaldet alkaner. Til sidst køres disse alkaner gennem en platin-silica-aluminiumoxid-katalysator ved høje temperaturer, mens brinten fra det første trin føres ind i reaktoren. Den resulterende væske har næsten nøjagtig samme kemiske struktur som traditionelt raffineret biodiesel og brænder på samme måde i dieselmotorer. Og de eneste biprodukter er vand og varme.

Hvis processen kan skaleres op til industrielt niveau, kan det være et stort skridt i retning af skabelsen af ​​et transportbrændstof, der er relativt rent brændende, ikke bidrager til global opvarmning og giver amerikanske landmænd milliarder af dollars i ny indkomst.

Ifølge Bill Jones, bestyrelsesformand for Pacific Ethanol, en førende biobrændstofvirksomhed, ser olieindustrien i øjeblikket på den nye biobrændstofindustri med frygt snarere end accept.

Men til sidst kommer de rundt, siger han. De vil forstå, at dette ikke kun er konkurrence, det er et helt nyt marked for dem at komme ind på.

Han påpeger, at den brasilianske olieindustri også modsatte sig regeringens forsøg på at fremme biobrændstoffer, men den er nu en stor tilhænger - mere end halvdelen af ​​Brasiliens olieimport er blevet erstattet med biobrændstoffer (se Teknologigennemgang april forsidehistorie om verdensforandrende ideer).

Andre behøver dog ikke at blive overbevist. Charles Wyman, en fremtrædende professor ved Dartmouth College i Hanover NH, hvis speciale er den biologiske omdannelse af celluloseholdig biomasse til ethanol og andre produkter, siger, at denne nye metode kan give biodiesel en kæmpe chance for at få succes på det kommercielle marked ved at give producenterne mulighed for at fremstille enten ethanol eller biodiesel.

Når du først nedbryder alt sukker i plantematerialet, var den eneste mulighed, vi havde før, at lave ethanol, siger Wyman. Dette giver flere muligheder.

I fremtiden vil et enkelt produktionscenter, efter at have raffineret biomassen til sukker, kunne fremstille biodiesel eller ethanol, afhængigt af markedets efterspørgsel. Wyman påpeger dog også, at den økonomiske kamp ikke nødvendigvis er vundet.

I sidste ende er det prisen på tankstationen, hvor disse teknologier vinder eller taber, ikke i laboratoriet, siger han.

For at sikre, at både biodiesel og ethanol bliver mere konkurrencedygtige på markedet, siger Wyman, at der er behov for et vigtigt gennembrud for at fremstille dieselbrændstof eller andre produkter såsom ethanol konkurrencedygtigt ud fra sukkerarter. Ifølge ham kunne fremskridt på dette område slå engrospriserne på benzin.

Og nogle mener, at gennembruddet er i horisonten. Fremskridt i de sidste to år inden for enzymteknologi fra National Renewable Energy Laboratories og private virksomheder som Iogen og Novozymes har reduceret omkostningerne ved celluloseomdannelse betydeligt, hvilket er fristende tæt på at gøre hele systemet økonomisk konkurrencedygtigt med billig gas.

Den nye proces, der udvikles af James Dumesic, professor i kemisk og biologisk ingeniørvidenskab ved University of Wisconsin, og Huber vil bidrage til at reducere disse omkostninger ved at begrænse mængden af ​​affald, da enhver form for plantemateriale kan tilføres deres system. I modsætning til nuværende ethanolraffinaderier, som kun kan arbejde med materialer med højt glukoseindhold såsom majs, bruger biodieselbrændstof, der genereres af denne proces, cellulose, rødder og stilke fra enhver plante.

Det betyder, at affaldsbiomassen fra Amerikas enorme landbrugsindustri - alt fra majskomfur (plantens stængler og blade) til jordnøddeskaller og nedfaldne blade - kan bruges. En nylig undersøgelse fra det amerikanske landbrugsministerium (se Notebook) anslog, at der produceres mere end 1,3 milliarder tons sådant affald hvert år. Hvis det hele blev omdannet til biodiesel, ville det give nok brændstof til at erstatte en tredjedel af den olie, der forbruges i USA. Ydermere vil en omdannelse af i øjeblikket ubrugt landbrugsjord til græsarealer, der skal høstes til produktion af biodiesel, let stå for de andre to tredjedele af oliebehovet.

Det betyder selvfølgelig, at en anden modtager af en sådan transformation ville være familielandmænd, ifølge Pacific Ethanol's Jones. Ethanolraffinaderier ejet af kooperativer af landmænd leverer allerede størstedelen af ​​USA's ethanolproduktion, og biodieselraffinaderier kunne modelleres efter det samme program.

At finpudse denne nye proces er dog kun det første skridt i den meget lange proces med at omdanne landet til en biodieselnation. For at det kunne ske, skulle hele den amerikanske erhvervsbilflåde selvfølgelig skifte fra forbrændingsmotorer til dieselmotorer; men flytningen kan være attraktiv, da de nye motorer ville forårsage mindre forurening (biodieselkøretøjer ville producere langt færre forurenende stoffer som svovl og nitrogenoxider.)

En sådan havændring i den amerikanske transportinfrastruktur vil ikke ske hurtigt. Mere sandsynligt vil produktionen af ​​biodiesel starte langsomt og derefter stige til industriel skala, hvis den er konkurrencedygtig med diesel og benzin.

Alligevel mener Huber, at hans team har taget et stort skridt i retning af at udnytte en af ​​verdens mest udbredte, men alligevel mindst udnyttede energiressourcer.

Hvis det her bliver en succes, siger han, kan jeg sige, at jeg har været med til at omsætte vores biomasseressourcer til at brænde vores transportsystem.

skjule