Biodiesel: een nieuwe manier om planten in brandstof te veranderen

Ecodromers hebben lang gehoopt op een manier om rond te rijden zonder bij te dragen aan de opwarming van de aarde, maar het trage tempo van de vooruitgang op het gebied van alternatieve brandstoftechnologieën heeft ervoor gezorgd dat die visie niet werkelijkheid is geworden. Nu, een veelbelovend nieuw proces, ontworpen door onderzoekers van de Universiteit van Wisconsin en uiteengezet in een paper dat in het tijdschrift verscheen Wetenschap op 2 juni, zou een belangrijke stap kunnen zijn om die droom werkelijkheid te laten worden.

Het document beschrijft een nieuwe manier om biodiesel te produceren, die is gemaakt van plantaardig materiaal. Bij de traditionele raffinage van biodiesel worden alleen de vetzuren van een plant gebruikt, die doorgaans minder dan 10 procent van de massa gedroogde planten uitmaken. In plaats van alleen het vet om te zetten, belooft deze nieuwe methode al het gedroogde plantmateriaal, inclusief wortels, stengels, bladeren en fruit, om te zetten in biodiesel of warmte-energie.

Ethanol, de meest populaire en commerciële biobrandstof, is al lang geraffineerd uit plantaardig materiaal, maar het vereist de kostbare, energie-intensieve stap om elk molecuul water uit de oplossing te distilleren. Het nieuwe biodieselproces is daarentegen gebaseerd op reacties in de waterige fase, die niet door de dure destillatiefase hoeven te gaan.

De grootste vooruitgang die we te bieden hebben, is het ontbreken van dat distillatieproces, zegt George Huber, een van de auteurs van de paper en een afgestudeerde student aan de Universiteit van Wisconsin die binnenkort les zal geven aan de Universiteit van Massachusetts in Amherst. Dat betekent dat ons proces exotherm is. Met andere woorden, het heeft niet veel extra energie nodig. En dat is belangrijk, want de grootste kostenpost in het huidige raffinageproces van biobrandstoffen is energie.

De nieuwe methode is opgedeeld in vier delen. Eerst wordt een stroom bewerkte biomassa bestaande uit water en suikers over een nikkel-tinkatalysator gevoerd om een ​​deel van zijn waterstofatomen te verwijderen. Vervolgens wordt de stroom behandeld met zuren die het meeste water afvoeren. De resulterende goo wordt vervolgens getransporteerd over een vaste basiskatalysator, die het vormt in lange koolstofketens, alkanen genaamd. Tenslotte worden die alkanen bij hoge temperaturen door een platina-silica-alumina katalysator geleid, terwijl de waterstof uit de eerste stap in de reactor wordt geleid. De resulterende vloeistof heeft bijna exact dezelfde chemische structuur als traditioneel geraffineerde biodiesel en verbrandt op dezelfde manier in dieselmotoren. En de enige bijproducten zijn water en warmte.

Als het proces kan worden opgeschaald naar industriële niveaus, kan het een grote stap zijn in de richting van het creëren van een transportbrandstof die relatief schoon verbrandt, niet bijdraagt ​​aan de opwarming van de aarde en Amerikaanse boeren miljarden dollars aan nieuw inkomen verschaft.

Volgens Bill Jones, voorzitter van de raad van bestuur van Pacific Ethanol, een toonaangevend biobrandstofbedrijf, beschouwt de olie-industrie de opkomende biobrandstofindustrie momenteel eerder met angst dan met acceptatie.

Maar uiteindelijk komen ze er wel, zegt hij. Ze zullen begrijpen dat dit niet alleen concurrentie is, het is een geheel nieuwe markt voor hen om te betreden.

Hij wijst erop dat de Braziliaanse aardolie-industrie zich ook verzette tegen pogingen van de regering om biobrandstoffen te promoten, maar nu een groot voorstander is - meer dan de helft van de Braziliaanse olie-import is vervangen door biobrandstoffen (zie de Technologie beoordeling Coververhaal van april over wereldveranderende ideeën).

Anderen hoeven echter niet overtuigd te worden. Charles Wyman, een vooraanstaand professor aan het Dartmouth College in Hanover NH, wiens specialiteit de biologische omzetting van cellulosebiomassa in ethanol en andere producten is, zegt dat deze nieuwe methode biodiesel een strijdbare kans zou kunnen geven om te slagen op de commerciële markt door fabrikanten in staat te stellen om ofwel ethanol of biodiesel.

Als je alle suikers in het plantmateriaal eenmaal hebt afgebroken, was de enige optie die we voorheen hadden om ethanol te maken, zegt Wyman. Dit biedt meer mogelijkheden.

In de toekomst zou één enkel productiecentrum, na het raffineren van de biomassa tot suikers, biodiesel of ethanol kunnen maken, afhankelijk van de marktvraag. Wyman wijst er echter ook op dat de economische strijd niet per se gewonnen is.

Uiteindelijk is het de prijs bij het tankstation waar deze technologieën winnen of verliezen, niet in het laboratorium, zegt hij.

Om ervoor te zorgen dat zowel biodiesel als ethanol concurrerender worden op de markt, zegt Wyman dat er een belangrijke doorbraak nodig is om dieselbrandstof of andere producten zoals ethanol concurrerend te maken uit suikers. Volgens hem zouden vorderingen op dit gebied de groothandelsprijzen voor benzine kunnen verslaan.

En sommigen geloven dat die doorbraak in het verschiet ligt. Vooruitgang in de laatste twee jaar in enzymtechnologie door de National Renewable Energy Laboratories en particuliere bedrijven zoals Iogen en Novozymes hebben de kosten van cellulosetransformatie aanzienlijk verlaagd, wat verleidelijk dicht in de buurt komt van het economisch concurrerend maken van het hele systeem met goedkoop gas.

Het nieuwe proces dat wordt ontwikkeld door James Dumesic, hoogleraar chemische en biologische technologie aan de Universiteit van Wisconsin, en Huber zal helpen om die kosten te verlagen door de hoeveelheid afval te beperken, aangezien elk type plantaardig materiaal in hun systeem kan worden ingevoerd. In tegenstelling tot de huidige ethanolraffinaderijen, die alleen kunnen werken met materialen met een hoog glucosegehalte, zoals maïs, gebruikt de biodieselbrandstof die door dit proces wordt gegenereerd, de cellulose, wortels en stengels van elke plant.

Dat betekent dat de afvalbiomassa van Amerika's enorme landbouwindustrie - alles van maïskolven (de stengels en bladeren van de plant) tot pindaschillen en gevallen bladeren - kan worden gebruikt. Een recente studie van het Amerikaanse ministerie van landbouw (zie Notebook) schat dat er elk jaar meer dan 1,3 miljard ton van dergelijk afval wordt geproduceerd. Als het allemaal zou worden omgezet in biodiesel, zou het genoeg brandstof opleveren om een ​​derde van de aardolie die in de Verenigde Staten wordt verbruikt, te vervangen. Bovendien zou het omzetten van momenteel ongebruikte landbouwgrond in grasland dat kan worden geoogst voor de productie van biodiesel gemakkelijk de andere twee derde van de aardoliebehoefte dekken.

Dat betekent natuurlijk dat een andere begunstigde van een dergelijke transformatie familieboeren zouden zijn, volgens Jones van Pacific Ethanol. Ethanolraffinaderijen die eigendom zijn van coöperaties van boeren leveren al het grootste deel van de Amerikaanse ethanolproductie, en biodieselraffinaderijen zouden volgens hetzelfde programma kunnen worden gemodelleerd.

Het aanscherpen van dit nieuwe proces is echter slechts de eerste stap in het zeer lange proces om het land om te vormen tot een biodieselland. Om dat te laten gebeuren, zou natuurlijk het hele Amerikaanse commerciële wagenpark moeten overschakelen van interne verbrandingsmotoren naar dieselmotoren; maar de stap zou aantrekkelijk kunnen zijn, omdat de nieuwe motoren minder vervuiling zouden veroorzaken (biodieselvoertuigen zouden veel minder vervuilende stoffen zoals zwavel en stikstofoxiden produceren).

Een dergelijke ommekeer in de Amerikaanse transportinfrastructuur zal niet snel gebeuren. Het is waarschijnlijker dat de productie van biodiesel langzaam op gang zal komen en vervolgens op industriële schaal zal toenemen, als het concurrerend is met diesel en benzine.

Toch denkt Huber dat zijn team een ​​grote stap heeft gezet in de richting van het benutten van een van 's werelds meest voorkomende, maar minst gebruikte energiebronnen.

Als dit een succes is, zegt hij, kan ik zeggen dat ik heb geholpen om onze biomassabronnen om te zetten in ons transportsysteem.

zich verstoppen