تاريخ النشر الأصلي 2018-10-15 09:24:11.
الوقود الحيوي هو وقود يتم إنتاجه من خلال العمليات البيولوجية المعاصرة ، مثل الزراعة والهضم اللاهوائي ، بدلاً من الوقود الناتج عن العمليات الجيولوجية مثل تلك المشاركة في تكوين الوقود الأحفوري ، مثل الفحم والنفط ، من المادة البيولوجية عصور ما قبل التاريخ.
يمكن استخلاص الوقود الحيوي مباشرة من النباتات (مثل محاصيل الطاقة) ، أو بشكل غير مباشر من النفايات الزراعية والتجارية والمحلية و / أو الصناعية. يتضمن الوقود الحيوي المتجدد بشكل عام تثبيت الكربون المعاصر ، مثل تلك التي تحدث في النباتات أو الطحالب الدقيقة من خلال عملية التمثيل الضوئي. يتم تصنيع أنواع أخرى من الوقود الحيوي المتجدد من خلال استخدام الكتلة الحيوية أو تحويلها (في إشارة إلى الكائنات الحية الحديثة ، وغالباً ما تشير إلى النباتات أو المواد المشتقة من النباتات). يمكن تحويل هذه الكتلة الحيوية إلى مواد تحتوي على طاقة ملائمة بثلاث طرق مختلفة: التحويل الحراري ، والتحويل الكيميائي ، والتحويل البيوكيميائي. يمكن أن ينتج عن تحويل الكتلة الحيوية الوقود في شكل صلب أو سائل أو غاز. ويمكن استخدام هذه الكتلة الحيوية الجديدة أيضًا في الوقود الحيوي.
يعتبر الوقود الحيوي نظرياً محايدة للكربون لأن ثاني أكسيد الكربون الذي تمتصه النباتات يساوي ثاني أكسيد الكربون الذي يتم إطلاقه عند حرق الوقود. ومع ذلك ، من الناحية العملية ، يعتمد ما إذا كان الوقود الحيوي محايدة الكربون أم لا يعتمد بشكل كبير على ما إذا كانت الأرض التي تستخدم لزراعة الوقود الحيوي (مع الوقود الأحيائي من الجيل الأول والثاني) بحاجة إلى تنظيفها من الغطاء النباتي أم لا.
البيوإيثانول هو كحول مصنوع بالتخمير ، معظمه من الكربوهيدرات المنتجة في محاصيل السكر أو النشاء مثل الذرة أو قصب السكر أو الذرة الرفيعة الحلوة. كما يتم تطوير الكتلة الحيوية السليولوزية ، المشتقة من مصادر غير غذائية ، مثل الأشجار والأعشاب ، كمواد وسيطة لإنتاج الإيثانول. يمكن استخدام الإيثانول كوقود للمركبات في شكله النقي (E100) ، ولكنه عادة ما يستخدم كمضاف للبنزين لزيادة الأوكتان وتحسين انبعاثات المركبات. يستخدم البيوإيثانول على نطاق واسع في الولايات المتحدة والبرازيل. لا يوفر تصميم المصنع الحالي لتحويل جزء اللجنين من المواد الخام النباتية إلى مكونات الوقود عن طريق التخمير.
يمكن استخدام وقود الديزل الحيوي كوقود للمركبات في شكله النقي (B100) ، ولكنه عادة ما يستخدم كمضاف للديزل لتقليل مستويات الجسيمات ، وأول أكسيد الكربون ، والهيدروكربونات من المركبات التي تعمل بالديزل. يتم إنتاج وقود الديزل الحيوي من الزيوت أو الدهون باستخدام transestification وهو الوقود الحيوي الأكثر شيوعا في أوروبا.
في عام 2010 ، بلغ إنتاج الوقود الحيوي في العالم 105 مليار لتر (28 مليار غالون أمريكي) ، بزيادة 17٪ عن عام 2009 ، وقدم الوقود الحيوي 2.7٪ من الوقود العالمي للنقل البري. بلغ إنتاج وقود الإيثانول في العالم 86 مليار لتر (23 مليار جالون أمريكي) في عام 2010 ، حيث أصبحت الولايات المتحدة والبرازيل أكبر منتجين في العالم ، حيث استحوذتا على حوالي 90٪ من الإنتاج العالمي. أكبر منتج للديزل الحيوي في العالم هو الاتحاد الأوروبي ، وهو يمثل 53٪ من إجمالي إنتاج الديزل الحيوي في عام 2010. اعتبارا من عام 2011 ، توجد ولايات لمزج الوقود الحيوي في 31 دولة على المستوى الوطني وفي 29 ولاية أو مقاطعة. لدى الوكالة الدولية للطاقة هدف لإنتاج الوقود الحيوي لتلبية أكثر من ربع الطلب العالمي على وقود النقل بحلول عام 2050 لتقليل الاعتماد على البترول والفحم. أدى إنتاج الوقود الحيوي أيضًا إلى ازدهار صناعة السيارات ، حيث بحلول عام 2010 ، تم تصنيع 79٪ من جميع السيارات المنتجة في البرازيل باستخدام نظام وقود هجين من الإيثانول الحيوي والبنزين.
هناك العديد من القضايا الاجتماعية والاقتصادية والبيئية والتقنية المتعلقة بإنتاج واستخدام الوقود الحيوي ، والتي نوقشت في وسائل الإعلام الشعبية والمجلات العلمية.
أجيال
الجيل الأول من الوقود الحيوي
“الجيل الأول” أو الوقود الحيوي التقليدي هو الوقود الحيوي المصنوع من المحاصيل الغذائية التي تزرع في الأراضي الصالحة للزراعة. مع إنتاج جيل الوقود الحيوي ، تزرع المحاصيل الغذائية صراحة لإنتاج الوقود ، وليس أي شيء آخر. يتم تحويل السكر والنشا أو الزيوت النباتية التي تم الحصول عليها من المحاصيل إلى وقود الديزل الحيوي أو الإيثانول ، وذلك باستخدام الاستبدال ، أو تخمر الخميرة.
الجيل الثاني من الوقود الحيوي
الجيل الثاني من الوقود الحيوي عبارة عن أنواع وقود يتم تصنيعها من أنواع مختلفة من الكتلة الحيوية. الكتلة الحيوية هي مصطلح واسع النطاق يعني أي مصدر للكربون العضوي الذي يتم تجديده بسرعة كجزء من دورة الكربون. تستمد الكتلة الحيوية من المواد النباتية ، ولكن يمكن أن تشمل أيضا المواد الحيوانية.
وبينما يصنع الجيل الأول من الوقود الحيوي من السكريات والزيوت النباتية الموجودة في المحاصيل الصالحة للزراعة ، فإن الجيل الثاني من الوقود الحيوي يصنع من الكتلة الحيوية لليدوسليلولوس أو المحاصيل الخشبية أو المخلفات الزراعية أو المواد النباتية (من المحاصيل الغذائية التي حققت غرضها الغذائي بالفعل). المواد الخام المستخدمة لتوليد الوقود الحيوي من الجيل الثاني ، إما تنمو على الأراضي الصالحة للزراعة ، ولكنها فقط منتجات ثانوية من المحصول الفعلي (المحصول الرئيسي) أو تزرع في الأراضي التي لا يمكن استخدامها لزراعة المحاصيل الغذائية بفعالية وفي بعض الحالات لا توجد مياه إضافية أو يتم تطبيق الأسمدة عليها. تشتمل مصادر تغذية الجيل الثاني من الأغذية غير البشرية على الأعشاب والجاتروفا والمحاصيل الأخرى للبذور والزيوت النباتية والنفايات الصلبة البلدية وما إلى ذلك.
وهذا له مزايا وعيوب. وتتمثل الميزة في أنه ، على عكس المحاصيل الغذائية العادية ، لا تستخدم أي أرض صالحة للزراعة فقط لإنتاج الوقود. العيب هو أنه على عكس المحاصيل الغذائية العادية ، قد يكون من الصعب استخراج الوقود. على سبيل المثال ، قد تكون هناك حاجة لسلسلة من العلاجات الفيزيائية والكيميائية لتحويل الكتلة الحيوية لليغلوسلوسك إلى وقود سائل مناسب للنقل.
الجيل الثالث من الوقود الحيوي
من عام 1978 إلى عام 1996 ، جربت NREL الأمريكية استخدام الطحالب كمصدر للوقود الحيوي في “برنامج الأنواع المائية”. مقال منشور من قبل مايكل بريجز ، في مجموعة بيوفولز ، يقدم تقديرات عن الاستبدال الواقعي لكل وقود المركبات باستخدام الوقود الحيوي باستخدام الطحالب التي تحتوي على نسبة الزيت الطبيعي بنسبة أكبر من 50٪ ، والتي يمكن أن تزرع بريغز على أحواض الطحالب. في محطات معالجة مياه الصرف الصحي. ويمكن بعد ذلك استخراج هذه الطحالب الغنية بالنفط من النظام ومعالجتها في الوقود الحيوي ، مع إعادة معالجة البقايا المجففة لإنشاء الإيثانول. لم يتم بعد إنتاج الطحالب لحصاد الوقود للوقود الأحيائي على نطاق تجاري ، ولكن أجريت دراسات جدوى للوصول إلى تقديرات العائد أعلاه. بالإضافة إلى إنتاجها المرتفع ، فإن الزراعة العضوية – على عكس الوقود الحيوي القائم على المحاصيل – لا ينطوي على انخفاض في إنتاج الغذاء ، لأنه لا يتطلب أراضي زراعية ولا مياه عذبة. تسعى العديد من الشركات لمفاعلات حيوية للطحالب لأغراض مختلفة ، بما في ذلك زيادة إنتاج الوقود الحيوي إلى المستويات التجارية. البروفيسور رودريجو إي. تيكسيرا من جامعة ألاباما في هانتسفيل أظهر استخراج الدهون من الوقود الحيوي من الطحالب المبللة باستخدام رد فعل بسيط واقتصادي في السوائل الأيونية.
الجيل الرابع من الوقود الحيوي
وعلى غرار الجيل الثالث من الوقود الحيوي ، يتم إنتاج الجيل الرابع من الوقود الحيوي باستخدام الأراضي غير الصالحة للزراعة. ومع ذلك ، وعلى عكس الجيل الثالث من الوقود الحيوي ، فإنها لا تتطلب تدمير الكتلة الحيوية. وتشمل هذه الفئة من الوقود الحيوي الوقود الكهربائي والوقود الشمسي الضوئي البيولوجي. بعض من هذه الأنواع من الكربون غير محايدة. ويسمى تحويل النفط الخام من البذور النباتية إلى أنواع وقود مفيدة transestification.
أنواع
يمكن إنتاج أنواع الوقود التالية باستخدام إجراءات إنتاج الوقود الحيوي الأول أو الثاني أو الثالث أو الرابع. يمكن حتى إنتاج معظم هذه باستخدام اثنين أو ثلاثة من مختلف إجراءات توليد الوقود الحيوي.
الغاز الحيوي
الغاز الحيوي هو غاز الميثان الناتج عن عملية الهضم اللاهوائي للمواد العضوية بواسطة اللاهوائيات. يمكن إنتاجه إما من مواد النفايات القابلة للتحلل البيولوجي أو من خلال استخدام محاصيل الطاقة التي يتم إدخالها في أجهزة الهضم اللاهوائية لاستكمال إنتاجية الغاز. يمكن استخدام المادة الصلبة الصلبة ، والهضم ، كوقود حيوي أو سماد.
يمكن استعادة الغاز الحيوي من أنظمة معالجة النفايات البيولوجية الميكانيكية المعالجة. يتم إنتاج غاز المدفن ، وهو شكل أقل غبارة من الغاز الحيوي ، في مدافن النفايات من خلال الهضم اللاهوائي بشكل طبيعي. إذا هرب إلى الغلاف الجوي ، فمن المحتمل غازات الدفيئة.
يمكن للمزارعين إنتاج الغاز الحيوي من السماد من مواشيهم باستخدام أجهزة الهضم اللاهوائية.
الغاز المتزايد
يتم إنتاج سينجاس ، وهو خليط من أول أكسيد الكربون والهيدروجين والهيدروكربونات الأخرى ، بواسطة الاحتراق الجزئي للكتلة الحيوية ، أي الاحتراق بكمية من الأكسجين غير كافية لتحويل الكتلة الحيوية تمامًا إلى ثاني أكسيد الكربون والماء. قبل الاحتراق الجزئي ، يتم تجفيف الكتلة الحيوية ، وأحيانًا التحلل الحراري. خليط الغاز الناتج ، الغاز التخليقي ، هو أكثر كفاءة من الاحتراق المباشر للوقود الحيوي الأصلي. يتم استخراج المزيد من الطاقة الواردة في الوقود.
يمكن حرق Syngas مباشرة في محركات الاحتراق الداخلي ، التوربينات أو خلايا الوقود ذات درجة الحرارة العالية. يمكن توصيل مولد غاز الخشب ، وهو مفاعل تغويز يعمل بالخشب ، بمحرك احتراق داخلي.
يمكن استخدام Syngas لإنتاج ميثانول و DME وهيدروجين ، أو تحويلها عبر عملية Fischer-Tropsch لإنتاج بديل ديزل ، أو خليط من الكحولات التي يمكن مزجها في البنزين. يعتمد التغويز عادة على درجات حرارة أكبر من 700 درجة مئوية.
من المستصوب أن يكون التغويز بدرجة الحرارة المنخفضة مرغوبًا عند إنتاج الفحم النباتي ، ولكن ينتج عنه غازات سامة ملوثة بالقطران.
الإيثانول
يتم إنتاج الكحولات المنتجة بيولوجيًا ، والإيثانول الأكثر شيوعًا ، والأقل شيوعًا من البروبانول والبيوتانول ، من خلال عمل الكائنات الدقيقة والإنزيمات من خلال تخمر السكريات أو النشا (أسهل) ، أو السليلوز (وهو أكثر صعوبة). وكثيرا ما يزعم أن البيوبيوتانول (المعروف أيضا باسم الغاز الحيوي) يوفر بديلا مباشرا للبنزين ، لأنه يمكن استخدامه مباشرة في محرك البنزين.
وقود الإيثانول هو الوقود الحيوي الأكثر شيوعًا في جميع أنحاء العالم ، خاصةً في البرازيل. يتم إنتاج الوقود الكحولي عن طريق تخمير السكريات المشتقة من القمح والذرة والشمندر السكري وقصب السكر ودبس السكر وأي سكر أو نشا يمكن من خلاله صنع المشروبات الكحولية مثل الويسكي (مثل مخلفات البطاطس والفاكهة ، إلخ). طرق إنتاج الإيثانول المستخدمة هي هضم الإنزيم (لتحرير السكريات من النشويات المخزنة) ، تخمر السكريات ، التقطير والتجفيف. تتطلب عملية التقطير مدخلات طاقة كبيرة للحرارة (أحيانًا الوقود الأحفوري للغاز الطبيعي غير القابل للاستدامة ، ولكن الكتلة الحيوية السليلوزية مثل تفل قصب السكر ، النفاية المتبقية بعد ضغط قصب السكر لاستخراج العصير ، هي الوقود الأكثر شيوعًا في البرازيل ، في حين أن الكريات والرقائق الخشبية كما أن تبديد الحرارة أكثر شيوعًا في أوروبا) حيث يتم استهلاك الوقود البخاري في مصنع الإيثانول – حيث يتم استخدام الحرارة المهدرة من المصانع في شبكة التدفئة المركزية.
يمكن استخدام الإيثانول في محركات البنزين كبديل للبنزين. يمكن أن تكون مختلطة مع البنزين إلى أي نسبة. يمكن لمعظم محركات البنزين الموجودة في السيارات أن تعمل على مزيج من البيوإيثانول بنسبة 15٪ مع البترول / البنزين. يحتوي الإيثانول على كثافة طاقة أصغر من تلك الموجودة في البنزين. هذا يعني أنه يتطلب المزيد من الوقود (الحجم والكتلة) لإنتاج نفس مقدار العمل. ميزة من الإيثانول (CH
3CH
2OH) هو أنه يحتوي على نسبة أعلى من الأوكتان من البنزين الخالي من الإيثانول المتوفر في محطات الغاز على جانب الطريق ، مما يسمح بزيادة نسبة ضغط المحرك لزيادة الكفاءة الحرارية. في مواقع الارتفاعات العالية (الهواء الرقيق) ، تقوم بعض الولايات بتفويض مزيج من البنزين والإيثانول كمؤكسد للشتاء لتقليل انبعاثات التلوث الجوي.
يستخدم الإيثانول أيضًا لتدفئة مواقد البيوإيثانول. وحيث أنها لا تتطلب مدخنة وهي “غير صالحة للتلف” ، فإن حرائق البيوإيثانول مفيدة للغاية للمنازل والمباني التي بنيت حديثًا بدون مداخن. السلبيات لهذه المواقد هي أن ناتج حراريتها أقل قليلاً من الحرارة الكهربائية أو حرائق الغاز ، ويجب اتخاذ الاحتياطات لتجنب التسمم بغاز أول أكسيد الكربون.
وقد أدت الذرة إلى الإيثانول وغيرها من مخزونات المواد الغذائية إلى تطوير الإيثانول السليلوزية. ووفقًا لبرنامج مشترك للأبحاث أجري عبر وزارة الطاقة الأمريكية ، فإن نسب الطاقة الأحفورية (FER) للإيثانول السليلوزي ، والإيثانول بالذرة ، والبنزين هي 10.3 ، و 1.36 ، و 0.81 على التوالي.
يحتوي الإيثانول على ما يقارب ثلث محتوى الطاقة لكل وحدة من الحجم مقارنة بالبنزين. ويتعارض ذلك جزئياً مع زيادة الكفاءة عند استخدام الإيثانول (في اختبار طويل الأجل يزيد على 2.1 مليون كيلومتر ، وجد أفضل مشروع أن مركبات FFV أكثر كفاءة من حيث الطاقة من 1 إلى 26٪ من السيارات التي تعمل بالبنزين ، ولكن يزيد الاستهلاك الحجمي بنسبة ما يقرب من 30 ٪ ، لذلك مطلوب المزيد من محطات الوقود).
مع الدعم الحالي ، فإن وقود الإيثانول أرخص قليلاً من حيث المسافة في الولايات المتحدة.
غيرها من bioalcohols
ينتج الميثانول حاليًا من الغاز الطبيعي ، وهو وقود أحفوري غير متجدد. في المستقبل ، من المأمول أن يتم إنتاجه من الكتلة الحيوية مثل الميثانول الحيوي. هذا أمر ممكن من الناحية التقنية ، ولكن الإنتاج يتم تأجيله حاليًا بسبب مخاوف جاكوب س. جيبس وبرينسلي كولبيرد التي لا تزال الصلاحية الاقتصادية معلقة. يعتبر اقتصاد الميثانول بديلاً لاقتصاد الهيدروجين ، مقارنة بإنتاج الهيدروجين الحالي من الغاز الطبيعي.
بوتانول (سي
4H
9OH) يتشكل من التخمير ABE (الأسيتون ، البوتانول ، الإيثانول) وتعديلات عملية التجريبية أظهرت ارتفاعًا محتملًا في المكاسب الصافية للطاقة مع البوتانول كمنتج سائل وحيد. سوف ينتج البوتانول المزيد من الطاقة ويقال إنه يمكن حرقه “بشكل مستقيم” في محركات البنزين الموجودة (بدون تعديل المحرك أو السيارة) ، وهو أقل تآكلًا وأقل ذوبانًا في الماء من الإيثانول ، ويمكن توزيعه عبر البنى التحتية الحالية. تعمل DuPont و BP معا للمساعدة في تطوير البيوتانول. تم تصميم سلالات Escherichia coli بنجاح لإنتاج البوتانول عن طريق تعديل استقلاب الحمض الأميني. يظل أحد العوائق لإنتاج البوتانول في E. coli هو التكلفة العالية للوسائط الغنية بالمغذيات ، ومع ذلك ، أثبتت الأبحاث الحديثة أن بكتيريا E. coli يمكن أن تنتج البوتانول مع مكملات غذائية قليلة.
وقود الديزل الحيوي
وقود الديزل الحيوي هو الوقود الحيوي الأكثر شيوعا في أوروبا. يتم إنتاجه من الزيوت أو الدهون باستخدام عملية الاستبدال وهو سائل مماثل في تكوينه للديزل الأحفوري / المعدني. كيميائيا ، يتكون معظمها من استرات الميثيل الأحماض الدهنية (أو الإيثيل) (FAMEs). تشتمل المواد الأولية للديزل الحيوي على الدهون الحيوانية ، والزيوت النباتية ، وفول الصويا ، وبذور اللفت ، والجاتروفا ، والماوا ، والخردل ، والكتان ، وعباد الشمس ، وزيت النخيل ، والقنب ، ومربى الزهرة الحقلية ، وبونغاما بيناتا والطحالب. وقود الديزل الحيوي النقي (B100 ، المعروف أيضا باسم “وقود الديزل الحيوي” أنيق) يقلل حاليا من الانبعاثات بنسبة تصل إلى 60 ٪ مقارنة بالديزل الثاني B100.
يمكن استخدام الديزل الحيوي في أي محرك ديزل عند مزجه بالديزل المعدني. ويمكن أيضًا استخدامه في شكله النقي (B100) في محركات الديزل ، ولكن قد تحدث بعض مشكلات الصيانة والأداء عند الاستخدام في فصل الشتاء ، حيث يصبح الوقود أكثر لزوجة في درجات الحرارة المنخفضة ، اعتمادًا على المادة الأولية المستخدمة. في بعض البلدان ، تقوم الشركات المصنعة بتغطية محركات الديزل الخاصة بها تحت الضمان لاستخدام B100 ، على الرغم من أن شركة Volkswagen الألمانية ، على سبيل المثال ، تطلب من السائقين إجراء فحص عن طريق الهاتف مع قسم الخدمات البيئية لشركة VW قبل التحول إلى B100. في معظم الحالات ، يتطابق الديزل الحيوي مع محركات الديزل من عام 1994 فصاعداً ، والتي تستخدم المطاط الصناعي “Viton” (من قبل DuPont) في أنظمة حقن الوقود الميكانيكية الخاصة بها. ومع ذلك ، لاحظ أنه لا توجد مركبات معتمدة لاستخدام وقود الديزل الحيوي النقي قبل عام 2014 ، حيث لم يكن هناك بروتوكول للتحكم في الانبعاثات متاح للديزل الحيوي قبل هذا التاريخ.
يمكن لنظم “الحاقن المشترك” التي يتم التحكم فيها إلكترونياً و “أنظمة حاقن الوحدات” من أواخر التسعينات فصاعداً أن تستخدم فقط وقود الديزل الحيوي المخلوط بوقود الديزل التقليدي. لقد قامت هذه المحركات بالتحكم الدقيق في أنظمة الحقن متعددة المراحل وذات صغر حجم والتي تتسم بحساسية شديدة تجاه لزوجة الوقود. يتم تصنيع العديد من محركات الديزل من الجيل الحالي بحيث يمكن تشغيلها على B100 دون تغيير المحرك نفسه ، على الرغم من أن هذا يعتمد على تصميم السكك الحديدية. وبما أن الديزل الحيوي هو مذيب فعال وينظف المخلفات المودعة بالديزل المعدني ، فقد تكون هناك حاجة لاستبدال مرشحات المحرك في كثير من الأحيان ، لأن الوقود الحيوي يذيب الرواسب القديمة في خزان الوقود والأنابيب. كما ينظف بشكل فعال غرفة احتراق المحرك من رواسب الكربون ، مما يساعد على الحفاظ على الكفاءة. في العديد من الدول الأوروبية ، يستخدم مزيج وقود الديزل الحيوي 5 ٪ على نطاق واسع وتتوفر في الآلاف من محطات الوقود. وقود الديزل الحيوي هو أيضا وقود مؤكسد ، وهذا يعني أنه يحتوي على كمية مخفضة من الكربون ومحتوى هيدروجين وأوكسجين أعلى من الديزل الأحفوري. هذا يحسن احتراق وقود الديزل الحيوي ويقلل انبعاثات الجسيمات من الكربون المحروق. ومع ذلك ، فإن استخدام وقود الديزل الحيوي النقي قد يزيد من انبعاثات أكاسيد النيتروجين
كما أن وقود الديزل الحيوي آمن في المناولة والنقل لأنه غير سام وقابل للتحلل الحيوي ، وله نقطة وميض عالية تبلغ حوالي 300 درجة فهرنهايت (148 درجة مئوية) مقارنة بوقود الديزل النفطي ، الذي يحتوي على نقطة وميض تبلغ 125 درجة فهرنهايت (52) ° C).
في الولايات المتحدة ، يعمل أكثر من 80٪ من الشاحنات التجارية وحافلات المدن على الديزل. وتشير التقديرات إلى أن سوق البيوديزل الأمريكية الناشئة قد نمت بنسبة 200٪ في الفترة من 2004 إلى 2005. “بحلول نهاية عام 2006 ، كان إنتاج الديزل الحيوي يزيد أربعة أضعاف (من عام 2004) إلى أكثر من” مليار غلن أمريكي (3،800،000 م 3).
في فرنسا ، يتم دمج وقود الديزل الحيوي بمعدل 8 ٪ في الوقود الذي تستخدمه جميع سيارات الديزل الفرنسية. تنتج شركة Avril Group تحت علامة Diester التجارية ، وهي خمسمائة مليون طن من الديزل الحيوي المستهلك سنوياً من قبل الاتحاد الأوروبي. إنها الشركة الأوروبية الرائدة في إنتاج الديزل الحيوي.
الديزل الأخضر
ويتم إنتاج الديزل الأخضر من خلال المواد الأولية لتكسير الزيت البيولوجي ، مثل الزيوت النباتية والدهون الحيوانية. التكسير الهيدروجيني هو طريقة مصفاة تستخدم درجات حرارة مرتفعة وضغط في وجود محفز لتحطيم جزيئات أكبر ، كتلك الموجودة في الزيوت النباتية ، إلى سلاسل هيدروكربونية أقصر تستخدم في محركات الديزل. كما يمكن أن يطلق عليه ديزل متجدد ، أو زيت نباتي معالج بالهيدروجين أو ديزل متجدد بالهيدروجين. على عكس وقود الديزل الحيوي ، فإن الديزل الأخضر له نفس الخصائص الكيميائية تمامًا مثل الديزل القائم على البترول. ولا يتطلب ذلك محركات جديدة أو خطوط أنابيب أو بنية تحتية لتوزيعها واستخدامها ، ولكن لم يتم إنتاجها بتكلفة تنافسية للبترول. ويجري أيضا تطوير إصدارات البنزين. يجري تطوير الديزل الأخضر في لويزيانا وسنغافورة من قبل ConocoPhillips و Neste Oil و Valero و Dynamic Fuels و Honeywell UOP بالإضافة إلى Preem في غوتنبرغ بالسويد ، مما يخلق ما يعرف باسم Evolution Diesel.
زيت نباتي مستقيم
لا يستخدم زيت الخضروات الصالحة للأكل غير المعدل كوقود بشكل عام ، ولكن تم استخدام زيت أقل جودة لهذا الغرض. يتم معالجة الزيت النباتي المستخدم بشكل متزايد في وقود الديزل الحيوي ، أو (أكثر نادرًا) تنظيفه من الماء والجسيمات ثم استخدامه كوقود.
وكما هو الحال مع وقود الديزل الحيوي 100٪ (B100) ، لضمان أن تقوم حاقنات الوقود بترذيب الزيت النباتي في النموذج الصحيح للاحتراق الفعال ، يجب تسخين وقود الزيوت النباتية لتقليل لزوجته إلى اللزوجة ، إما بواسطة لفائف كهربائية أو مبادلات حرارية. هذا أسهل في المناخ الحار أو المعتدل. توفر شركة MAN B & W Diesel و Wärtsilä و Deutz AG ، بالإضافة إلى عدد من الشركات الأصغر ، مثل Elsbett ، محركات متوافقة مع الزيوت النباتية المباشرة ، دون الحاجة إلى تعديلات بعد السوق.
كما يمكن استخدام الزيوت النباتية في العديد من محركات الديزل القديمة التي لا تستخدم أنظمة الحقن بالديزل الإلكتروني بالحقن المشترك أو وحدة الحقن. نظرًا لتصميم غرف الاحتراق في محركات الحقن غير المباشرة ، فهي أفضل محركات للاستخدام مع الزيوت النباتية. يسمح هذا النظام لجزيئات النفط الأكبر نسبيًا بالحصول على مزيد من الوقت للحرق. بعض المحركات الأقدم ، خاصة مرسيدس ، يتم تجريبها بشكل تجريبي من قبل المتحمسين دون أي تحويل ، وحقق عدد قليل من السائقين نجاحًا محدودًا مع محركات Pumpe Duse السابقة VW TDI وغيرها من المحركات المماثلة ذات الحقن المباشر. قامت العديد من الشركات ، مثل Elsbett أو Wolf ، بتطوير مجموعات تحويل مهنية ونجحت في تركيب مئات منها على مدى العقود الماضية.
يمكن هدرجة الزيوت والدهون لإعطاء بديلا ديزل. المنتج الناتج عبارة عن هيدروكربون مستقيمة السلسلة تحتوي على عدد كبير من السيتان وانخفاض في المواد العطرية والكبريت ولا تحتوي على الأكسجين. يمكن مزج الزيوت المهدرجة مع الديزل بجميع النسب. لديهم العديد من المزايا على وقود الديزل الحيوي ، بما في ذلك الأداء الجيد في درجات حرارة منخفضة ، لا مشاكل الاستقرار التخزين وعدم التعرض للهجوم الجرثومي.
Bioethers
تعتبر Bioethers (التي يشار إليها أيضًا باسم إثيرات الوقود أو الوقود المؤكسد) مركبات فعالة من حيث التكلفة تعمل كمعززات لتقييم الأوكتان. “يتم إنتاج Bioethers عن طريق تفاعل الأكسجين المتفاعل ، مثل iso-butylene ، مع البيوإيثانول.” يتم إنشاء bioethers بواسطة القمح أو بنجر السكر. كما أنها تعزز أداء المحرك ، بينما تقلل بشكل ملحوظ من تآكل المحرك وانبعاثات العادم السامة. على الرغم من أنه من المرجح أن تحل البيوأثيرات محل البتروكيماويات في المملكة المتحدة ، فمن المستبعد أن تصبح وقودًا في حد ذاته نظرًا لكثافة الطاقة المنخفضة. الحد بشكل كبير من كمية انبعاثات الأوزون على مستوى الأرض ، فإنها تسهم في نوعية الهواء.
عندما يتعلق الأمر بوقود النقل ، هناك ستة إضافات إيثرية: ثنائي ميثيل إيثر (DME) ، إيثر ثنائي إيثيل (DEE) ، ميثيل تيرياري – بيوتيل إيثر (MTBE) ، إيثيل إيثر بيوتيل إيثر (ETBE) ، تيرميل أيثيل ميثيل (TAME) و ter-amyl ethyl ether (TAEE).
ويعتمد الاتحاد الأوروبي لأوكسجين الوقود (EFOA) الميثيل Ttertiary-butyl ether (MTBE) وإيثيل ثلاثي بوتيل الإيثر (ETBE) باعتباره أكثر الإيثرات استخدامًا في الوقود لاستبدال الرصاص. تم إدخال الأثيرات في أوروبا في السبعينيات ليحل محل المركب شديد السمية. على الرغم من أن الأوروبيين لا يزالون يستخدمون إضافات الأثير الحيوي ، لم تعد الولايات المتحدة بحاجة إلى أكسجين ، لذلك لم تعد الإثيرات البيولوجية تستخدم كمضاف رئيسي للوقود.
وقود الكتلة الحيوية الصلبة
وتشمل الأمثلة الخشب ، ونشارة الخشب ، وزركشة العشب ، والنفايات المنزلية ، والفحم النباتي ، والنفايات الزراعية ، ومحاصيل الطاقة غير الغذائية ، والسماد المجفف.
عندما تكون الكتلة الحيوية الصلبة بالفعل في شكل مناسب (مثل الحطب) ، يمكن أن تحترق مباشرة في موقد أو فرن لتوفير الحرارة أو زيادة البخار. عندما تكون الكتلة الحيوية الصلبة في شكل غير مريح (مثل نشارة الخشب ، ورقائق الخشب ، والعشب ، وخشب النفايات الحضرية ، والمخلفات الزراعية) ، فإن العملية النموذجية هي لتكثيف الكتلة الحيوية. وتشمل هذه العملية طحن الكتلة الحيوية الخام إلى حجم جسيمات مناسب (يعرف باسم hogfuel) ، والتي يمكن ، حسب نوع التكثيف ، أن تكون من 1 إلى 3 سنتيمترات (0.4 إلى 1.2 بوصة) ، والتي تتركز بعد ذلك في منتج للوقود. العمليات الحالية تنتج كريات الخشب ، مكعبات ، أو كرات الصولجان. عملية بيليه هي الأكثر شيوعا في أوروبا ، وعادة ما يكون منتج الخشب النقي. أما الأنواع الأخرى من التكثيف فهي أكبر حجماً مقارنةً بكتلة ، وهي متوافقة مع نطاق واسع من المواد الأولية المدخلة. ومن الأسهل نقل الوقود المتكثف الناتج وإدخاله في أنظمة توليد الحرارة ، مثل الغلايات.
تم استخدام نشارة الخشب واللحاء والرقائق منذ عقود من أجل الوقود في العمليات الصناعية. وتشمل الأمثلة صناعة اللب والورق وصناعة قصب السكر. المراجل في نطاق 500،000 lb / hr من البخار ، وأكبر ، هي في عملية روتينية ، وذلك باستخدام صر ، فحم رش الفاسد ، وحرق التعليق واحتراق سرير السوائل. تولد المرافق الطاقة ، عادة في حدود 5 إلى 50 ميجاوات ، باستخدام الوقود المتوفر محليًا. كما قامت صناعات أخرى بتركيب النفايات الخشبية التي تغذي المراجل والمجففات في المناطق ذات الوقود المنخفض التكلفة.
ومن مزايا وقود الكتلة الحيوية الصلبة أنه غالباً ما يكون ناتجا ثانويا أو بقايا أو نفايات لعمليات أخرى ، مثل الزراعة وتربية الحيوانات والحراجة. من الناحية النظرية ، يعني هذا أن إنتاج الوقود والغذاء لا يتنافسان على الموارد ، رغم أن هذا ليس هو الحال دائمًا.
تتمثل مشكلة احتراق وقود الكتلة الحيوية الصلبة في أنها تصدر كميات كبيرة من الملوثات ، مثل الجسيمات والهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات. حتى المراجل بيليه الحديثة تولد المزيد من الملوثات أكثر من الغلايات النفطية أو الغاز الطبيعي. وعادة ما تكون الكريات المصنوعة من المخلفات الزراعية أسوأ من الكريات الخشبية ، وتنتج انبعاثات أكبر من الديوكسينات والكلوروفينول.
الوقود المشتق هو الفحم الحيوي ، والذي يتم إنتاجه عن طريق التحلل الحراري للكتلة الحيوية (biomass pyrolylyis). الفحم النباتي من المخلفات الزراعية يمكن أن يحل محل الفحم الحجري. عندما يصبح مخزون الخشب نادرًا ، فإن هذا البديل يكتسب المزيد من القوة. في شرق جمهورية الكونغو الديمقراطية ، على سبيل المثال ، يجري تسويق قوالب الكتلة الحيوية كبديل للفحم لحماية محمية فيرونغا الوطنية من إزالة الغابات المرتبطة بإنتاج الفحم النباتي.
البحث الحالي
الأبحاث جارية للعثور على المزيد من محاصيل الوقود الحيوي المناسبة وتحسين عوائد النفط من هذه المحاصيل. باستخدام المحاصيل الحالية ، ستكون هناك حاجة إلى كميات هائلة من الأراضي والمياه العذبة لإنتاج ما يكفي من النفط لاستبدال الوقود الأحفوري بالكامل. سوف يتطلب الأمر مضاعفة مساحة الأراضي الأمريكية المخصصة لإنتاج فول الصويا ، أو ثلثيها المخصص لإنتاج بذور اللفت ، لتلبية احتياجات الولايات المتحدة الحالية من التدفئة والنقل.
يمكن أن تنتج أصناف الخردل المرباة بشكل خاص إنتاجية عالية بشكل معقول ومفيدة للغاية في تناوب المحاصيل مع الحبوب ، ولها فائدة إضافية تتمثل في أن الوجبة المتبقية بعد ضغط الزيت يمكن أن تكون بمثابة مبيد آفات فعال وقابل للتحلل الحيوي.
تعمل شركة NFESC ، مع شركة Biodiesel Industries في سانتا باربرا ، على تطوير تقنيات الوقود الحيوي للبحرية الأمريكية والعسكرية ، وهي واحدة من أكبر مستخدمي وقود الديزل في العالم. أعلنت مجموعة من المطورين الإسبان العاملين في شركة تدعى “إيكوفاسا” عن إنتاج وقود حيوي جديد من القمامة. يتم إنشاء الوقود من النفايات الحضرية العامة التي تعالجها البكتيريا لإنتاج الأحماض الدهنية ، والتي يمكن استخدامها لصنع الوقود الحيوي. قبل إغلاقها ، كان جول أنليميتد يحاول إنتاج الإيثانول والبيوديزل الرخيص من بكتيريا التمثيل الضوئي المحورة جينيا.
الإيثانول الوقود الحيوي (الإيثانول الحيوي)
كمصدر أساسي للوقود الحيوي في أمريكا الشمالية ، تقوم العديد من المنظمات بإجراء أبحاث في مجال إنتاج الإيثانول. يعد المركز القومي لبحوث الذرة إلى الإيثانول (NCERC) أحد الأقسام البحثية في جامعة جنوب إلينوي Edwardsville المخصصة فقط لمشاريع أبحاث الوقود الحيوي القائمة على الإيثانول. على المستوى الفيدرالي ، تجري وزارة الزراعة الأمريكية كمية كبيرة من الأبحاث حول إنتاج الإيثانول في الولايات المتحدة. يستهدف جزء كبير من هذا البحث تأثير إنتاج الإيثانول على أسواق الأغذية المحلية. كما قام قسم من وزارة الطاقة الأمريكية ، وهو المختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL) ، بإجراء العديد من مشاريع أبحاث الإيثانول ، خاصة في مجال الإيثانول السليلوزي.
إن تسويق الإيثانول السليولوزي هو عملية بناء صناعة من طرق تحويل المواد العضوية المحتوية على السليلوز إلى وقود. وتقوم شركات مثل Iogen و POET و Abengoa ببناء المصافي التي يمكنها معالجة الكتلة الحيوية وتحويلها إلى ثنائي إيثانول. الشركات ، مثل Diversa ، Novozymes ، و Dyadic ، تنتج الإنزيمات التي يمكن أن تمكِّن مستقبل الإيثانول السليلوزي. إن التحول من مخزون المحاصيل الغذائية إلى نفايات المخلفات والأعشاب المحلية يوفر فرصاً كبيرة لمجموعة من اللاعبين ، من المزارعين إلى شركات التكنولوجيا الحيوية ، ومن مطوري المشاريع إلى المستثمرين.
اعتبارا من عام 2013 ، بدأت أولى المصانع ذات النطاق التجاري لإنتاج الوقود الحيوي السليلوزي في العمل. يتم استخدام مسارات متعددة لتحويل مختلف المواد الأولية للوقود الحيوي. في السنوات القليلة المقبلة ، ستصبح بيانات تكلفة هذه التقنيات التي تعمل على المستوى التجاري وأداءها النسبي متاحة. الدروس المستفادة سوف تخفض تكاليف العمليات الصناعية المعنية.
في أجزاء من آسيا وأفريقيا حيث تسود الأراضي الجافة ، يجري التحقيق في الذرة الرفيعة الحلوة كمصدر محتمل للغذاء والأعلاف والوقود مجتمعين. يعتبر هذا المحصول مناسبًا بشكل خاص للنمو في الظروف القاحلة ، حيث إنه يستخرج سُبع الماء فقط المستخدم في قصب السكر. في الهند ، وأماكن أخرى ، تستخدم سيقان الذرة الرفيعة لإنتاج الوقود الحيوي عن طريق عصر العصير ثم تخمير الإيثانول.
وجدت دراسة قام بها باحثون في المعهد الدولي لبحوث المحاصيل في المناطق المدارية شبه القاحلة (ICRISAT) أن زراعة الذرة الرفيعة الحلوة بدلاً من الذرة الرفيعة للحبوب يمكن أن تزيد دخل المزارعين بمقدار 40 دولارًا لكل هكتار لكل محصول لأنه يمكن أن يوفر الوقود بالإضافة إلى الطعام والحيوان تغذية. مع زراعة الذرة الرفيعة حالياً على أكثر من 11 مليون هكتار في آسيا و 23.4 مليون هكتار في أفريقيا ، فإن التحول إلى الذرة الحلوة يمكن أن يكون له تأثير اقتصادي كبير.
الجاتروفا
تقوم العديد من المجموعات في مختلف القطاعات بإجراء أبحاث على جاتروفا كركاس ، وهي شجرة شبيهة بالشجيرات ، تنتج البذور التي يعتبرها الكثيرون مصدرًا صالحًا للوقود الحيوي. يركز جزء كبير من هذا البحث على تحسين إجمالي إنتاجية فدان من الجاتروفا من خلال التقدم في علم الوراثة وعلم التربة والممارسات البستانية.
استخدمت شركة SG Biofuels ، وهي مطورة جاتروفا في سان دييغو ، التكاثر الجزيئي والتقنية الحيوية لإنتاج بذور الهجين النخبة التي تظهر تحسينات كبيرة في المحصول على أنواع الجيل الأول. كما تزعم شركة SG للوقود الحيوي فوائد إضافية ناشئة عن مثل هذه السلالات ، بما في ذلك تحسين التزامن المزهر ، ومقاومة أعلى للآفات والأمراض ، وزيادة تحمل الطقس البارد.
تحتفظ Plant Research International ، وهي قسم من جامعة Wageningen ومركز الأبحاث في هولندا ، بمشروع تقييم جاتروفا المستمر الذي يدرس جدوى زراعة الجاتروفا على نطاق واسع من خلال التجارب الميدانية والمخبرية. مركز الزراعة المستدامة للطاقة (CfSEF) هو منظمة أبحاث غير ربحية مقرها في لوس أنجلوس مخصصة لأبحاث الجاتروفا في مجالات علوم النبات ، الهندسة الزراعية ، والبستنة. ومن المتوقع أن يؤدي الاستكشاف الناجح لهذه التخصصات إلى زيادة إنتاجية مزارع الجاتروفا بنسبة تتراوح بين 200 و 300٪ في السنوات العشر المقبلة.
الفطريات
ذكرت مجموعة في الأكاديمية الروسية للعلوم في موسكو ، في ورقة 2008 ، أنها عزلت كميات كبيرة من الدهون من فطريات أحادية الخلية وحولتها إلى وقود حيوي بطريقة فعالة من الناحية الاقتصادية. ومن المرجح أن تظهر في المستقبل القريب المزيد من الأبحاث حول هذه الأنواع الفطرية ، Cunninghamella japonica ، وغيرها. يشير الاكتشاف الأخير لمجموعة متنوعة من فطر Gliocladium roseum (الذي أعيد تسميته فيما بعد باسم Ascocoryne sarcoides) إلى إنتاج ما يسمى بـ myco-diesel من السليلوز. تم اكتشاف هذا الكائن في الآونة الأخيرة في الغابات المطيرة في شمال باتاغونيا ، ولديه القدرة الفريدة لتحويل السليلوز إلى هيدروكربونات متوسطة الطول توجد عادة في وقود الديزل. وقد لوحظت العديد من الفطريات الأخرى التي يمكن أن تؤدي إلى تدهور السليلوز والبوليمرات الأخرى لإنتاج جزيئات يتم هندستها حاليًا باستخدام كائنات حية من ممالك أخرى ، مما يوحي بأن الفطريات قد تلعب دورًا كبيرًا في إنتاج الوقود الحيوي في المستقبل (راجع في).
البكتريا الأمعاء الحيوانية
أظهرت النباتات الميكروبية المعوية في مجموعة متنوعة من الحيوانات إمكانات لإنتاج الوقود الحيوي. وقد أظهرت الأبحاث الحديثة أن TU-103 ، وهي سلالة من بكتيريا كلوستريديوم الموجودة في براز زيبرا ، يمكنها تحويل أي شكل من أشكال السليلوز تقريباً إلى وقود بيوتانول. ويجري التحقيق الميكروبات في نفايات الباندا لاستخدامها في إنشاء الوقود الحيوي من الخيزران والمواد النباتية الأخرى. كان هناك أيضا بحث كبير في تكنولوجيا استخدام الميكروبات في الأمعاء من الحشرات التي تغذي الخشب لتحويل المواد lignocellulotic في الوقود الحيوي.