الإيثانول السليولوزي هو نوع من أنواع الوقود الحيوي ينتج من الليجنوسليلوز ، وهي مادة هيكلية تشتمل على كتلة كبيرة من النباتات. يتكون Lignocellulose أساسا من السليلوز ، هيميسيلولوز واللجنين. تعتبر قشور الذرة و Panicum virgatum (switchgrass) وأنواع عشب Miscanthus ورقائق الخشب والمنتجات الثانوية من صيانة العشب والأشجار بعض المواد الأكثر شيوعًا في إنتاج الإيثانول. إن إنتاج الإيثانول من الليجنوسليلوز له ميزة المواد الخام الوفيرة والمتنوعة مقارنة بمصادر مثل الذرة وسكر القصب ، ولكنه يتطلب قدراً أكبر من المعالجة لجعل مونومرات السكر متاحة للكائنات الدقيقة التي تستخدم عادة لإنتاج الإيثانول عن طريق التخمير.
تعد الـ Switchgrass و Miscanthus من أهم مواد الكتلة الحيوية التي يتم دراستها اليوم ، بسبب إنتاجيتها العالية لكل فدان. ومع ذلك ، فإن السليلوز موجود في كل النباتات والأشجار والأشجار الطبيعية التي تنمو بحرية ، في المروج والغابات والحقول في جميع أنحاء العالم دون جهد زراعي أو تكلفة مطلوبة لنموها.
واحدة من فوائد الإيثانول السليلوزي هو أنه يقلل من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري (الغازات الدفيئة) بنسبة 85 ٪ فوق البنزين المعدل.وعلى النقيض من ذلك ، فإن الإيثانول النشا (على سبيل المثال ، من الذرة) ، والذي يستخدم الغاز الطبيعي في أغلب الأحيان لتوفير الطاقة اللازمة لهذه العملية ، قد لا يقلل من انبعاثات غازات الدفيئة على الإطلاق اعتمادًا على كيفية إنتاج المادة الأولية القائمة على النشاء. وفقا للأكاديمية الوطنية للعلوم في عام 2011 ، لا يوجد أي مصفاة حيوية قابلة للتطبيق تجاريا في وجود لتحويل الكتلة الحيوية lignocellulosic إلى الوقود. كان غياب إنتاج الإيثانول السليلوزي بكميات تتطلبها اللائحة أساسًا لمحكمة الاستئناف في الولايات المتحدة لقرار مقاطعة كولومبيا الذي تم الإعلان عنه في 25 يناير 2013 ، والذي يفرض شرطًا مفروضًا على منتجي وقود السيارات والشاحنات في الولايات المتحدة وكالة حماية البيئة التي تتطلب إضافة الوقود الحيوي السليلوزي إلى منتجاتها. هذه القضايا ، إلى جانب العديد من تحديات الإنتاج الصعبة الأخرى ، دفعت باحثين في سياسة جامعة جورج واشنطن إلى القول “على المدى القصير ، لا يمكن للإيثانول [السليلوزي] أن يفي بأمن الطاقة والأهداف البيئية لبديل للبنزين”.
التاريخ
كان الكيميائي الفرنسي ، هنري براكنوت ، أول من اكتشف أن السليلوز يمكن تحلله إلى السكريات عن طريق المعالجة بحمض الكبريتيك في عام 1819. ويمكن بعد ذلك معالجة السكر المهدرج لتكوين الإيثانول من خلال التخمر. بدأ إنتاج الإيثانول التجاري الأول في ألمانيا في عام 1898 ، حيث تم استخدام حامض لتحليل السليلوز المائي. في الولايات المتحدة ، افتتحت شركة الكحول القياسية أول مصنع لإنتاج الإيثانول السليلوزي في كارولينا الجنوبية في عام 1910. وفي وقت لاحق ، تم افتتاح مصنع ثانٍ في لويزيانا. ومع ذلك ، تم إغلاق كلا النباتين بعد الحرب العالمية الأولى لأسباب اقتصادية.
المحاولة الأولى لتسويق عملية للإيثانول من الخشب تم إجراؤها في ألمانيا في عام 1898. وقد اشتملت على استخدام حمض مخفف لتسميد السليلوز إلى الجلوكوز ، وتمكنت من إنتاج 7.6 لتر من الإيثانول لكل 100 كجم من نفايات الخشب (18 US غال (68 لتر) للطن الواحد).سرعان ما طور الألمان عملية صناعية تم تحسينها للحصول على غلة تبلغ حوالي 50 غالونًا أمريكيًا (190 لترًا) لكل طن من الكتلة الحيوية.سرعان ما وجدت هذه العملية طريقها إلى الولايات المتحدة ، وبلغت ذروتها في مصنعين تجاريين يعملان في الجنوب الشرقي خلال الحرب العالمية الأولى. وقد استخدمت هذه النباتات ما كان يُطلق عليه “العملية الأمريكية” – وهو تحليل مائي أحادي الكبريت مخفف الأحماض. على الرغم من أن العائد كان نصف إنتاجية العملية الألمانية الأصلية (25 غالوناً أمريكياً (95 ليتر) من الإيثانول مقابل الطن مقابل 50) ، فإن إنتاجية العملية الأمريكية كانت أعلى بكثير. أدى انخفاض إنتاج الخشب إلى إغلاق النباتات بعد فترة وجيزة من نهاية الحرب العالمية الأولى. وفي هذه الأثناء ، استمرت كمية صغيرة ولكنها ثابتة من الأبحاث حول التحلل المائي المخفف في مختبرات المنتجات الحرجية التابعة لـ USFS. خلال الحرب العالمية الثانية ، تحولت الولايات المتحدة مرة أخرى إلى الإيثانول السليلوزي ، هذه المرة لتحويلها إلى البوتادين لإنتاج المطاط الصناعي. تم التعاقد مع شركة فولكان للنحاس والتزويد لبناء وتشغيل مصنع لتحويل نشارة الخشب إلى إيثانول. واستند المصنع إلى تعديلات على عملية Scholler الألمانية الأصلية التي طورها مختبر منتجات الغابات. حقق هذا النبات إنتاجًا من الإيثانول يبلغ 50 جالونًا أمريكيًا (190 لترًا) لكل طن جاف ، ولكنه لم يكن مربحًا بعد ، وتم إغلاقه بعد الحرب.
مع التطور السريع لتكنولوجيات الإنزيمات في العقدين الأخيرين ، تم استبدال عملية التحلل المائي الحمضي بالتحلل المائي الأنزيمي. مطلوب معالجة كيميائية من المواد الأولية ل hemicellulose (منفصل) prehydrolyze (منفصلة) ، لذلك يمكن تحويلها على نحو أكثر فعالية إلى السكريات. تم تطوير المعالجة المسببة للأحماض المخففة على أساس العمل المبكر على التحلل الحمضي للأخشاب في مختبر المنتجات الحرجية التابع لـ USFS. في الآونة الأخيرة ، قام مختبر المنتجات الحرجية بالتعاون مع جامعة ويسكونسن ماديسون بتطوير معالجة مسبقة للكبريتات للتغلب على عترة الـ lignocellulose من أجل التحلل المائي الأنزيمي القوي لسليلوز الخشب.
اقترح الرئيس الأمريكي جورج دبليو بوش ، في خطاب حالة الاتحاد الذي قدمه في 31 يناير / كانون الثاني 2006 ، توسيع استخدام الإيثانول السليولوزي. في خطاب حالة الاتحاد في 23 يناير 2007 ، أعلن الرئيس بوش عن ولاية مقترحة لتوليد 35 مليار غالون أمريكي (130،000،000 م 3) من الإيثانول بحلول عام 2017. ومن المعترف به على نطاق واسع أن أقصى إنتاج للإيثانول من نشا الذرة هو 15 مليار دولار أمريكي. غالون (57،000،000 م 3) سنوياً ، مما يعني وجود تفويض مقترح لإنتاج ما يقارب 20 مليار جالون (76،000،000 م 3) سنوياً من الإيثانول السليلوزي بحلول عام 2017. تتضمن خطة بوش المقترحة تمويل بقيمة 2 مليار دولار (من 2007 إلى 2017؟) للإيثانول السليلوزي مصانع ، مع 1.6 مليار دولار إضافية (من 2007 إلى 2017؟) التي أعلنتها وزارة الزراعة الأمريكية في 27 يناير 2007.
في مارس 2007 ، منحت الحكومة الأمريكية 385 مليون دولار في شكل منح تهدف إلى إنتاج إيثانول من مصادر غير تقليدية مثل رقائق الخشب ، والتبن ، وقشور الحمضيات. نصف من المشاريع الستة المختارة سوف تستخدم طرق حرارية كيميائية وسيستخدم نصفها طرق الإيثانول السليلوزية.
أعلنت شركة “رينج فيولز” الأمريكية في يوليو 2007 أنها منحت رخصة بناء من ولاية جورجيا لبناء أول مصنع لإنتاج الإيثانول من السليلوزية في الولايات المتحدة بقيمة 100 مليون دولار أمريكي (380،000 م 3). بدأ البناء في نوفمبر 2007. تم بناء مصنع رينج فيلز في سوبرتون ، GA ، ولكن تم إغلاقه في يناير 2011 ، دون أن ينتج أي إيثانول. وقد تلقت منحة بقيمة 76 مليون دولار من وزارة الطاقة الأمريكية ، بالإضافة إلى 6 ملايين دولار من ولاية جورجيا ، بالإضافة إلى قرض بقيمة 80 مليون دولار مضمون من قبل برنامج مساعدة نقابة الأوزون الأمريكي. كانت الولايات المتحدة (الولايات المتحدة) والبرازيل هما المنتجان الرئيسيان لإيثانول الوقود منذ السبعينيات.
اقتصاديات
كان التحول إلى مورد الوقود المتجدد هدفا لسنوات عديدة حتى الآن. ومع ذلك ، فإن معظم إنتاجها مع استخدام إيثانول الذرة. في عام 2000 ، تم إنتاج 6.2 مليار لتر فقط في الولايات المتحدة ، ولكن هذا العدد قد توسع بأكثر من 800٪ إلى 50 مليار لتر في عقد واحد فقط (2010).كانت ضغوط الحكومة للتحول إلى موارد الوقود المتجددة واضحة منذ أن قامت وكالة حماية البيئة الأمريكية بتطبيق معيار الوقود المتجدد لعام 2007 (RFS) ، والذي يتطلب تضمين نسبة معينة من الوقود المتجدد في منتجات الوقود. وقد تم تعزيز التحول إلى إنتاج الإيثانول السليلوزي من إيثانول الذرة بقوة من قبل حكومة الولايات المتحدة. حتى مع تطبيق هذه السياسات ومحاولات الحكومة لإنشاء سوق للإيثانول السليولوز ، لم يكن هناك إنتاج تجاري لهذا الوقود في عامي 2010 و 2011. حدد قانون استقلال الطاقة والأمن أصلاً أهدافًا تبلغ 100 مليون و 250 مليون و 500 مليون غالون للسنوات 2010 و 2011 و 2012 على التوالي. ومع ذلك ، فمن المتوقع في عام 2012 أن يكون إنتاج الإيثانول السليولوزي حوالي 10.5 مليون غالون – بعيداً عن هدفه. في عام 2007 وحده ، قدمت حكومة الولايات المتحدة مليار دولار أمريكي لمشاريع الإيثانول السليلوزية ، في حين استثمرت الصين 500 مليون دولار في أبحاث الإيثانول السليلوزية.
بسبب عدم وجود بيانات نباتية تجارية قائمة ، من الصعب تحديد طريقة الإنتاج الدقيقة التي سيتم استخدامها بشكل شائع. تحاول أنظمة النماذج مقارنة تكاليف تكنولوجيات مختلفة ، ولكن لا يمكن تطبيق هذه النماذج على تكاليف المصنع التجاري. حاليا ، هناك العديد من المرافق التجريبية والتوضيحية المفتوحة التي تعرض إنتاج السليلوز على نطاق أصغر. يتم تلخيص هذه المرافق الرئيسية في الجدول أدناه.
تكاليف البدء لمصانع إيثانول lignocellulosic على نطاق رائد هي عالية. في 28 فبراير 2007 ، أعلنت وزارة الطاقة الأمريكية عن تقديم منحة بقيمة 385 مليون دولار لستة مصانع لإنتاج الإيثانول السليلوزية. يمثل تمويل المنحة 40٪ من تكاليف الاستثمار. النسبة الباقية 60٪ تأتي من مروجي تلك المرافق. ومن ثم ، سيتم استثمار ما مجموعه مليار دولار لحوالي 140 مليون غالون (530،000 متر مكعب). وهذا يترجم إلى 7 دولارات / قيمة إنتاج غالون سنوي في تكاليف الاستثمار الرأسمالي للمصانع التجريبية ؛ من المتوقع أن تكون تكاليف رأس المال المستقبلية أقل. تكلف مصانع الذرة إلى الإيثانول حوالي 1–3 دولار / سعة غالون سنوي ، على الرغم من أن تكلفة الذرة نفسها أكبر بكثير من تكلفة الكتلة الحيوية أو النفايات.
اعتبارا من عام 2007 ، يتم إنتاج الإيثانول في الغالب من السكريات أو النشويات ، التي يتم الحصول عليها من الفواكه والحبوب. في المقابل ، يتم الحصول على الإيثانول السليلوزي من السليلوز ، المكون الرئيسي للخشب والقش ، والكثير من بنية النباتات. وبما أن السليلوز لا يمكن هضمه من قبل البشر ، فإن إنتاج السليولوز لا يتنافس مع إنتاج الغذاء ، غير تحويل الأرض من إنتاج الغذاء إلى إنتاج السليلوز (الذي بدأ مؤخراً في الظهور ، بسبب ارتفاع أسعار القمح). وبالتالي فإن سعر الطن من المواد الخام أرخص بكثير من سعر الحبوب أو الثمار. علاوة على ذلك ، بما أن السليلوز هو المكون الرئيسي للنباتات ، يمكن حصاد النبات بأكمله. وهذا يؤدي إلى غلات أفضل – تصل إلى 10 طن قصير لكل فدان (22 طن / هكتار) ، بدلاً من 4-5 طن / فدان قصير (9-11 طن / هكتار) لأفضل المحاصيل من الحبوب.
المواد الخام وفيرة. يتم التخلص من ما يقرب من 323 مليون طن من المواد الخام المحتوية على السليلوز والتي يمكن استخدامها لإنتاج الإيثانول كل عام في الولايات المتحدة وحدها. ويشمل ذلك 36.8 مليون طن جاف من نفايات الأخشاب الحضرية ، و 90.5 مليون طن جاف من مخلفات المناجم الأولية ، و 45 مليون طن جاف من مخلفات الغابات ، و 150.7 مليون طن جاف من قمح الذرة وقش القمح. إن تحويلها إلى إيثانول باستخدام إنزيمات hemi (cellulase) الفعالة أو الفعالة من حيث التكلفة قد توفر ما يصل إلى 30٪ من استهلاك الوقود الحالي في الولايات المتحدة. علاوة على ذلك ، يمكن حتى زراعة الأراضي الهامشية للزراعة بالمحاصيل المنتجة للسليلوز ، مثل المحول ، مما ينتج عنه إنتاج كاف لاستبدال جميع واردات النفط الحالية إلى الولايات المتحدة.
تشتمل الورق والكرتون والتغليف على جزء كبير من النفايات الصلبة المرسلة إلى مدافن النفايات في الولايات المتحدة كل يوم ، أي ما نسبته 41.26٪ من إجمالي النفايات الصلبة البلدية (MSW) وفقاً لملفات مدينة كاليفورنيا لإدارة النفايات المتكاملة. تمثل ملفات المدينة هذه تراكمًا قدره 612.3 طنًا قصيرًا (555.5 طنًا يوميًا) لكل مدافن حيث يستمر متوسط الكثافة السكانية البالغة 2،413 لكل ميل مربع. كل هذه ، باستثناء ألواح الجبس ، تحتوي على السليلوز ، والذي يمكن تحويله إلى إيثانول سلولوزي. قد يكون لهذا فوائد بيئية إضافية لأن تحلل هذه المنتجات ينتج غاز الميثان ، وهو غاز دفيئة قوي.
إن تخفيض التخلص من النفايات الصلبة من خلال تحويل الإيثانول السليلوزي سيقلل من تكاليف التخلص من النفايات الصلبة من قبل الحكومات المحلية وحكومات الولايات. ويقدر أن كل شخص في الولايات المتحدة يلقي بعيدا 4.4 رطل (2 كجم) من القمامة كل يوم ، منها 37 ٪ تحتوي على نفايات ورقية ، والتي هي إلى حد كبير السليلوز. هذا يحسب إلى 244 ألف طن في اليوم من نفايات الورق التي تحتوي على السليلوز.المادة الخام لإنتاج الإيثانول السليلوزي ليست مجانية فحسب ، بل إنها ذات تكلفة سلبية ، أي أن منتجي الإيثانول يمكن أن يحصلوا على أموال ليأخذوها.
في يونيو 2006 ، تم إخبار جلسة مجلس الشيوخ الأمريكي بأن التكلفة الحالية لإنتاج الإيثانول السليلوزي تبلغ 2.25 دولار أمريكي لكل جالون أمريكي (0.59 دولار أمريكي / لتر) ، ويرجع ذلك أساسًا إلى كفاءة التحويل الحالية السيئة. عند هذا السعر ، سيكلف حوالي 120 دولارًا لاستبدال برميل النفط (42 غالونًا أمريكيًا (160 لترًا)) ، مع الأخذ في الاعتبار انخفاض محتوى الطاقة من الإيثانول. ومع ذلك ، فإن وزارة الطاقة متفائلة وقد طلبت مضاعفة تمويل البحوث. تم إخبار نفس جلسة مجلس الشيوخ بأن هدف البحث كان تخفيض تكلفة الإنتاج إلى 1.07 دولار أمريكي لكل جالون أمريكي (0.28 دولار / لتر) بحلول عام 2012. “إن إنتاج الإيثانول السليولوزي لا يمثل فقط خطوة نحو تنوع حقيقي للطاقة في البلد ، وقال فينود خوسلا ، الشريك الإداري في شركة خوسلا فنتشرز ، التي أخبرت مؤخرًا قمة الوقود الحيوي العالمية التي أجرتها رويترز أنه يمكن أن تشهد انخفاضًا في أسعار الوقود السيلولوزية إلى 1 دولار أمريكي ، لكنه بديل فعال من حيث التكلفة للوقود الأحفوري ، وهو سلاح متقدم في الحرب على النفط. للغالون الواحد في غضون عشر سنوات.
في سبتمبر 2010 ، حلل تقرير من بلومبرغ البنية التحتية للكتلة الحيوية الأوروبية وتنمية المصافي في المستقبل. الأسعار المقدرة لليتر الواحد من الإيثانول في أغسطس 2010 هي 0.51 يورو لكل 1 غرام و 0.71 ل 2 غرام. [التوضيح المطلوب] اقترح التقرير أن تقوم أوروبا بنسخ الدعم الأمريكي الحالي الذي يصل إلى 50 دولارًا للطن الجاف.
ومؤخرا في 25 أكتوبر 2012 ، أعلنت شركة بريتيش بتروليوم ، واحدة من الشركات الرائدة في منتجات الوقود ، عن إلغاء مصنعها التجاري الذي تبلغ تكلفته 350 مليون دولار. وتشير التقديرات إلى أن المصنع سينتج 36 مليون جالون في السنة في موقعه في مقاطعة هايلاندز في فلوريدا. ما زالت شركة بريتيش بتروليوم تقدم 500 مليون دولار أمريكي لأبحاث الوقود الحيوي في معهد الطاقة الحيوية للطاقة. جنرال موتورز (جنرال موتورز) استثمرت أيضا في الشركات السليلوزية على وجه التحديد Mascoma و Coskata. هناك العديد من الشركات الأخرى في البناء أو تتجه نحو ذلك. تقوم شركة أبنغوا ببناء محطة تبلغ تكلفتها 25 مليون جالون سنويًا في النظام الأساسي للتكنولوجيا المبنية على الفطر Myceliophthora thermophila لتحويل الليجنوسليلوز إلى سائل مخمر. الشاعر هو أيضا في وسط إنتاج 200 مليون دولار ، 25 مليون غالون في السنة في Emmetsburg ، أيوا. أعلنت شركة Mascoma في شراكة مع شركة Valero عن نيتها لبناء 20 مليون جالون سنويًا في Kinross بولاية ميشيغان. طورت شركة الصين لمورد الكحول مصنع لإنتاج الإيثانول بسليولوز بسعة 6.4 مليون لتر تحت التشغيل المستمر.
أيضا ، منذ عام 2013 ، تعمل شركة GranBio البرازيلية لتصبح منتجًا للوقود الحيوي والكيمياء الحيوية. وتقوم الشركة التي تديرها الشركة بتكليف 82 مليون لتر سنوياً (22 مليون طن متري) من مصنع الإيثانول السليلوزي (2G ethanol) في ولاية ألاغواس في البرازيل ، والتي ستكون أول منشأة صناعية للمجموعة. تم دمج مرفق الإيثانول من الجيل الثاني في GranBio مع مصنع إيثانول من الجيل الأول الذي تديره Grupo Carlos Lyra ، ويستخدم تقنية المعالجة من Beta Renewables والإنزيمات من Novozymes والخميرة من DSM.الأرض في يناير 2013 ، المحطة في التكليف النهائي. وفقا لبيانات جرانبيو المالية السنوية ، بلغ إجمالي الاستثمارات 208 مليون دولار أمريكي.
المواد الأولية
بشكل عام ، هناك نوعان من المواد الأولية: الغابات (الخشبية) الكتلة الحيوية والكتلة الحيوية الزراعية. في الولايات المتحدة ، يمكن إنتاج ما يقرب من 1.4 مليار طن جاف من الكتلة الحيوية بشكل مستدام سنويًا. حوالي 370 مليون طن أو 30 ٪ من الكتلة الحيوية للغابات. تحتوي الكتلة الحيوية للغابات على نسبة أعلى من السليلوز ومحتوى اللجنين ومحتوى من الهيميسيلولوز والرم أقل من الكتلة الحيوية الزراعية. نظرًا للصعوبات وانخفاض إنتاج الإيثانول في تخمر المعالجة المسبقة للماء ، خاصة تلك التي تحتوي على 5 سكريات هيميسيلوز عالية الكربون مثل الزيلوز ، فإن الكتلة الحيوية للغابات لها مزايا كبيرة على الكتلة الحيوية الزراعية. كما تتميز الكتلة الحيوية للغابات بكثافة عالية مما يقلل بشكل كبير من تكلفة النقل. يمكن حصادها عامًا تقضي على التخزين على المدى الطويل. ويقلل المحتوى القريب من الرماد في الكتلة الحيوية للغابات بشكل كبير من الحمل الميت في النقل والمعالجة. من أجل تلبية الاحتياجات للتنوع البيولوجي ، ستكون الكتلة الحيوية للغابات مزيجًا مهمًا من مورّد الإمداد بالكتلة الحيوية في الاقتصاد المستقل بيوباسيد. ومع ذلك ، فإن الكتلة الحيوية للغابات أكثر تماسكًا من الكتلة الحيوية الزراعية. وفي الآونة الأخيرة ، طور مختبر المنتجات الحرجية التابع لوزارة الزراعة الأمريكية بالتعاون مع جامعة ويسكونسن ماديسون تكنولوجيات فعالة يمكنها التغلب على العوائق القوية للكتلة الحيوية للغابات (الخشبية) بما في ذلك الأنواع من الخشب اللين التي تحتوي على محتوى منخفض من الزيلان. يمكن أن توفر الزراعة المكثفة الدورية القصيرة أو زراعة الأشجار فرصة غير محدودة تقريباً لإنتاج الكتلة الحيوية للغابات.
تعتبر رقائق الخشب من الشقوق ومن قمم الأشجار ومن منشار الغبار الناجم عن مطاحن المنشار ، ولب الورق المستنفد ، من المواد الأولية المشتركة في الكتلة الحيوية للغابات لإنتاج الإيثانول السليلوزي.
فيما يلي بعض الأمثلة عن الكتلة الحيوية الزراعية:
Switchgrass (Panicum virgatum) هو العشب الأصلي العشب المرجانية. تشتهر هذه المعمرة ، التي تعرف بصعوبتها ونموها السريع ، خلال الأشهر الدافئة إلى ارتفاع يتراوح بين 2-6 أقدام. يمكن أن تزرع الـ Switchgrass في معظم أنحاء الولايات المتحدة ، بما في ذلك المستنقعات ، والسهول ، والجداول ، وعلى طول الشواطئ & amp؛ الطرق السريعة بين الولايات. هو ذاتي البذر (لا جرار للزرع ، فقط للحص) ، مقاوم للعديد من الأمراض والآفات ، & amp؛ يمكن أن تنتج غلات عالية مع انخفاض استخدام الأسمدة والمواد الكيميائية الأخرى. كما أنها تتسامح مع التربة الفقيرة والفيضانات & amp؛ جفاف؛ يحسن نوعية التربة ويمنع التآكل بسبب نوعه من نظام الجذر.
إن Switchgrass هو محصول تغطية معتمد للأراضي المحمية بموجب برنامج الاحتياطي الفيدرالي (CRP). CRP هو برنامج حكومي يدفع للمنتجين رسومًا مقابل عدم زراعة المحاصيل على الأراضي التي نمت فيها المحاصيل في الآونة الأخيرة. هذا البرنامج يقلل من تآكل التربة ، ويعزز جودة المياه ، ويزيد من موطن الحياة البرية. تعمل أرض CRP كموئل للعبة المرتفعة ، مثل الدراج والبط ، وعدد من الحشرات. تم النظر في استخدام الـ Switchgrass لإنتاج الوقود الحيوي في برنامج احتياطي الحفظ (CRP) ، مما قد يزيد الاستدامة البيئية ويخفض تكلفة برنامج CRP. ومع ذلك ، يجب تعديل قواعد CRP للسماح بهذا الاستخدام الاقتصادي لأرض CRP.
Miscanthus × giganteus هو مادة خام أخرى قابلة للحياة لإنتاج الإيثانول السليلوزي. هذا النوع من العشب هو الأصلي إلى آسيا ، وهو هجين ثلاثي عقيمة من ميسانثوس سينينسيس ومايسكانثوس ساكشريفلوروس. يمكن أن يصل طوله إلى 12 قدمًا (3.7 متر) مع قليل من الماء أو مخصبات الأسمدة. Miscanthus مشابه للتبادل فيما يتعلق بتحمل البرودة والجفاف وكفاءة استخدام المياه. تزرع Miscanthus تجاريا في الاتحاد الأوروبي كمصدر للطاقة القابلة للاشتعال.
تعتبر الكيزان الذرة وحطب الذرة هي الكتلة الحيوية الزراعية الأكثر شعبية.
وقد اقترح أن قد تصبح كودزو مصدرا قيما للكتلة الحيوية.
الذرة القائم مقابل العشب
في عام 2008 ، لم يكن هناك سوى كمية صغيرة من التبادل المخصص لإنتاج الإيثانول. وحتى يتسنى إنتاجه على نطاق واسع ، يجب عليه التنافس مع الاستخدامات الحالية للأراضي الزراعية ، لا سيما لإنتاج السلع المحصولية. ومن مساحة الولايات المتحدة التي تبلغ مساحتها 2.26 مليار فدان (9.1 مليون كم 2) من الأراضي غير المعبدة ، هناك 33٪ من الأراضي الحرجية ، و 26٪ من المراعي والمراعي ، و 20٪ من الأراضي المحصولية. وقد حددت دراسة أجرتها وزارة الطاقة والزراعة الأمريكية في عام 2005 ما إذا كانت هناك موارد أرضية كافية للمحافظة على إنتاج أكثر من مليار طن جاف من الكتلة الحيوية سنويًا لتحل محل 30٪ أو أكثر من الاستخدام الحالي للوقود السائل في البلاد.ووجدت الدراسة أنه يمكن أن يكون هناك 1.3 مليار طن جاف من الكتلة الحيوية المتاحة لاستخدام الإيثانول ، عن طريق إجراء تغييرات طفيفة في الممارسات الزراعية والحرجية وتلبية متطلبات منتجات الغابات والغذاء والألياف. أشارت دراسة حديثة أجرتها جامعة تينيسي إلى أنه سيتم تخصيص ما يصل إلى 100 مليون فدان (400.000 كم مربع أو 154.000 ميل مربع) من الأراضي الزراعية والمراعي لإنتاج المحولات من أجل تعويض استخدام البترول بنسبة 25٪.
| موجز لباحث البحث وآخرون. مقارنة انبعاثات غازات الإيثانول والجازولين بالذرة مع وبدون تغيير استخدام الأراضي (Grams of CO 2 release of megajoule of energy in fuel) |
||||
|---|---|---|---|---|
| نوع الوقود (لنا) |
كربون الشدة |
اختزال غازات الدفيئة |
كربون الشدة + ILUC |
اختزال غازات الدفيئة |
| بنزين | 92 | – | 92 | – |
| الايثانول الذرة | 74 | -20٪ | 177 | + 93٪ |
| الايثانول السليلوزية | 28 | -70٪ | 138 | + 50٪ |
| ملاحظات: يتم حسابها باستخدام افتراضات افتراضية لسيناريو 2015 للإيثانول في E85. البنزين هو مزيج من البنزين التقليدي والمعدّل. |
||||
في الوقت الحالي ، تعتبر الذرة أسهل وأقل تكلفة في الإيثانول مقارنة بالإيثانول السليولوزي. تقدر وزارة الطاقة أنها تكلف حوالي 2.20 دولار للغالون الواحد لإنتاج الإيثانول السلولوزي ، وهو ضعف كمية الإيثانول من الذرة. تكلف الإنزيمات التي تدمر أنسجة جدار الخلايا النباتية من 30 إلى 50 سنت لكل غالون من الإيثانول مقارنة بـ 3 سنتات لكل جالون للذرة. تأمل وزارة الطاقة في خفض تكلفة الإنتاج إلى 1.07 دولار للغالون الواحد بحلول عام 2012 لتكون فعالة. ومع ذلك ، فإن الكتلة الحيوية السليلوزية أرخص في إنتاجها من الذرة ، لأنها تتطلب مدخلات أقل ، مثل الطاقة ، والأسمدة ، ومبيدات الأعشاب ، ويصاحبها تآكل أقل للتربة وتحسين خصوبة التربة. بالإضافة إلى ذلك ، تركت المواد الصلبة غير المتغيرة وغير المحولة بعد جعل الإيثانول يمكن حرقها لتوفير الوقود اللازم لتشغيل محطة التحويل وإنتاج الكهرباء. تستمد الطاقة المستخدمة لتشغيل محطات الإيثانول المستخرجة من الذرة من الفحم والغاز الطبيعي. ويقدر معهد الاعتماد على الذات المحلية أن تكلفة الإيثانول السليولوزي من الجيل الأول من المحطات التجارية ستكون في نطاق 1.90 إلى 2.25 دولار للجالون ، باستثناء الحوافز. ويقارن هذا بالتكاليف الحالية البالغة 1.20 – 1.50 دولار للغالون الواحد للإيثانول من الذرة وسعر التجزئة الحالي لأكثر من 4.00 دولار للغالون الواحد للبنزين العادي (المدعوم والضريبي).
أحد الأسباب الرئيسية لزيادة استخدام الوقود الحيوي هو الحد من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري. بالمقارنة مع البنزين ، فإن الإيثانول يحترق أكثر نظافة ، مما يؤدي إلى تقليل كمية ثاني أكسيد الكربون والتلوث الكلي في الهواء. بالإضافة إلى ذلك ، يتم إنتاج مستويات منخفضة فقط من الضباب الدخاني من الاحتراق. ووفقًا لوزارة الطاقة الأمريكية ، فإن الإيثانول من السليلوز يقلل من انبعاث الغازات المسببة للاحتباس الحراري بنسبة 86٪ مقارنة بالبنزين والإيثانول المستخلص من الذرة ، مما يقلل الانبعاثات بنسبة 52٪. تبين أن انبعاثات غاز ثاني أكسيد الكربون أقل بنسبة 85٪ من تلك الناتجة عن البنزين. لا يسهم الإيثانول السليولوزي إلا قليلاً في تأثير الدفيئة ، ولديه رصيد طاقة صافٍ أفضل بخمسة أضعاف من الإيثانول المستخلص من الذرة. عند استخدامه كوقود ، يطلق الإيثانول السليلوزي كميات أقل من الكبريت ، وأول أكسيد الكربون ، والجسيمات ، وغازات الدفيئة. يجب أن يحصل الإيثانول السليولوزي على أرصدة لخفض الكربون لدى المنتجين ، أعلى من تلك الممنوحة للمنتجين الذين يزرعون الذرة للإيثانول ، والتي تتراوح من 3 إلى 20 سنت لكل غالون.
يأخذ 0.76 J من الطاقة من الوقود الأحفوري لإنتاج 1 J قيمة من الإيثانول من الذرة. يشمل هذا الإجمالي استخدام الوقود الأحفوري المستخدم للأسمدة ووقود الجرارات وتشغيل مصنع الإيثانول ، إلخ. وقد أظهرت الأبحاث أن الوقود الأحفوري يمكن أن ينتج أكثر من خمسة أضعاف حجم الإيثانول من أعشاب البراري ، وفقًا لما ذكره تيري رايلي ، رئيس السياسة في شراكة ثيودور روزفلت للحفظ. وتخلص وزارة الطاقة في الولايات المتحدة إلى أن الإيثانول المستخلص من الذرة يوفر طاقة أكثر بنسبة 26 في المائة مما يتطلبه الإنتاج ، بينما يوفر الإيثانول السليلوزي طاقة بنسبة 80 في المائة. ينتج الإيثانول السليولوزي طاقة بنسبة 80 بالمائة أكثر مما هو مطلوب للنمو وتحويله. تتطلب عملية تحويل الذرة إلى إيثانول حوالي 1700 مرة (من حيث الحجم) كمية المياه التي ينتجها الإيثانول. [مشكوك فيها – مناقشة] بالإضافة إلى ذلك ، فإنها تترك 12 ضعف حجم النفايات. يستخدم إيثانول الحبوب فقط الجزء الصالح للأكل من النبات.
السليلوز لا يستخدم للأغذية ويمكن زراعته في جميع أنحاء العالم. يمكن استخدام النبات بأكمله عند إنتاج الإيثانول السليلوزي. ينتج غراس جراس ضعف كمية الإيثانول لكل فدان من الذرة. لذلك ، هناك حاجة إلى مساحة أقل للإنتاج وبالتالي تقل تجزئة الموائل. تتطلب مواد الكتلة الحيوية مدخلات أقل ، مثل الأسمدة ومبيدات الأعشاب وغيرها من المواد الكيميائية التي يمكن أن تشكل مخاطر على الحياة البرية. جذورها الواسعة تحسين نوعية التربة ، والحد من تآكل ، وزيادة التقاط المغذيات. محاصيل الطاقة العشبية تقلل من تآكل التربة بنسبة تزيد عن 90 ٪ ، بالمقارنة مع إنتاج المحاصيل التقليدية للسلع الأساسية. وهذا يمكن أن يترجم إلى تحسين نوعية المياه للمجتمعات الريفية. بالإضافة إلى ذلك ، تضيف محاصيل الطاقة العشبية مادة عضوية إلى التربة المستنفدة ويمكن أن تزيد من كربون التربة ، والتي يمكن أن يكون لها تأثير مباشر على تغير المناخ ، حيث يمكن لربون التربة امتصاص ثاني أكسيد الكربون في الهواء. بالمقارنة مع إنتاج المحاصيل السلعية ، تخفض الكتلة الحيوية الجريان السطحي ونقل النيتروجين. يوفر Switchgrass بيئة للعديد من أماكن الحياة البرية ، خاصة الحشرات والطيور البرية. يتكون برنامج احتياطي الحفظ (CRP) من الأعشاب المعمرة ، والتي تستخدم للإيثانول السليلوزي ، وقد تكون متاحة للاستخدام.
لقد مارس المزارعون الأميركيون لسنوات زراعة المحاصيل الصفراء ، بمحاصيل مثل الذرة الرفيعة والذرة. وبسبب هذا ، هناك الكثير مما هو معروف عن تأثير هذه الممارسات على الحياة البرية. وسيكون التأثير الأهم لزيادة إيثانول الذرة هو الأرض الإضافية التي يتعين تحويلها إلى الاستخدام الزراعي والتآكل المتزايد واستخدام الأسمدة الذي يصاحب الإنتاج الزراعي. إن زيادة إنتاجنا من الإيثانول من خلال استخدام الذرة يمكن أن يؤدي إلى تأثيرات سلبية على الحياة البرية ، حيث يتوقف حجمها على حجم الإنتاج وما إذا كانت الأرض المستخدمة لهذا الإنتاج الزائد كانت في وضع الخمول سابقًا أو في حالة طبيعية أو مزروعة بالصف الآخر المحاصيل. وهناك اعتبار آخر هو ما إذا كان يجب زراعة نبات أحادي التبادل أو استخدام مجموعة متنوعة من الأعشاب والنباتات الأخرى. وبينما من المرجح أن يوفر خليط من أنواع النباتات موائل أفضل للحياة البرية ، فإن هذه التكنولوجيا لم تتطور بعد للسماح بمعالجة خليط من أنواع عشب أو أنواع نباتية مختلفة في البيوإيثانول. بالطبع ، لا يزال إنتاج الإيثانول السليلوزي في مهده ، وإمكانية استخدام مواقف نباتية متنوعة بدلاً من الزراعات الأحادية تستحق المزيد من الاستكشاف مع استمرار البحث.
| وكالة حماية البيئة الأمريكية مشروع نتائج دورة انبعاثات غازات الدفيئة لمختلف الأفق الزمني ونهج معدل الخصم (يشمل التأثيرات غير المباشرة لتغير استخدام الأراضي) |
||
|---|---|---|
| مسار الوقود | 100 سنة + خصم 2 ٪ معدل |
30 سنة + خصم 0٪ معدل |
| الايثانول الذرة (طاحونة الجافة الغاز الطبيعي) (1) | -16٪ | + 5٪ |
| إيثانول الذرة (أفضل حالة NG DM) (2) | -39٪ | -18٪ |
| الايثانول الذرة (طاحونة الفحم الجاف) | + 13٪ | + 34٪ |
| الايثانول الذرة (طاحونة جافة الكتلة الحيوية) | -39٪ | -18٪ |
| الايثانول الذرة (الكتلة الحيوية مع طاحونة الجافة الجمع بين الحرارة والطاقة) |
-47٪ | -26٪ |
| البرازيلي قصب السكر الإيثانول | -44٪ | -26٪ |
| الايثانول السليلوزية من التبديل | -128٪ | -124٪ |
| الايثانول السليلوزية من حطب الذرة | -115٪ | -116٪ |
| ملاحظات: (1) تطحن النباتات الجافة (DM) كل النواة وتنتج بشكل عام منتج واحد أساسي واحد فقط: حبيبات التقطير بالذوبان (DGS). (2) تقوم أفضل معامل الحالة بإنتاج حبيبات التقطير الرطب كمنتج مشترك. |
||
وجدت دراسة قام بها بول كروتزن ، الحائز على جائزة نوبل ، أن الإيثانول المنتج من الذرة له تأثير “صافٍ للمناخ” عند مقارنته بالزيت عندما يأخذ تقييم دورة الحياة الكاملة بشكل صحيح انبعاثات أكسيد النيتروز (N20) التي تحدث أثناء إنتاج الإيثانول من الذرة. ووجد Crutzen أن المحاصيل التي تحتوي على كميات أقل من النيتروجين ، مثل الأعشاب وأنواع التكاثف الخشبية ، لها تأثيرات مناخية أفضل.
تسويق السليلوز الإيثانول
إن تسويق الإيثانول السليولوزي هو عملية بناء صناعة من طرق تحويل المواد العضوية المحتوية على السليلوز إلى وقود. تقوم شركات مثل Iogen و POET و Abengoa ببناء مصافي يمكنها معالجة الكتلة الحيوية وتحويلها إلى إيثانول ، في حين تقوم شركات مثل DuPont و Diversa و Novozymes و Dyadic بإنتاج إنزيمات يمكن أن تمكن 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.
طورت صناعة الإيثانول السليلوزية بعض المصانع الجديدة على نطاق تجاري في عام 2008. في الولايات المتحدة ، كانت هناك مصانع تصل إلى 12 مليون لتر (3.17 مليون جالون) سنوياً تعمل ، و 80 مليون لتر إضافية (21.1 مليون جالون) سنوياً. – في 26 محطة جديدة – كان قيد الإنشاء. في كندا ، كانت قدرة 6 ملايين لتر سنوياً تعمل. في أوروبا ، تم تشغيل عدة مصانع في ألمانيا وإسبانيا والسويد ، وكانت سعة 10 مليون لتر سنوياً قيد الإنشاء.
Mossi & amp؛ ومقرها إيطاليا قامت مجموعة Ghisolfi Group بتأسيس مرفق الإيثانول MMol السليلوزي 13 MMgy في شمال غرب إيطاليا في 12 أبريل 2011. وسيكون هذا المشروع أكبر مشروع لإنتاج الإيثانول السليلوزي في العالم ، أكبر بـ 10 أضعاف من أي مرفق من مرافق العرض العملي الحالية.
النباتات التجارية السليلوزية الايثانول في الولايات المتحدة
(تعمل أو تحت الإنشاء)
| شركة | موقعك | المواد الخام |
|---|---|---|
| أبنغوا الطاقة الحيوية | Hugoton ، KS | قش القمح |
| BlueFire الايثانول | ايرفين ، كاليفورنيا | مصادر متعددة |
| شركة Colusa Biomass Energy Corporation | ساكرامنتو ، كاليفورنيا | نفايات قش الأرز |
| شركة كوسكاتا | وارنفيل ، ايل | الكتلة الحيوية والنفايات الزراعية والبلدية |
| دوبونت | فونور ، تينيسي | كيزر الذرة ، فرسجراس |
| دوبونت | نيفادا ، IA | إلقاء الذرة |
| Fulcrum BioEnergy | رينو ، نيفادا | النفايات البلدية الصلبة |
| ساحل الخليج للطاقة | موسي هيد ، فلوريدا | نفايات الخشب |
| كيه إل إنيرجي كورب | أبتون ، واي | خشب |
| ماسكوما Mascoma | لانسينغ ، إم | خشب |
| POET-DSM الوقود الحيوي المتقدم | Emmetsburg، IA | كيزر الذرة ، قشور ، وحامض |
| وقود المدى | مقاطعة Treutlen ، GA | نفايات الخشب |
| شركة صن أوبتا | ليتل فولز ، مينيسوتا | رقائق الخشب |
| سويتواتر للطاقة | روتشستر ، نيويورك | مصادر متعددة |
| الولايات المتحدة Envirofuels | مقاطعة هايلاندس ، فلوريدا | الذرة الرفيعة |
| Xethanol | أوبورنديل ، فلوريدا | قشور الحمضيات |