Biofuel

Un biocarburante è un combustibile che viene prodotto attraverso processi biologici contemporanei, come l’agricoltura e la digestione anaerobica, piuttosto che un combustibile prodotto da processi geologici come quelli coinvolti nella formazione di combustibili fossili, come il carbone e il petrolio, dalla materia biologica preistorica.

I biocarburanti possono essere derivati ​​direttamente dalle piante (ad esempio colture energetiche) o indirettamente da rifiuti agricoli, commerciali, domestici e / o industriali. I biocarburanti rinnovabili generalmente implicano fissazione contemporanea del carbonio, come quelli che si verificano nelle piante o nelle microalghe attraverso il processo della fotosintesi. Altri biocarburanti rinnovabili sono realizzati attraverso l’uso o la conversione di biomassa (riferendosi a organismi viventi recentemente, il più delle volte riferiti a piante o materiali derivati ​​da piante). Questa biomassa può essere convertita in comode sostanze contenenti energia in tre modi diversi: conversione termica, conversione chimica e conversione biochimica. Questa conversione della biomassa può portare a combustibile in forma solida, liquida o gassosa. Questa nuova biomassa può anche essere utilizzata direttamente per i biocarburanti.

I biocarburanti sono teoricamente neutrali al carbonio perché il biossido di carbonio che viene assorbito dalle piante è uguale all’anidride carbonica che viene rilasciata quando il combustibile viene bruciato. Tuttavia, in pratica, indipendentemente dal fatto che un biocarburante sia neutrale dal punto di vista del carbonio dipende molto anche dal fatto che la terra che viene utilizzata per coltivare il biocarburante (con biocarburante di prima e seconda generazione) debba essere eliminata o meno dalla vegetazione contenente carbonio.

Il bioetanolo è un alcol prodotto dalla fermentazione, principalmente da carboidrati prodotti nelle colture di zucchero o amido come mais, canna da zucchero o sorgo dolce. Anche la biomassa cellulosica, derivata da fonti non alimentari, come alberi ed erba, viene sviluppata come materia prima per la produzione di etanolo. L’etanolo può essere utilizzato come carburante per i veicoli nella sua forma pura (E100), ma viene solitamente utilizzato come additivo per benzina per aumentare il numero di ottano e migliorare le emissioni dei veicoli. Il bioetanolo è ampiamente usato negli Stati Uniti e in Brasile. L’attuale progettazione degli impianti non prevede la conversione della parte di lignina delle materie prime vegetali per il rifornimento dei componenti mediante fermentazione.

Il biodiesel può essere utilizzato come carburante per i veicoli nella sua forma pura (B100), ma viene solitamente utilizzato come additivo per diesel per ridurre i livelli di particolato, monossido di carbonio e idrocarburi dai veicoli diesel. Il biodiesel è prodotto da oli o grassi mediante transesterificazione ed è il biocarburante più comune in Europa.

Nel 2010, la produzione mondiale di biocarburanti ha raggiunto i 105 miliardi di litri (28 miliardi di galloni USA), in aumento del 17% rispetto al 2009, ei biocarburanti hanno fornito il 2,7% dei carburanti mondiali per il trasporto stradale. La produzione mondiale di combustibile ad etanolo ha raggiunto gli 86 miliardi di litri (23 miliardi di galloni USA) nel 2010, con gli Stati Uniti e il Brasile come i maggiori produttori mondiali, che rappresentano insieme il 90% circa della produzione globale. Il più grande produttore mondiale di biodiesel è l’Unione europea, che rappresenta il 53% di tutta la produzione di biodiesel nel 2010. A partire dal 2011, i mandati per la miscelazione dei biocarburanti esistono in 31 paesi a livello nazionale e in 29 stati o province. L’Agenzia internazionale dell’energia ha l’obiettivo per i biocarburanti di soddisfare più di un quarto della domanda mondiale di carburanti per trasporti entro il 2050 per ridurre la dipendenza dal petrolio e dal carbone. La produzione di biocarburanti ha anche portato a una fiorente industria automobilistica, dove entro il 2010 il 79% di tutte le auto prodotte in Brasile è stato realizzato con un sistema ibrido di carburante a bioetanolo e benzina.

Ci sono varie questioni sociali, economiche, ambientali e tecniche relative alla produzione e all’uso dei biocarburanti, che sono state discusse nei media popolari e nelle riviste scientifiche.

generazioni

Biocarburanti di prima generazione
I biocarburanti di “prima generazione” o convenzionali sono biocarburanti ottenuti da colture alimentari coltivate su terreni coltivabili. Con questa generazione di produzione di biocarburanti, le colture alimentari sono così esplicitamente coltivate per la produzione di carburante, e non altro. Lo zucchero, l’amido o l’olio vegetale ottenuto dalle colture viene convertito in biodiesel o etanolo, usando la transesterificazione o la fermentazione del lievito.

Biocarburanti di seconda generazione
I biocarburanti di seconda generazione sono combustibili fabbricati con vari tipi di biomassa. La biomassa è un termine ad ampio spettro che indica qualsiasi fonte di carbonio organico che si rinnova rapidamente come parte del ciclo del carbonio. Le biomasse derivano da materiali vegetali, ma possono anche includere materiali animali.

Mentre i biocarburanti di prima generazione sono costituiti dagli zuccheri e dagli olii vegetali trovati nei seminativi, i biocarburanti di seconda generazione sono costituiti da biomassa lignocellulosica o colture legnose, residui agricoli o materiale vegetale di scarto (proveniente da colture alimentari che hanno già raggiunto il loro scopo alimentare). Le materie prime utilizzate per generare biocarburanti di seconda generazione crescono quindi su terreni coltivabili, ma sono solo sottoprodotti del raccolto effettivo (coltivazione principale) o sono coltivate su terreni che non possono essere utilizzati per coltivare in modo efficace colture alimentari e in alcuni casi né acqua extra o il fertilizzante è applicato a loro. Le fonti di alimentazione di seconda generazione di alimenti non umani includono erbe, jatropha e altre colture da seme, olio vegetale esausto, rifiuti solidi urbani e così via.

Questo ha sia vantaggi che svantaggi. Il vantaggio è che, a differenza delle normali colture alimentari, nessun terreno coltivabile viene utilizzato esclusivamente per la produzione di carburante. Lo svantaggio è che, a differenza delle normali colture alimentari, può essere piuttosto difficile estrarre il carburante. Ad esempio, potrebbe essere necessaria una serie di trattamenti fisici e chimici per convertire la biomassa lignocellulosica in combustibili liquidi adatti al trasporto.

Biocarburanti di terza generazione
Dal 1978 al 1996, il NREL degli Stati Uniti ha sperimentato l’utilizzo di alghe come fonte di biocarburanti nel “Programma delle specie acquatiche”. Un articolo auto-pubblicato da Michael Briggs, del gruppo UNH Biofuels, offre stime per la sostituzione realistica di tutto il combustibile veicolare con biocarburanti utilizzando alghe con un contenuto di olio naturale superiore al 50%, che Briggs suggerisce possono essere coltivate su stagni di alghe negli impianti di trattamento delle acque reflue. Queste alghe ricche di olio possono quindi essere estratte dal sistema e trasformate in biocarburanti, con il residuo essiccato ulteriormente rielaborato per creare etanolo. La produzione di alghe per la raccolta di petrolio per i biocarburanti non è stata ancora effettuata su scala commerciale, ma sono stati condotti studi di fattibilità per arrivare alla stima del rendimento sopra riportata. Oltre al suo alto rendimento previsto, l’algacoltura – a differenza dei biocarburanti a base di colture – non comporta una diminuzione della produzione alimentare, poiché non richiede né terreni agricoli né acqua dolce. Molte aziende stanno perseguendo bioreattori di alghe per vari scopi, tra cui la produzione di biocarburanti a livelli commerciali. Il Prof. Rodrigo E. Teixeira dell’Università dell’Alabama di Huntsville ha dimostrato l’estrazione di lipidi di biocarburanti da alghe bagnate utilizzando una reazione semplice ed economica nei liquidi ionici.

Biocarburanti di quarta generazione
Analogamente ai biocarburanti di terza generazione, i biocarburanti di quarta generazione sono fabbricati utilizzando terreni non arabili. Tuttavia, a differenza dei biocarburanti di terza generazione, non richiedono la distruzione della biomassa. Questa classe di biocarburanti comprende gli elettrocarburanti e i combustibili solari fotobiologici. Alcuni di questi carburanti sono a emissioni zero. La conversione del petrolio grezzo dai semi delle piante in combustibili utili viene chiamata transesterificazione.

tipi
I seguenti carburanti possono essere prodotti utilizzando procedure di produzione di biocarburanti di prima, seconda, terza o quarta generazione. La maggior parte di questi può anche essere prodotta utilizzando due o tre delle diverse procedure di generazione di biocarburanti.

Biogas
Il biogas è il metano prodotto dal processo di digestione anaerobica di materiale organico da parte di anaerobi. Può essere prodotto da materiali di scarto biodegradabili o dall’utilizzo di colture energetiche immesse in digestori anaerobici per integrare la produzione di gas. Il sottoprodotto solido, il digestato, può essere utilizzato come biocarburante o fertilizzante.

Il biogas può essere recuperato dai sistemi di trattamento dei rifiuti di trattamento biologico meccanico. Il gas di discarica, una forma meno pulita di biogas, viene prodotto nelle discariche attraverso la digestione anaerobica naturale. Se sfugge nell’atmosfera, è un potenziale gas a effetto serra.

Gli allevatori possono produrre biogas dal letame dei loro bovini usando digestori anaerobici.

syngas
Il syngas, una miscela di monossido di carbonio, idrogeno e altri idrocarburi, è prodotto dalla combustione parziale della biomassa, cioè dalla combustione con una quantità di ossigeno che non è sufficiente a convertire completamente la biomassa in anidride carbonica e acqua. Prima della combustione parziale, la biomassa viene essiccata e talvolta pirolizzata. La miscela di gas risultante, syngas, è più efficiente della combustione diretta del biocarburante originale; viene estratta una parte maggiore dell’energia contenuta nel carburante.

Syngas può essere bruciato direttamente in motori a combustione interna, turbine o celle a combustibile ad alta temperatura. Il generatore di gas di legno, un reattore di gassificazione a legna, può essere collegato a un motore a combustione interna.

Il syngas può essere utilizzato per produrre metanolo, DME e idrogeno o convertito attraverso il processo di Fischer-Tropsch per produrre un sostituto del diesel o una miscela di alcoli che possono essere miscelati in benzina. La gassificazione normalmente dipende da temperature superiori a 700 ° C.

La gassificazione a temperature inferiori è auspicabile quando co-produce biochar, ma risulta in syngas contaminato con catrame.

etanolo
Gli alcoli prodotti biologicamente, più comunemente etanolo e meno comunemente propanolo e butanolo, sono prodotti dall’azione di microrganismi ed enzimi attraverso la fermentazione di zuccheri o amidi (più facili) o cellulosa (che è più difficile). Il biobutanolo (chiamato anche biogasolina) viene spesso affermato di fornire un sostituto diretto per la benzina, perché può essere utilizzato direttamente in un motore a benzina.

Il carburante a base di etanolo è il biocarburante più diffuso in tutto il mondo, in particolare in Brasile. I combustibili alcolici sono prodotti dalla fermentazione di zuccheri derivati ​​da grano, mais, barbabietola da zucchero, canna da zucchero, melassa e qualsiasi zucchero o amido da cui possono essere fatte bevande alcoliche come il whisky (come patate e rifiuti di frutta, ecc.). I metodi di produzione di etanolo utilizzati sono la digestione enzimatica (per rilasciare gli zuccheri dagli amidi immagazzinati), la fermentazione degli zuccheri, la distillazione e l’essiccazione. Il processo di distillazione richiede un notevole apporto di energia per il riscaldamento (a volte combustibile insostenibile di gas naturale, ma la biomassa cellulosica come la bagassa, i rifiuti lasciati dopo che la canna da zucchero viene pressata per estrarne il succo, è il combustibile più comune in Brasile, mentre pellet, cippato e anche il calore di scarto è più comune in Europa) I rifiuti di vapore alimentano la fabbrica di etanolo – dove viene utilizzato anche il calore di scarto delle fabbriche nella rete di teleriscaldamento.

L’etanolo può essere utilizzato nei motori a benzina in sostituzione della benzina; può essere miscelato con benzina a qualsiasi percentuale. La maggior parte dei motori a benzina per auto esistenti può funzionare con miscele fino al 15% di bioetanolo con petrolio / benzina. L’etanolo ha una densità energetica inferiore a quella della benzina; questo significa che richiede più carburante (volume e massa) per produrre la stessa quantità di lavoro. Un vantaggio di etanolo (CH
3CH
2OH) è che ha un numero di ottano superiore rispetto alla benzina priva di etanolo disponibile nelle stazioni di servizio su strada, il che consente un aumento del rapporto di compressione del motore per una maggiore efficienza termica. In luoghi di alta quota (aria sottile), alcuni stati richiedono un mix di benzina ed etanolo come ossidante invernale per ridurre le emissioni di inquinamento atmosferico.

L’etanolo viene anche utilizzato per alimentare i caminetti a bioetanolo. Poiché non richiedono un camino e sono “privi di fluidità”, gli incendi di bioetanolo sono estremamente utili per le case e gli appartamenti di nuova costruzione senza canna fumaria. Il lato negativo di questi caminetti è che la loro potenza calorifica è leggermente inferiore al calore elettrico o agli incendi di gas, e devono essere prese precauzioni per evitare l’avvelenamento da monossido di carbonio.

Il mais-etanolo e altri stock alimentari hanno portato allo sviluppo di etanolo cellulosico. Secondo un’agenda congiunta di ricerca condotta dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, i rapporti energetici fossili (FER) per l’etanolo cellulosico, l’etanolo di mais e la benzina sono rispettivamente 10,3, 1,36 e 0,81.

L’etanolo ha circa un terzo di contenuto energetico inferiore per unità di volume rispetto alla benzina. Ciò è in parte neutralizzato dalla migliore efficienza quando si utilizza l’etanolo (in un test a lungo termine di oltre 2,1 milioni di km, il progetto BEST ha rilevato che i veicoli FFV sono più efficienti dal 1-26% rispetto alle auto a benzina, ma il consumo volumetrico aumenta di circa il 30%, quindi sono necessari più fermi di carburante).

Con i sussidi attuali, il carburante a base di etanolo è leggermente più economico per la distanza percorsa negli Stati Uniti.

Altri bioalcoli
Il metanolo è attualmente prodotto a partire da gas naturale, un combustibile fossile non rinnovabile. In futuro si spera di essere prodotto dalla biomassa come biometanolo. Questo è tecnicamente fattibile, ma la produzione è attualmente in fase di rinvio per le preoccupazioni di Jacob S. Gibbs e Brinsley Coleberd secondo cui la redditività economica è ancora in sospeso. L’economia del metanolo è un’alternativa all’economia dell’idrogeno, rispetto all’odierna produzione di idrogeno dal gas naturale.

Il butanolo (C4H9OH) è formato dalla fermentazione ABE (acetone, butanolo, etanolo) e le modifiche sperimentali del processo mostrano guadagni energetici netti potenzialmente elevati con butanolo come unico prodotto liquido. Il butanolo produrrà più energia e potrebbe essere bruciato “dritto” nei motori a benzina esistenti (senza modifiche al motore o all’auto), ed è meno corrosivo e meno solubile in acqua dell’etanolo e potrebbe essere distribuito attraverso le infrastrutture esistenti. DuPont e BP stanno lavorando insieme per aiutare a sviluppare butanolo. I ceppi di Escherichia coli sono stati anche ingegnerizzati con successo per produrre butanolo modificando il loro metabolismo degli amminoacidi. Uno degli svantaggi della produzione di butanolo in E. coli rimane il costo elevato dei nutrienti ricchi, tuttavia, il lavoro recente ha dimostrato che E. coli è in grado di produrre butanolo con un’integrazione alimentare minima.

Biodiesel
Il biodiesel è il biocarburante più comune in Europa. È prodotto da oli o grassi mediante transesterificazione ed è un liquido simile nella composizione al diesel fossile / minerale. Chimicamente, consiste principalmente di esteri metilici (o etilici) di acidi grassi (FAME). Le materie prime per il biodiesel comprendono grassi animali, oli vegetali, soia, colza, jatropha, mahua, senape, lino, girasole, olio di palma, canapa, pennycress di campo, Pinnamia pinnata e alghe. Il biodiesel puro (B100, noto anche come biodiesel “pulito”) attualmente riduce le emissioni fino al 60% rispetto al diesel di seconda generazione B100.

Il biodiesel può essere utilizzato in qualsiasi motore diesel quando miscelato con diesel minerale. Può anche essere usato nella sua forma pura (B100) nei motori diesel, ma alcuni problemi di manutenzione e prestazioni possono verificarsi durante l’utilizzo invernale, poiché il carburante diventa un po ‘più viscoso a temperature più basse, a seconda della materia prima utilizzata. In alcuni paesi, i produttori coprono i loro motori diesel in garanzia per l’utilizzo di B100, sebbene la Volkswagen della Germania, ad esempio, chieda ai conducenti di verificare telefonicamente con il reparto servizi ambientali VW prima di passare a B100. Nella maggior parte dei casi, il biodiesel è compatibile con i motori diesel dal 1994 in poi, che utilizzano gomma sintetica “Viton” (di DuPont) nei loro sistemi di iniezione meccanica. Si noti tuttavia che nessun veicolo è certificato per l’utilizzo di biodiesel puro prima del 2014, poiché non era disponibile alcun protocollo di controllo delle emissioni per il biodiesel prima di tale data.

I sistemi di tipo “common rail” e “unità iniettore” a controllo elettronico a partire dalla fine degli anni ’90 in poi possono utilizzare solo biodiesel miscelato con carburante diesel convenzionale. Questi motori hanno sistemi di iniezione a più stadi finemente dosati e atomizzati che sono molto sensibili alla viscosità del carburante. Molti motori diesel di generazione attuale sono realizzati in modo da poter funzionare su B100 senza alterare il motore stesso, sebbene ciò dipenda dal design del binario del carburante. Poiché il biodiesel è un solvente efficace e pulisce i residui depositati dal diesel minerale, i filtri del motore potrebbero dover essere sostituiti più spesso, poiché il biocarburante dissolve i vecchi depositi nel serbatoio del carburante e nei tubi. Inoltre, pulisce efficacemente la camera di combustione del motore dai depositi di carbonio, contribuendo a mantenere l’efficienza. In molti paesi europei, una miscela di biodiesel al 5% è ampiamente utilizzata ed è disponibile in migliaia di stazioni di servizio. Il biodiesel è anche un combustibile ossigenato, il che significa che contiene una quantità ridotta di carbonio e un maggiore contenuto di idrogeno e ossigeno rispetto al diesel fossile. Ciò migliora la combustione del biodiesel e riduce le emissioni di particolato dal carbone incombusto. Tuttavia, l’utilizzo di biodiesel puro può aumentare le emissioni di NOx

Il biodiesel è anche sicuro da maneggiare e trasportare perché non è tossico e biodegradabile e ha un elevato punto di infiammabilità di circa 148 ° C rispetto al gasolio derivante dal petrolio, che ha un punto di infiammabilità di 125 ° F (52 ° C).

Negli Stati Uniti, oltre l’80% dei camion e degli autobus urbani commerciali funzionano a diesel. Si stima che il mercato emergente del biodiesel degli Stati Uniti sia cresciuto del 200% dal 2004 al 2005. “Entro la fine del 2006 la produzione di biodiesel era aumentata di quattro volte [dal 2004] a più di” 1 miliardo di galloni americani (3.800.000 m3).

In Francia, il biodiesel è incorporato all’8% del carburante utilizzato da tutti i veicoli diesel francesi. Avril Group produce con il marchio Diester, un quinto di 11 milioni di tonnellate di biodiesel consumate annualmente dall’Unione Europea. È il principale produttore europeo di biodiesel.

Diesel verde
Il diesel verde viene prodotto attraverso l’idrocracking di materie prime biologiche, come oli vegetali e grassi animali. L’hydrocracking è un metodo di raffinazione che utilizza temperature elevate e pressione in presenza di un catalizzatore per abbattere molecole più grandi, come quelle presenti negli oli vegetali, in catene di idrocarburi più corte utilizzate nei motori diesel. Può anche essere chiamato diesel rinnovabile, olio vegetale idrotrattato o diesel rinnovabile derivato dall’idrogeno. A differenza del biodiesel, il diesel verde ha esattamente le stesse proprietà chimiche del diesel a base di petrolio. Non richiede nuovi motori, condotte o infrastrutture da distribuire e utilizzare, ma non è stato prodotto a un costo competitivo rispetto al petrolio. Anche le versioni a benzina sono in fase di sviluppo. Il diesel verde viene sviluppato in Louisiana e Singapore da ConocoPhillips, Neste Oil, Valero, Dynamic Fuels, Honeywell UOP e Preem a Gothenburg, in Svezia, creando il cosiddetto Evolution Diesel.

Olio vegetale dritto
L’olio vegetale commestibile non modificato non viene generalmente utilizzato come combustibile, ma a tale scopo è stato utilizzato olio di qualità inferiore. L’olio vegetale usato viene sempre più trasformato in biodiesel, o (più raramente) pulito di acqua e particolato e quindi utilizzato come combustibile.

Come con il 100% di biodiesel (B100), per garantire che gli iniettori di carburante atomizzino l’olio vegetale nel modello corretto per una combustione efficiente, il combustibile per olio vegetale deve essere riscaldato per ridurne la viscosità a quella del diesel, tramite bobine elettriche o scambiatori di calore. Questo è più facile nei climi caldi o temperati. MAN B & W Diesel, Wärtsilä e Deutz AG, così come un certo numero di aziende più piccole, come Elsbett, offrono motori compatibili con l’olio vegetale puro, senza necessità di modifiche post-vendita.

L’olio vegetale può essere utilizzato anche in molti motori diesel meno recenti che non utilizzano sistemi di iniezione diesel diesel a iniezione comune o unità. Grazie al design delle camere di combustione nei motori ad iniezione indiretta, questi sono i migliori motori per l’uso con olio vegetale. Questo sistema consente alle molecole di olio relativamente più grandi più tempo per bruciare. Alcuni motori più vecchi, in particolare la Mercedes, sono guidati sperimentalmente da appassionati senza alcuna conversione, alcuni conducenti hanno avuto un successo limitato con precedenti motori VW TDI precedenti alla “Pumpe Duse” e altri motori simili con iniezione diretta. Diverse aziende, come Elsbett o Wolf, hanno sviluppato kit di conversione professionali e ne hanno installato centinaia negli ultimi decenni.

Oli e grassi possono essere idrogenati per dare un sostituto del diesel. Il prodotto risultante è un idrocarburo a catena lineare con un elevato numero di cetano, basso contenuto di aromatici e zolfo e non contiene ossigeno. Gli oli idrogenati possono essere miscelati con gasolio in tutte le proporzioni. Hanno diversi vantaggi rispetto al biodiesel, tra cui buone prestazioni a basse temperature, nessun problema di stabilità dello stoccaggio e nessuna suscettibilità all’attacco microbico.

Bioethers
I bioeteri (noti anche come eteri di carburante o combustibili ossigenati) sono composti economicamente vantaggiosi che agiscono come stimolatori del numero di ottani. “I bioeteri sono prodotti dalla reazione di iso-olefine reattive, come l’iso-butilene, con bioetanolo.” I bioeteri sono creati dal grano o dalla barbabietola da zucchero. Migliorano anche le prestazioni del motore, riducendo significativamente l’usura del motore e le emissioni di gas tossici. Sebbene i bioeteri possano rimpiazzare i petroeteri nel Regno Unito, è altamente improbabile che diventino un combustibile in sé e per sé a causa della bassa densità di energia. Riducendo notevolmente la quantità di emissioni di ozono a livello del suolo, contribuiscono alla qualità dell’aria.

Quando si tratta di carburante per il trasporto ci sono sei additivi etere: dimetil etere (DME), dietil etere (DEE), metil teritrio-butil etere (MTBE), etil ter-butil etere (ETBE), ter-amil metil etere (TAME) e ter-amil etil etere (TAEE).

L’European Fuel Oxygenates Association (EFOA) accredita il metil-Tterziario-butil etere (MTBE) e l’etil-ter-butil etere (ETBE) come gli eteri più comunemente utilizzati nel carburante per sostituire il piombo. Eteri sono stati introdotti in Europa negli anni ’70 per sostituire il composto altamente tossico. Sebbene gli europei utilizzino ancora additivi bio-etere, gli Stati Uniti non hanno più un fabbisogno di ossigenato, pertanto i bioeteri non sono più utilizzati come principale additivo per carburanti.

Combustibili solidi a biomassa
Esempi includono legno, segatura, guarnizioni di erba, rifiuti domestici, carbone, rifiuti agricoli, colture energetiche non alimentari e letame essiccato.

Quando la biomassa solida è già in una forma adatta (come la legna da ardere), può bruciare direttamente in una stufa o in una fornace per fornire calore o aumentare il vapore. Quando la biomassa solida è in una forma inopportuna (come segatura, trucioli di legno, erba, rifiuti urbani, residui agricoli), il processo tipico è quello di addensare la biomassa. Questo processo include la macinazione della biomassa grezza a una dimensione di particolato appropriata (nota come hogfuel), che, a seconda del tipo di densificazione, può essere da 1 a 3 cm (da 0,4 a 1,2 in), che viene quindi concentrata in un prodotto di carburante. I processi attuali producono pellet, cubi o dischi di legno. Il processo di pellet è più comune in Europa ed è tipicamente un prodotto di legno puro. Gli altri tipi di densificazione sono di dimensioni maggiori rispetto a un pellet e sono compatibili con un’ampia gamma di materie prime di input. Il combustibile densificato risultante è più facile da trasportare e alimentare nei sistemi di generazione termica, come le caldaie.

Segatura, corteccia e trucioli sono già utilizzati da decenni per il carburante nei processi industriali; esempi includono l’industria della pasta e della carta e l’industria della canna da zucchero. Le caldaie nel raggio di 500.000 libbre / ora di vapore, e più grandi, sono in funzionamento di routine, usando griglia, fuochi spargitori, combustione di sospensioni e combustione a letto fluido. Le utilità generano energia, in genere nell’intervallo da 5 a 50 MW, utilizzando carburante disponibile localmente. Altre industrie hanno anche installato scaldabagni alimentati a legna e asciugatrici in aree con carburante a basso costo.

Uno dei vantaggi del combustibile solido da biomassa è che spesso è un sottoprodotto, un residuo o un prodotto di scarto di altri processi, come l’agricoltura, la zootecnia e la silvicoltura. In teoria, ciò significa che il carburante e la produzione di cibo non competono per le risorse, anche se questo non è sempre il caso.

Un problema con la combustione dei combustibili solidi della biomassa è che emette quantità considerevoli di inquinanti, come il particolato e gli idrocarburi policiclici aromatici. Anche le moderne caldaie a pellet generano molte più sostanze inquinanti rispetto alle caldaie a gasolio oa gas naturale. I pellet ricavati da residui agricoli sono in genere peggiori del pellet di legno, producendo emissioni molto più elevate di diossine e clorofenoli.

Un combustibile derivato è il biochar, che è prodotto dalla pirolisi della biomassa. Il biochar ricavato dai rifiuti agricoli può sostituire il carbone di legna. Man mano che lo stock di legno diventa scarso, questa alternativa sta guadagnando terreno. Nell’est della Repubblica Democratica del Congo, ad esempio, le mattonelle di biomassa vengono commercializzate come alternativa al carbone vegetale per proteggere il Parco Nazionale Virunga dalla deforestazione associata alla produzione di carbone.

Ricerca attuale
Sono in corso ricerche per trovare colture biocarburanti più idonee e migliorare la resa in olio di queste colture. Utilizzando i rendimenti attuali, sarebbero necessari grandi quantità di terra e acqua fresca per produrre abbastanza petrolio per sostituire completamente l’uso di combustibili fossili. Richiederebbe due volte la superficie terrestre degli Stati Uniti per dedicarsi alla produzione di semi di soia, o due terzi per la produzione di colza, per soddisfare le attuali esigenze di riscaldamento e trasporto degli Stati Uniti.

Le varietà di senape appositamente allevate possono produrre rese di olio ragionevolmente elevate e sono molto utili nella rotazione delle colture con i cereali, e hanno il vantaggio aggiunto che il pasto lasciato dopo che l’olio è stato spremuto può agire come un pesticida efficace e biodegradabile.

La NFESC, con la Biodiesel Industries di Santa Barbara, sta lavorando per sviluppare tecnologie per i biocarburanti per la marina e l’esercito degli Stati Uniti, uno dei maggiori utilizzatori di carburante diesel del mondo. Un gruppo di sviluppatori spagnoli che lavorano per una società chiamata Ecofasa ha annunciato un nuovo biocarburante prodotto dalla spazzatura. Il carburante è creato da rifiuti urbani generici che vengono trattati dai batteri per produrre acidi grassi, che possono essere utilizzati per produrre biocarburanti. Prima della sua chiusura, Joule Unlimited stava tentando di produrre etanolo e biodiesel a basso prezzo da un batterio fotosintetico geneticamente modificato.

Biocarburanti con etanolo (bioetanolo)
Come fonte primaria di biocarburanti nel Nord America, molte organizzazioni stanno conducendo ricerche nell’area della produzione di etanolo. Il Centro nazionale di ricerca mais-etanolo (NCERC) è una divisione di ricerca della Southern Illinois University Edwardsville dedicata esclusivamente ai progetti di ricerca sui biocarburanti a base di etanolo. A livello federale, l’USDA conduce una grande quantità di ricerche sulla produzione di etanolo negli Stati Uniti. Gran parte di questa ricerca è mirata all’effetto della produzione di etanolo sui mercati alimentari nazionali. Una divisione del Dipartimento di Energia degli Stati Uniti, il National Renewable Energy Laboratory (NREL), ha anche condotto vari progetti di ricerca sull’etanolo, principalmente nell’area dell’etanolo cellulosico.

La commercializzazione di etanolo cellulosico è il processo di costruzione di un’industria di metodi per trasformare la materia organica contenente cellulosa in combustibile. Aziende come Iogen, POET e Abengoa stanno costruendo raffinerie in grado di trasformare la biomassa e trasformarla in bioetanolo. Aziende come Diversa, Novozymes e Dyadic stanno producendo enzimi che potrebbero consentire un futuro di etanolo cellulosico. Il passaggio dai mangimi delle colture alimentari ai residui di scarto e alle erbe autoctone offre opportunità significative per una vasta gamma di attori, dagli agricoltori alle imprese di biotecnologia e dagli sviluppatori di progetti agli investitori.

A partire dal 2013, i primi impianti su scala commerciale per la produzione di biocarburanti cellulosici hanno iniziato a funzionare. Vengono utilizzati percorsi multipli per la conversione di diverse materie prime per i biocarburanti. Nei prossimi anni, i dati di costo di queste tecnologie operanti su scala commerciale e le relative prestazioni saranno disponibili. Le lezioni apprese ridurranno i costi dei processi industriali coinvolti.

In alcune parti dell’Asia e dell’Africa, dove prevalgono le zone aride, il sorgo dolce viene studiato come potenziale fonte di cibo, mangime e carburante messi insieme. Il raccolto è particolarmente adatto per la crescita in condizioni aride, in quanto estrae solo un settimo dell’acqua utilizzata dalla canna da zucchero. In India e in altri luoghi, i gambi di sorgo dolce vengono utilizzati per produrre biocarburanti spremendo il succo e poi fermentando in etanolo.

Uno studio condotto da ricercatori dell’Istituto internazionale di ricerca sulle colture per i semi-aridi tropicali (ICRISAT) ha rilevato che la coltivazione di sorgo dolce al posto del sorgo potrebbe aumentare i redditi degli agricoltori di 40 dollari USA per ettaro per coltura perché può fornire combustibile oltre a cibo e animali alimentazione. Con il sorgo attualmente coltivato su oltre 11 milioni di ettari (ha) in Asia e su 23,4 milioni di ettari in Africa, un passaggio al sorgo dolce potrebbe avere un notevole impatto economico.

Jatropha
Diversi gruppi in vari settori stanno conducendo ricerche su Jatropha curcas, un albero velenoso che produce semi considerati da molti una valida fonte di biocarburanti. Gran parte di questa ricerca si concentra sul miglioramento della resa in olio totale per acro di Jatropha attraverso i progressi in genetica, scienze del suolo e pratiche orticole.

SG Biofuels, uno sviluppatore di jatropha con sede a San Diego, ha utilizzato l’allevamento molecolare e la biotecnologia per produrre semi ibridi di elite che mostrano miglioramenti significativi nel rendimento rispetto alle varietà di prima generazione. SG Biocarburanti afferma inoltre che da tali ceppi sono derivati ​​ulteriori benefici, tra cui una maggiore sincronicità della fioritura, maggiore resistenza a parassiti e malattie e una maggiore tolleranza al freddo.

Plant Research International, un dipartimento dell’Università e centro di ricerca di Wageningen nei Paesi Bassi, mantiene un progetto di valutazione Jatropha in corso che esamina la fattibilità della coltivazione di jatropha su larga scala attraverso esperimenti sul campo e in laboratorio. Il Center for Sustainable Energy Farming (CfSEF) è un’organizzazione di ricerca senza scopo di lucro con base a Los Angeles dedicata alla ricerca sulla jatropha nelle aree della scienza delle piante, dell’agronomia e dell’orticoltura. Si prevede che l’esplorazione riuscita di queste discipline aumenterà il rendimento della produzione agricola della jatropha del 200-300% nei prossimi 10 anni.

Fungo
Un gruppo dell’Accademia Russa delle Scienze di Mosca, in un documento del 2008, ha dichiarato di aver isolato grandi quantità di lipidi da funghi monocellulari e di trasformarlo in biocarburanti in modo economicamente efficiente. Più ricerche su questa specie di funghi, Cunninghamella japonica e altri, è probabile che compaia nel prossimo futuro. La recente scoperta di una variante del fungo Gliocladium roseum (successivamente ribattezzata Ascocoryne sarcoides) punta alla produzione del cosiddetto mico-diesel da cellulosa. Questo organismo è stato recentemente scoperto nelle foreste pluviali della Patagonia settentrionale e ha la capacità unica di convertire la cellulosa in idrocarburi di media lunghezza che si trovano tipicamente nel carburante diesel. Molti altri funghi che possono degradare la cellulosa e altri polimeri sono stati osservati per produrre molecole che vengono attualmente ingegnerizzate utilizzando organismi provenienti da altri regni, suggerendo che i funghi potrebbero svolgere un ruolo importante nella bio-produzione di combustibili in futuro.

Batteri intestinali degli animali
La flora gastrointestinale microbica in una varietà di animali ha mostrato il potenziale per la produzione di biocarburanti. Recenti ricerche hanno dimostrato che il TU-103, un ceppo di batteri Clostridium trovato nelle feci di Zebra, può convertire quasi ogni forma di cellulosa in butanolo. I microbi dei rifiuti di panda sono stati studiati per il loro uso nella creazione di biocarburanti da bambù e altri materiali vegetali. There has also been substantial research into the technology of using the gut microbiomes of wood-feeding insects for the conversion of lignocellulotic material into biofuel.