Biokraftstoffe der zweiten Generation - Second-generation biofuels
Biokraftstoffe der zweiten Generation , auch Advanced Biofuels genannt , sind Kraftstoffe, die aus verschiedenen Arten von Non-Food- Biomasse hergestellt werden können . Biomasse bedeutet in diesem Zusammenhang Pflanzenmaterialien und tierische Abfälle, die insbesondere als Brennstoffquelle verwendet werden.
Biokraftstoffe der ersten Generation werden aus Zuckerstärke-Rohstoffen (zB Zuckerrohr und Mais ) und Speiseöl-Rohstoffen (zB Raps- und Sojaöl ) hergestellt, die im Allgemeinen in Bioethanol bzw. Biodiesel umgewandelt werden.
Biokraftstoffe der zweiten Generation werden aus verschiedenen Rohstoffen hergestellt und erfordern daher möglicherweise eine andere Technologie, um daraus nützliche Energie zu gewinnen. Zu den Rohstoffen der zweiten Generation gehören lignozellulosehaltige Biomasse oder Holzpflanzen, landwirtschaftliche Reststoffe oder Abfälle sowie spezielle Energiepflanzen, die nicht für die Ernährung verwendet werden, die auf marginalen Flächen angebaut werden, die für die Nahrungsmittelproduktion ungeeignet sind.
Der Begriff Biokraftstoffe der zweiten Generation wird lose verwendet, um sowohl die "fortgeschrittene" Technologie zur Verarbeitung von Rohstoffen zu Biokraftstoff zu beschreiben, als auch die Verwendung von Non-Food-Pflanzen, Biomasse und Abfällen als Rohstoffe in "Standard"-Biokraftstoff-Verarbeitungstechnologien, falls geeignet. Dies führt zu erheblicher Verwirrung. Daher ist es wichtig, zwischen Rohstoffen der zweiten Generation und Technologien zur Verarbeitung von Biokraftstoffen der zweiten Generation zu unterscheiden.
Die Entwicklung von Biokraftstoffen der zweiten Generation hat seit dem Nahrungsmittel-Kraftstoff- Dilemma in Bezug auf das Risiko, dass Ackerland oder Feldfrüchte für die Biokraftstoffproduktion auf Kosten der Nahrungsmittelversorgung umgeleitet werden, einen Stimulus erfahren . Die Debatte um Biokraftstoffe und Lebensmittelpreise umfasst weitreichende Ansichten und ist in der Literatur seit langem umstritten.
Einführung
Biokraftstofftechnologien der zweiten Generation wurden entwickelt, um die Verwendung von Biokraftstoff-Rohstoffen zu ermöglichen, da Bedenken hinsichtlich der Ernährungssicherheit durch die Verwendung von Nahrungspflanzen zur Herstellung von Biokraftstoffen der ersten Generation verursacht werden . Die Umleitung von essbarer Nahrungsbiomasse zur Herstellung von Biokraftstoffen könnte theoretisch zu einer Konkurrenz mit Nahrung und Landnutzung für Nahrungspflanzen führen.
Bioethanol der ersten Generation wird durch Vergärung von pflanzlichem Zucker zu Ethanol hergestellt , wobei ein ähnlicher Prozess wie bei der Bier- und Weinherstellung verwendet wird (siehe Ethanolfermentation ). Dies erfordert den Einsatz von Nahrungs- und Futterpflanzen wie Zuckerrohr , Mais , Weizen und Zuckerrüben . Es besteht die Besorgnis, dass, wenn diese Nahrungspflanzen für die Biokraftstoffproduktion verwendet werden, die Lebensmittelpreise steigen und in einigen Ländern Knappheiten auftreten könnten. Auch Mais, Weizen und Zuckerrüben können hohe landwirtschaftliche Inputs in Form von Düngemitteln erfordern , die die erreichbaren Treibhausgaseinsparungen begrenzen . Auch Biodiesel, der durch Umesterung aus Rapsöl , Palmöl oder anderen Pflanzenölen hergestellt wird, gilt als Biokraftstoff der ersten Generation.
Das Ziel von Biokraftstoffprozessen der zweiten Generation ist es, die Menge an Biokraftstoff, die nachhaltig produziert werden kann, zu erhöhen, indem Biomasse verwendet wird, die aus den restlichen Non-Food- Teilen aktueller Nutzpflanzen wie Stängeln , Blättern und Schalen besteht , die nach der Nahrungspflanze zurückbleiben wurde sowie andere Kulturen extrahiert, die nicht für Lebensmittelzwecke (verwendet werden nicht-Nahrungspflanzen ), wie Rutenhirse , Gras , Jatropha , ganze Ernte Mais , Miscanthus und Getreide , die wenig Getreide tragen, und auch Industrieabfälle wie Holzhackschnitzel , Schalen und Fruchtfleisch aus dem Pressen von Früchten usw.
Das Problem, das Biokraftstoffprozesse der zweiten Generation angehen, besteht darin, nützliche Rohstoffe aus dieser holzigen oder faserigen Biomasse zu extrahieren, wobei die nützlichen Zucker durch Lignin, Hemizellulose und Zellulose eingeschlossen sind. Alle Pflanzen enthalten Lignin , Hemizellulose und Zellulose . Dies sind komplexe Kohlenhydrate (Moleküle auf Zuckerbasis). Lignozellulose-Ethanol wird hergestellt, indem die Zuckermoleküle durch Enzyme , Dampferhitzen oder andere Vorbehandlungen von Zellulose befreit werden. Diese Zucker können dann wie bei der Bioethanolproduktion der ersten Generation zu Ethanol fermentiert werden . Das Nebenprodukt dieses Prozesses ist Lignin. Lignin kann als klimaneutraler Brennstoff verbrannt werden, um Wärme und Strom für die Verarbeitungsanlage und möglicherweise für umliegende Haushalte und Unternehmen zu erzeugen. Thermochemische Prozesse (Verflüssigung) in hydrothermalen Medien können aus einer Vielzahl von Rohstoffen flüssige ölige Produkte herstellen, die das Potenzial haben, Kraftstoffe zu ersetzen oder zu ergänzen. Diese Flüssigprodukte verfehlen jedoch die Standards für Diesel oder Biodiesel. Die Aufwertung von Verflüssigungsprodukten durch einen oder mehrere physikalische oder chemische Prozesse kann die Eigenschaften für die Verwendung als Brennstoff verbessern.
Technologie der zweiten Generation
In den folgenden Unterabschnitten werden die wichtigsten Routen der zweiten Generation beschrieben, die derzeit entwickelt werden.
Thermochemische Routen
Kohlenstoffbasierte Materialien können in Abwesenheit (Pyrolyse) oder Anwesenheit von Sauerstoff, Luft und/oder Wasserdampf (Vergasung) auf hohe Temperaturen erhitzt werden.
Diese thermochemischen Prozesse liefern eine Mischung von Gasen einschließlich Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Methan und andere Kohlenwasserstoffe und Wasser. Die Pyrolyse erzeugt auch eine feste Kohle. Das Gas kann zu einer Reihe von Kraftstoffen fermentiert oder chemisch synthetisiert werden, darunter Ethanol, synthetischer Diesel, synthetisches Benzin oder Düsentreibstoff.
Es gibt auch Prozesse mit niedrigerer Temperatur im Bereich von 150-374 °C, die Zucker produzieren, indem die Biomasse in Wasser mit oder ohne Zusatzstoffe zersetzt wird.
Vergasung
Vergasungstechnologien sind für konventionelle Rohstoffe wie Kohle und Rohöl gut etabliert. Zu den Vergasungstechnologien der zweiten Generation gehören die Vergasung von Wald- und Agrarreststoffen, Altholz, Energiepflanzen und Schwarzlauge . Output ist normalerweise Synthesegas für die weitere Synthese zu zB Fischer-Tropsch- Produkten wie Dieselkraftstoff, Biomethanol , BioDME ( Dimethylether ), Benzin durch katalytische Umwandlung von Dimethylether oder Biomethan ( synthetisches Erdgas ). Syngas kann auch zur Wärmeerzeugung und zur Erzeugung von mechanischer und elektrischer Energie über Gasmotoren oder Gasturbinen verwendet werden .
Pyrolyse
Die Pyrolyse ist eine gut etablierte Technik zur Zersetzung von organischem Material bei erhöhten Temperaturen in Abwesenheit von Sauerstoff . Bei Biokraftstoffanwendungen der zweiten Generation können forstwirtschaftliche und landwirtschaftliche Reststoffe, Holzabfälle und Energiepflanzen als Rohstoffe verwendet werden, um zB Bioöl für Heizölanwendungen herzustellen . Bioöl erfordert typischerweise eine erhebliche zusätzliche Behandlung, um es als Raffinerierohstoff geeignet zu machen, um Rohöl zu ersetzen.
Torrefizierung
Torrefaction ist eine Form der Pyrolyse bei Temperaturen, die typischerweise zwischen 200–320 °C liegen. Einsatzstoffe und Output sind die gleichen wie bei der Pyrolyse .
Hydrothermale Verflüssigung
Die hydrothermale Verflüssigung ist ein der Pyrolyse ähnlicher Prozess, der nasse Materialien verarbeiten kann. Der Prozess findet typischerweise bei moderaten Temperaturen bis zu 400 °C und höher als Atmosphärendruck statt. Die Fähigkeit, eine breite Palette von Materialien zu handhaben, macht die hydrothermale Verflüssigung für die Herstellung von Kraftstoffen und chemischen Rohstoffen praktikabel.
Biochemische Routen
Chemische und biologische Verfahren, die derzeit in anderen Anwendungen eingesetzt werden, werden für Biokraftstoffe der zweiten Generation adaptiert. Biochemische Prozesse verwenden typischerweise eine Vorbehandlung, um den Hydrolyseprozess zu beschleunigen, der Lignin, Hemicellulose und Cellulose abtrennt. Sind diese Inhaltsstoffe getrennt, können die Cellulosefraktionen zu Alkoholen fermentiert werden.
Beschickungsmaterialien sind Energiepflanzen, landwirtschaftliche und forstwirtschaftliche Rückstände, Lebensmittelindustrie und kommunalen Bioabfällen und anderen Biomasse enthält Zucker . Zu den Produkten gehören Alkohole (wie Ethanol und Butanol ) und andere Kohlenwasserstoffe für den Transport.
Arten von Biokraftstoffen
Die folgenden Biokraftstoffe der zweiten Generation befinden sich in der Entwicklung, wobei die meisten oder alle dieser Biokraftstoffe aus Zwischenprodukten wie Synthesegas nach Verfahren synthetisiert werden, die in Verfahren mit konventionellen Rohstoffen, Biokraftstoffen der ersten und zweiten Generation identisch sind. Das Unterscheidungsmerkmal ist die Technologie, die bei der Herstellung des Zwischenprodukts beteiligt ist, und nicht die endgültige Abnahme.
Ein Prozess zur Herstellung flüssiger Brennstoffe aus Gas (normalerweise Syngas) wird als Gas-to-Liquid (GtL)-Prozess bezeichnet. Wenn Biomasse die Quelle der Gasproduktion ist, wird der Prozess auch als Biomass-to-Liquids (BTL) bezeichnet.
Aus Synthesegas durch Katalyse
- Biomethanol kann in Methanolmotoren verwendet oder bis zu 10–20 % mit Benzin gemischt werden, ohne dass Änderungen an der Infrastruktur vorgenommen werden müssen.
- BioDME kann aus Biomethanol durch katalytische Dehydratisierung oder direkt aus Synthesegas durch direkte DME-Synthese hergestellt werden. DME kann im Kompressionszündungsmotor verwendet werden .
- Bio-derived Benzin kann über Hochdruck katalytische aus DME hergestellt werden Kondensationsreaktion . Biobenzin ist chemisch nicht von Erdölbenzin zu unterscheiden und kann daher in den Benzinpool gemischt werden.
- Biowasserstoff kann in Brennstoffzellen zur Stromerzeugung genutzt werden.
- Gemischte Alkohole (dh eine Mischung aus hauptsächlich Ethanol , Propanol und Butanol , mit etwas Pentanol , Hexanol , Heptanol und Octanol ). Mischalkohole werden aus Syngas mit mehreren Katalysatorklassen hergestellt. Einige haben Katalysatoren verwendet, die denen ähnlich sind, die für Methanol verwendet werden. Molybdänsulfid-Katalysatoren wurden bei Dow Chemical entdeckt und haben viel Aufmerksamkeit erregt. Es wurde gezeigt, dass die Zugabe von Kobaltsulfid zur Katalysatorformulierung die Leistung verbessert. Molybdänsulfid-Katalysatoren sind gut untersucht worden, haben aber noch keine breite Anwendung gefunden. Diese Katalysatoren waren ein Schwerpunkt der Bemühungen des Biomasseprogramms des US-Energieministeriums in der Thermochemischen Plattform. Es wurde auch gezeigt, dass Edelmetallkatalysatoren gemischte Alkohole erzeugen. Der Großteil der Forschung und Entwicklung in diesem Bereich konzentriert sich hauptsächlich auf die Herstellung von Ethanol. Einige Kraftstoffe werden jedoch als Mischalkohole vermarktet (siehe Ecalene und E4 Envirolene). Mischalkohole sind reinem Methanol oder Ethanol insofern überlegen, als die höheren Alkohole einen höheren Energiegehalt haben. Außerdem erhöhen die höheren Alkohole beim Mischen die Verträglichkeit von Benzin und Ethanol, was die Wassertoleranz erhöht und die Verdunstungsemissionen verringert. Außerdem haben höhere Alkohole auch eine geringere Verdampfungswärme als Ethanol, was für Kaltstarts wichtig ist. (Für ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Mischalkoholen aus Biomasse siehe Biokonversion von Biomasse zu Mischalkoholkraftstoffen )
- Biomethan (oder Bio-SNG ) über die Sabatier-Reaktion
Aus Synthesegas mit Fischer-Tropsch
Der Fischer-Tropsch (FT) Prozess ist ein Gas-to-Liquid (GtL) Prozess. Wenn Biomasse die Quelle der Gasproduktion ist, wird der Prozess auch als Biomass-to-Liquids (BTL) bezeichnet. Nachteilig an diesem Verfahren ist der hohe Energieaufwand für die FT-Synthese und damit ist das Verfahren noch nicht wirtschaftlich.
- FT-Diesel kann ohne Infrastrukturänderung mit fossilem Diesel zu jedem beliebigen Prozentsatz gemischt werden und darüber hinaus kann synthetisches Kerosin hergestellt werden
Biokatalyse
- Biowasserstoff könnte mit einigen Organismen erreicht werden, die unter bestimmten Bedingungen direkt Wasserstoff produzieren. Biowasserstoff kann in Brennstoffzellen zur Stromerzeugung genutzt werden.
- Butanol und Isobutanol über rekombinante Wege, die in Wirten wie E. coli und Hefe exprimiert werden , Butanol und Isobutanol können bedeutende Fermentationsprodukte unter Verwendung von Glucose als Kohlenstoff- und Energiequelle sein.
- DMF (2,5-Dimethylfuran). Jüngste Fortschritte bei der Herstellung von DMF aus Fructose und Glucose unter Verwendung eines katalytischen Biomasse-zu-Flüssig-Verfahrens haben seine Attraktivität erhöht.
Andere Prozesse
- HTU- Diesel (Hydro Thermal Upgrading) wird aus nasser Biomasse hergestellt. Es kann ohne Infrastruktur in beliebigem Anteil mit fossilem Diesel gemischt werden.
- Holz Diesel . Ein neuer Biokraftstoff wurde von der University of Georgia aus Holzhackschnitzeln entwickelt . Das Öl wird extrahiert und dann unmodifizierten Dieselmotoren zugesetzt. Entweder werden neue Pflanzen verwendet oder gepflanzt, um die alten Pflanzen zu ersetzen. Das Nebenprodukt Holzkohle wird als Dünger wieder in den Boden eingebracht. Da der Kohlenstoff wieder in den Boden eingebracht wird, kann dieser Biokraftstoff laut Direktor Tom Adams tatsächlich kohlenstoffnegativ und nicht nur klimaneutral sein. Kohlenstoffnegativ verringert das Kohlendioxid in der Luft und kehrt den Treibhauseffekt um, anstatt ihn nur zu reduzieren.
Rohstoffe der zweiten Generation
Um sich als Rohstoff der zweiten Generation zu qualifizieren, darf eine Quelle nicht für den menschlichen Verzehr geeignet sein. Biokraftstoffe der zweiten Generation umfassen speziell angebaute ungenießbare Energiepflanzen, kultivierte ungenießbare Öle, landwirtschaftliche und kommunale Abfälle, Altöle und Algen. Getreide- und Zuckerpflanzen werden jedoch auch als Rohstoffe für Verarbeitungstechnologien der zweiten Generation verwendet. Bei der Bewertung der Eignung der Entwicklung von Biomasse als Energierohstoff müssen Landnutzung, bestehende Biomasseindustrien und relevante Umwandlungstechnologien berücksichtigt werden.
Energiepflanzen
Pflanzen werden aus Lignin , Hemizellulose und Zellulose hergestellt ; Technologie der zweiten Generation verwendet eine, zwei oder alle dieser Komponenten. Zu den gebräuchlichen lignocellulosehaltigen Energiepflanzen gehören Weizenstroh , Arundo donax , Miscanthus spp., Kurzumtriebsbaum- Pappel und Weide . Jede bietet jedoch unterschiedliche Möglichkeiten und keine Kultur kann als „beste“ oder „schlechteste“ angesehen werden.
Siedlungsabfälle
Siedlungsabfälle umfassen eine sehr große Bandbreite an Materialien, und das Gesamtabfallaufkommen nimmt zu. Im Vereinigten Königreich verringern Recyclinginitiativen den Anteil des Abfalls, der direkt der Entsorgung zugeführt wird, und der Recyclinganteil nimmt jedes Jahr zu. Es bleiben jedoch erhebliche Möglichkeiten, diesen Abfall durch Vergasung oder Pyrolyse in Brennstoff umzuwandeln.
Biomüll
Grünabfälle wie Waldreste oder Garten oder Park Abfälle können produzieren verwendet werden Biokraftstoff über verschiedene Wege. Beispiele hierfür sind Biogas, das aus biologisch abbaubaren Grünabfällen gewonnen wird , und die Vergasung oder Hydrolyse zu Synthesegas zur Weiterverarbeitung zu Biokraftstoffen über katalytische Prozesse.
Schwarzlauge
Schwarzlauge, die verbrauchte Kochlauge aus dem Kraftprozess , die konzentriertes Lignin und Hemicellulose enthält , kann mit sehr hoher Umwandlungseffizienz und Treibhausgasminderungspotenzial vergast werden , um Synthesegas für die weitere Synthese zu zB Biomethanol oder BioDME zu erzeugen .
Die Ausbeute an Rohtallöl aus dem Prozess liegt im Bereich von 30 – 50 kg / Tonne Zellstoff.
Treibhausgasemissionen
Lignozellulosehaltige Biokraftstoffe reduzieren die Treibhausgasemissionen um 60–90 % im Vergleich zu fossilem Erdöl (Börjesson.P. et al. 2013. Dagens och framtidens hållbara biodrivmedel), was den besseren Biokraftstoffen der ersten Generation gleichkommt, wobei typische beste Werte sind derzeit 60–80%. Im Jahr 2010 betrug die durchschnittliche Einsparung von Biokraftstoffen in der EU 60 % (Hamelinck.C. et al. 2013 Erneuerbare Energien Fortschritt und Nachhaltigkeit von Biokraftstoffen, Bericht für die Europäische Kommission). Im Jahr 2013 reduzierten 70 % der in Schweden verwendeten Biokraftstoffe die Emissionen um 66 % oder mehr. (Energimyndigheten 2014. Hållbara biodrivmedel och flytande biobränslen 2013).
Kommerzielle Entwicklung
In Kanada befindet sich eine in Betrieb befindliche Lignocellulose-Ethanol-Produktionsanlage, die von der Iogen Corporation betrieben wird . Die Demonstrationsanlage produziert jährlich rund 700.000 Liter Bioethanol. Eine kommerzielle Anlage ist im Bau. Viele weitere Lignozellulose-Ethanol-Anlagen wurden in Nordamerika und auf der ganzen Welt vorgeschlagen.
Die schwedische Spezialität Zellulosemühle Domsjö Fabriker in Örnsköldsvik , Schweden entwickelt eine Bioraffinerie mit Chemrec der Schwarzlauge Vergasungstechnologie. Bei ihrer Inbetriebnahme im Jahr 2015 wird die Bioraffinerie 140.000 Tonnen Biomethanol oder 100.000 Tonnen BioDME pro Jahr produzieren und damit 2 % der schwedischen Importe von Dieselkraftstoff für Transportzwecke ersetzen. Im Mai 2012 wurde bekannt, dass Domsjö sich aus dem Projekt zurückgezogen hatte, was die Bemühungen effektiv zunichte machte.
In Großbritannien entwickeln Unternehmen wie INEOS Bio und British Airways fortschrittliche Biokraftstoffraffinerien, die bis 2013 bzw. 2014 gebaut werden sollen. Unter günstigen wirtschaftlichen Bedingungen und starken Verbesserungen bei der politischen Unterstützung könnten NNFCC- Projektionen bis 2020 bis zu 4,3 Prozent des britischen Verkehrskraftstoffs decken und 3,2 Millionen Tonnen CO . einsparen
2 jedes Jahr, das entspricht, fast eine Million Autos von der Straße zu nehmen.
Helsinki, Finnland, 1. Februar 2012 – UPM investiert in Lappeenranta, Finnland, in eine Bioraffinerie, die Biokraftstoffe aus Rohtallöl herstellt. Die Investition im industriellen Maßstab ist weltweit die erste ihrer Art. Die Bioraffinerie wird jährlich etwa 100.000 Tonnen fortschrittlichen Biodiesel der zweiten Generation für den Transport produzieren. Der Bau der Bioraffinerie wird im Sommer 2012 am UPM-Werk Kaukas beginnen und 2014 abgeschlossen sein. Die Gesamtinvestition von UPM wird sich auf rund 150 Mio. EUR belaufen.
Calgary, Alberta, 30. April 2012 – Die Iogen Energy Corporation hat mit ihren Miteigentümern Royal Dutch Shell und Iogen Corporation einen neuen Plan zur Neuausrichtung ihrer Strategie und Aktivitäten vereinbart. Shell untersucht weiterhin mehrere Wege, um eine kommerzielle Lösung für die Produktion fortschrittlicher Biokraftstoffe im industriellen Maßstab zu finden, aber das Unternehmen wird das in Entwicklung befindliche Projekt zum Bau einer größeren Zellulose-Ethanol-Anlage im Süden Manitobas NICHT weiterverfolgen.
In Indien haben die indischen Ölgesellschaften vereinbart, im ganzen Land sieben Raffinerien der zweiten Generation zu bauen. Die am Bau von 2G-Biokraftstoffanlagen beteiligten Unternehmen sind Indian Oil Corporation (IOCL), HPCL und BPCL. Im Mai 2018 stellte die indische Regierung eine Biokraftstoffpolitik vor, in der eine Summe von INR 5.000 crores für die Errichtung von 2G-Bioraffinerien bereitgestellt wurde. Indische Ölvermarktungsunternehmen waren dabei, 12 Raffinerien mit einem Investitionsvolumen von 10.000 Mrd. INR zu bauen.
Siehe auch
- Algentreibstoff
- Kommerzialisierung von Zellulose-Ethanol
- Essen vs. Treibstoff
- IEA Bioenergie
- Jatropha
- Standard für erneuerbare Kraftstoffe