Biodiesel: Eine neue Art, Pflanzen in Kraftstoff umzuwandeln

Öko-Träumer haben lange auf eine Möglichkeit gehofft, herumzufahren, ohne zur globalen Erwärmung beizutragen, aber der langsame Fortschritt bei alternativen Kraftstofftechnologien hat diese Vision davon abgehalten, sich zu verwirklichen. Jetzt ein vielversprechender neuer Prozess, der von Forschern der University of Wisconsin entwickelt und in einem in der Zeitschrift erschienenen Artikel skizziert wurde Wissenschaft am 2. Juni könnte ein bedeutender Schritt sein, um diesen Traum in die Realität umzusetzen.

Das Papier beschreibt einen neuen Weg zur Herstellung von Biodieselkraftstoff, der aus Pflanzenmaterial hergestellt wird. Bei der traditionellen Biodieselraffination werden nur die Fettsäuren einer Pflanze verwendet, die typischerweise weniger als 10 Prozent der Masse getrockneter Pflanzen ausmachen. Anstatt nur das Fett umzuwandeln, verspricht diese neue Methode, das gesamte getrocknete Pflanzenmaterial, einschließlich Wurzeln, Stängel, Blätter und Früchte, in Biodiesel oder Wärmeenergie umzuwandeln.

Ethanol, der beliebteste und kommerziellste Biokraftstoff, wird seit langem aus Pflanzenmaterial raffiniert, erfordert jedoch den kostspieligen und energieintensiven Schritt, jedes Wassermolekül aus der Lösung zu destillieren. Im Gegensatz dazu basiert das neue Biodiesel-Verfahren auf wässrigen Phasenreaktionen, die die teure Destillationsphase nicht durchlaufen müssen.



Der größte Fortschritt, den wir zu bieten haben, ist das Fehlen dieses Destillationsverfahrens, sagt George Huber, einer der Autoren des Papiers und Doktorand an der University of Wisconsin, der bald an der University of Massachusetts in Amherst lehren wird. Das bedeutet, dass unser Prozess exotherm ist. Mit anderen Worten, es braucht nicht viel zusätzliche Energie. Und das ist wichtig, denn der größte Kostenfaktor im aktuellen Raffinationsprozess von Biokraftstoffen ist die Energie.

Die neue Methode gliedert sich in vier Teile. Zunächst wird ein Strom aus aufbereiteter Biomasse bestehend aus Wasser und Zucker über einen Nickel-Zinn-Katalysator geleitet, um einen Teil seiner Wasserstoffatome abzustreifen. Dann wird der Bach mit Säuren behandelt, die das meiste Wasser entziehen. Die resultierende Schmiere wird dann über einen festen Basiskatalysator transportiert, der sie zu langen Kohlenstoffketten, sogenannten Alkanen, formt. Schließlich werden diese Alkane bei hohen Temperaturen durch einen Platin-Silica-Aluminiumoxid-Katalysator geleitet, während der Wasserstoff aus der ersten Stufe in den Reaktor eingespeist wird. Die dabei entstehende Flüssigkeit hat fast die exakt gleiche chemische Struktur wie herkömmlich raffinierter Biodiesel und verbrennt auch in Dieselmotoren. Und die einzigen Nebenprodukte sind Wasser und Wärme.

Wenn der Prozess auf industrielles Niveau skaliert werden kann, könnte dies ein wichtiger Schritt in Richtung eines Transportkraftstoffs sein, der relativ sauber verbrennt, nicht zur globalen Erwärmung beiträgt und US-Landwirten neue Einkommen in Milliardenhöhe beschert.

Laut Bill Jones, Vorstandsvorsitzender von Pacific Ethanol, einem führenden Biokraftstoffunternehmen, betrachtet die Ölindustrie die aufstrebende Biokraftstoffindustrie derzeit eher mit Angst als mit Akzeptanz.

Aber irgendwann kommen sie vorbei, sagt er. Sie werden verstehen, dass dies nicht nur Wettbewerb ist, sondern ein ganz neuer Markt für sie ist.

Er weist darauf hin, dass sich auch die brasilianische Erdölindustrie den Versuchen der Regierung zur Förderung von Biokraftstoffen widersetzt hat, aber inzwischen ein großer Unterstützer ist – mehr als die Hälfte der brasilianischen Ölimporte wurden durch Biokraftstoffe ersetzt (siehe die Technologieüberprüfung April-Titelgeschichte zu weltverändernden Ideen).

Andere müssen jedoch nicht überzeugt werden. Charles Wyman, ein angesehener Professor am Dartmouth College in Hannover NH, dessen Spezialgebiet die biologische Umwandlung von Zellulose-Biomasse in Ethanol und andere Produkte ist, sagt, dass diese neue Methode Biodiesel eine Kampfchance geben könnte, auf dem kommerziellen Markt erfolgreich zu sein, indem es den Herstellern ermöglicht, entweder zu produzieren Ethanol- oder Biodieselkraftstoff.

Sobald man alle Zucker im Pflanzenmaterial abgebaut hat, war die einzige Möglichkeit, die wir bisher hatten, Ethanol herzustellen, sagt Wyman. Dies bietet mehr Optionen.

Künftig könnte ein einziges Produktionszentrum nach der Veredelung der Biomasse zu Zuckern je nach Marktnachfrage Biodiesel oder Ethanol herstellen. Wyman weist jedoch auch darauf hin, dass der wirtschaftliche Kampf nicht unbedingt gewonnen ist.

Am Ende sei es der Preis an der Tankstelle, wo diese Technologien gewinnen oder verlieren, nicht im Labor, sagt er.

Um sicherzustellen, dass sowohl Biodiesel als auch Ethanol auf dem Markt wettbewerbsfähiger werden, ist laut Wyman ein entscheidender Durchbruch erforderlich, um Dieselkraftstoff oder andere Produkte wie Ethanol aus Zucker wettbewerbsfähig zu machen. Ihm zufolge könnten Fortschritte in diesem Bereich die Benzinpreise im Großhandel übertreffen.

Und einige glauben, dass der Durchbruch in Sicht ist. Fortschritte in der Enzymtechnologie der letzten zwei Jahre durch die National Renewable Energy Laboratories und private Unternehmen wie Iogen und Novozymes haben die Kosten der Zellstoffumwandlung erheblich gesenkt, was der wirtschaftlichen Wettbewerbsfähigkeit des gesamten Systems mit billigem Gas verlockend nahe kommt.

Das neue Verfahren, das von James Dumesic, Professor für Chemie- und Bioingenieurwesen an der University of Wisconsin, und Huber entwickelt wird, wird dazu beitragen, diese Kosten zu senken, indem die Abfallmenge begrenzt wird, da jede Art von Pflanzenmaterial in ihr System eingespeist werden kann. Im Gegensatz zu aktuellen Ethanolraffinerien, die nur mit Materialien mit hohem Glukosegehalt wie Mais arbeiten können, verwendet der durch dieses Verfahren erzeugte Biodiesel die Zellulose, Wurzeln und Stängel jeder Pflanze.

Das bedeutet, dass die Abfallbiomasse der riesigen amerikanischen Landwirtschaftsindustrie – von Maisstroh (den Stängeln und Blättern der Pflanze) bis hin zu Erdnussschalen und abgefallenen Blättern – verwendet werden kann. Eine aktuelle Studie des US-Landwirtschaftsministeriums (siehe Notebook) schätzt, dass jedes Jahr mehr als 1,3 Milliarden Tonnen solcher Abfälle produziert werden. Wenn alles in Biodiesel umgewandelt würde, würde es genug Kraftstoff liefern, um ein Drittel des in den Vereinigten Staaten verbrauchten Erdöls zu ersetzen. Darüber hinaus würde die Umwandlung von derzeit ungenutztem Ackerland in Grünland für die Biodieselproduktion leicht die anderen zwei Drittel des Erdölbedarfs decken.

Das bedeutet natürlich, dass Familienbauern laut Jones von Pacific Ethanol ein weiterer Nutznießer einer solchen Transformation wären. Ethanolraffinerien im Besitz von Genossenschaften von Landwirten liefern bereits den Großteil der US-Ethanolproduktion, und Biodieselraffinerien könnten nach dem gleichen Programm modelliert werden.

Die Weiterentwicklung dieses neuen Verfahrens ist jedoch nur der erste Schritt auf dem sehr langen Prozess der Transformation des Landes zu einer Biodieselnation. Dazu müsste natürlich die gesamte US-Nutzfahrzeugflotte von Verbrennungsmotoren auf Diesel umgestellt werden; aber der Umzug könnte attraktiv sein, da die neuen Motoren weniger Schadstoffe verursachen würden (Biodiesel-Fahrzeuge würden viel weniger Schadstoffe wie Schwefel und Stickoxide produzieren).

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Ein solcher Umbruch in der US-amerikanischen Verkehrsinfrastruktur wird nicht so schnell erfolgen. Wahrscheinlicher ist, dass die Biodieselproduktion langsam anläuft und dann in den industriellen Maßstab hochgefahren wird, wenn sie mit Diesel und Benzin konkurrenzfähig ist.

Huber ist jedoch der Meinung, dass sein Team einen großen Schritt zur Nutzung einer der am weitesten verbreiteten, aber am wenigsten genutzten Energieressourcen der Welt getan hat.

Wenn dies ein Erfolg wird, kann ich sagen, dass ich dazu beigetragen habe, unsere Biomasse-Ressourcen umzuwandeln, um unser Transportsystem anzutreiben.

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