Быстрые темпы глобального изменения климата повысили актуальность разработки технологий, которые уменьшают углеродный след транспортных технологий, особенно в секторах, которые трудно электрифицировать. В ответ исследователи, сотрудничающие с Центром инноваций в области биоэнергетики, утверждают, что научные достижения поддерживают гибридный подход с использованием биологических и каталитических методов для производства целлюлозного биотоплива для использования в самолетах, кораблях и грузовиках дальнего следования.
Как представлено в Energy & Environmental Science , этот гибридный подход использует микробы для преобразования целлюлозной биомассы, такой как древесина и трава, в промежуточный низкомолекулярный продукт, такой как этанол. Затем этанол будет каталитически преобразован в углеводородное топливо , подходящее для более тяжелых транспортных средств.
В исследовании говорится, что использование комбинации биологических и каталитических методов «является многообещающим подходом к преодолению существующего разрыва между топливными молекулами, которые биология производит с наибольшей готовностью, и топливными молекулами, которые в мире наиболее ценны для производства из биомассы».
«Мы рассматриваем это как взятие лучшего из обоих миров: использование биологии для того, что у нее действительно хорошо получается, а именно для создания этих небольших молекул, а затем использование катализа для того, что у нее получается хорошо, а именно для создания смесей углеводородного топлива. быстро», — сказал Брайан Дэвисон, соавтор и главный научный сотрудник CBI со штаб-квартирой в Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики.
Ли Линд, профессор инженерии и адъюнкт-профессор биологии в Дартмутском колледже, который совместно с Греггом Бекхэмом руководил исследованием в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии, сказал, что область ранее была сосредоточена на двухэтапном процессе предварительной обработки биомассы теплом и/или химические вещества перед биологической обработкой. Эта статья — одна из немногих, в которых пытались усовершенствовать другой подход: биологическое создание небольших молекул, затем механическое разрушение клеточных стенок во время ферментации и введение катализатора для создания углеводородного топлива. По словам Линда, этот подход более доступен, чем производство больших молекул топлива непосредственно с использованием микроорганизмов.
В отличие от подходов химической предварительной обработки, которые разрушают лигнин, прочный полимер, который придает растениям их структуру и жесткость, этот метод сохраняет что-то близкое к исходной структуре лигнина. В результате остатки лигнина могут быть более легко преобразованы в другие продукты, а не непригодны ни для чего, кроме сжигания, сказал Дэвисон.
«Иногда важно вернуться к основам, как это делается в этой статье», — сказал Джим Биленберг, старший научный сотрудник ExxonMobil Research and Engineering, который внимательно следит за исследованиями продуктов биотоплива. «Мы попробовали целлюлозное биотопливо, и стоимость и производительность этих технологий, похоже, не достигли того уровня, на котором они получили большую поддержку. Может быть, пришло время действительно фундаментально переосмыслить шаги».
Путь к целлюлозному биотопливу
Преобразование сахаров из клеточных стенок растений в жидкое топливо широко признано краеугольным камнем биоэкономики и ключом к созданию транспортной системы, которая была бы углеродно-нейтральной или углеродно-отрицательной. Многолетнее целлюлозное сырье стоит меньше, чем нефть, оно широко доступно и возобновляемо.
Целлюлозное биотопливо имеет еще одно преимущество перед крахмалистым сырьем, таким как кукуруза. По словам Биленберга, поскольку кукуруза нуждается в азотных удобрениях и воде, углеродное преимущество, обеспечиваемое этанолом на основе крахмала, сомнительно. Этанол, полученный из деревьев и трав, принес бы гораздо большую выгоду от выбросов углерода. «Один из больших рычагов, которые у вас есть, — это использование правильного сырья», — добавил он.
Из-за проблем с текущими подходами к производству целлюлозного биотоплива инвестиции в целлюлозное биотопливо в настоящее время намного опережают инвестиции в солнечную и ветровую энергию. «Внедрение целлюлозного биотоплива за последнее десятилетие не оправдало ожиданий, поэтому имеет смысл рассмотреть новые подходы», — сказал Линд.
В этой статье подчеркивается потенциал этанола как ключевого промежуточного продукта, который можно перерабатывать для создания желаемого углеводородного топлива, сказал Дэвисон. С этой целью «мы создаем лучшие молекулы с биологической точки зрения, которые, как мы знаем, могут быть преобразованы катализом».
Было испытано множество методов каталитического превращения этих промежуточных продуктов в реакторах, которые являются относительно небольшими и доступными. Хотя для удовлетворения потребностей авиации и дизельных двигателей потребуются дальнейшие достижения, эти достижения не за горами.
«Если бы мы могли получить целлюлозный этанол сегодня, у нас были бы стандартные процессы нефтепереработки, чтобы довести нас до конца пути к тому, что мы хотим», — сказал Биленберг.
«Мы гораздо ближе к тому, чтобы производить этанол из целлюлозной биомассы, чем из любого другого жидкого топлива или промежуточного топлива», — добавил Линд.
Большие молекулы топлива для стабильного климата
Для легковых автомобилей акцент смещается на электрификацию как на предпочтительный подход к сокращению выбросов, влияющих на климат. Однако, по словам Линда, «около половины будущих транспортных потребностей в энергии трудно электрифицировать — например, авиацию, дальнемагистральные грузовые перевозки и морские перевозки. Нам нужны отрицательные выбросы, чтобы стабилизировать изменение климата. Фотосинтез — лучший вариант для улавливания углекислого газа из воздуха». так что мы можем положить его в землю. Биотопливо обладает выдающимся, и, вероятно, недооцененным потенциалом в этом контексте».
По словам Стива Чонка, авиационная отрасль разрабатывает стратегию декарбонизации более 15 лет. Он является исполнительным директором Инициативы по альтернативным видам топлива для коммерческой авиации, коалиции авиакомпаний, производителей самолетов и двигателей, производителей энергии и других лиц, занимающихся альтернативными видами топлива для реактивных двигателей.
Чонка сказал, что авиационная промышленность сосредоточилась на низкоуглеродном топливе, которое могло бы заменить реактивное топливо на нефтяной основе. Чтобы быть жизнеспособным, эти виды топлива должны быть доступными, не требуя специальной инфраструктуры или модификации аэропортов и самолетов. По словам Чонка, разрабатываемые альтернативы, такие как самолеты с водородным двигателем и водородно-электрические гибриды, не отвечают этим требованиям и вряд ли в ближайшее время будут полезны для больших самолетов.
Международная ассоциация воздушного транспорта взяла на себя обязательство добиться нулевого выброса углерода к 2050 году, а несколько авиакомпаний взяли на себя еще более строгие обязательства. «На самом деле, единственный способ добиться этого — это внедрить устойчивое авиационное топливо из нескольких источников», — сказал Чонка.
Хотя он не одобряет какой-либо один тип сырья или процесса, Чонка сказал, что биологическое/каталитическое сочетание, выбранное в исследовании, имеет экономический смысл: оба этапа требуют меньших капиталовложений, чем другие методы.
Биленберг сказал, что исследование предоставило исследователям и промышленности необычную общую картину. «Призма, которую они используют, действительно ценна, потому что вместо того, чтобы сосредоточиться на конкретном подходе, они пытаются понять любой технический подход через призму эффективности использования углерода, поэтому вы убедитесь, что ваши усилия идут в правильном направлении. » «Я думаю, что эта статья хорошо формулирует проблемы таким образом, что вы уверены, что работаете над чем-то, что стоит решить».
