Afhankelijkheid van petroleumbrandstoffen en woedende bosbranden:twee afzonderlijke, grootschalige uitdagingen die met één wetenschappelijke doorbraak kunnen worden aangepakt.

Teams van Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en Sandia National Laboratories hebben samengewerkt om een ​​gestroomlijnd en efficiënt proces te ontwikkelen voor het omzetten van houtachtig plantaardig materiaal zoals bosovergroei en landbouwafval - materiaal dat momenteel opzettelijk of onopzettelijk wordt verbrand - in vloeibare biobrandstof. Hun onderzoek is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift ACS Duurzame Chemie &Engineering .

"Volgens een recent rapport tegen 2050 zal er jaarlijks 38 miljoen ton droge houtachtige biomassa beschikbaar zijn, waardoor het een uitzonderlijk overvloedige koolstofbron is voor de productie van biobrandstoffen, " zei Carolina Barcelos, een senior procesingenieur bij de Advanced Biofuels and Bioproducts Process Development Unit (ABPDU) van Berkeley Lab.

Echter, pogingen om houtachtige biomassa om te zetten in biobrandstof worden doorgaans gehinderd door de intrinsieke eigenschappen van hout die het zeer moeilijk maken om chemisch af te breken, voegde ABPDU-onderzoeker Eric Sundstrom toe. "Onze twee studies beschrijven een goedkope conversieroute voor biomassabronnen die anders in het veld of in schuine palen zouden worden verbrand, of het risico en de ernst van seizoensgebonden bosbranden verhogen. We hebben het vermogen om deze hernieuwbare koolstofbronnen van luchtvervuiling en brandgevaar om te zetten in een duurzame brandstof."

In een onderzoek onder leiding van Barcelos en Sundstrom, de wetenschappers gebruikten niet-giftige chemicaliën, in de handel verkrijgbare enzymen, en een speciaal ontwikkelde giststam om hout in een enkele reactor om te zetten in ethanol, of "pot". Verder, een daaropvolgende technologische en economische analyse hielp het team bij het identificeren van de noodzakelijke verbeteringen die nodig zijn om via dit conversiepad een ethanolproductie te bereiken van $ 3 per benzine-gallonequivalent (GGE). Het werk is het allereerste end-to-end proces voor de productie van ethanol uit houtachtige biomassa met zowel een hoge conversie-efficiëntie als een eenvoudige eenpotsconfiguratie. (Zoals elke kok weet, eenpansrecepten zijn altijd gemakkelijker dan die waarbij meerdere potten nodig zijn, en in dit geval het betekent ook een lager water- en energieverbruik.)

In een aanvullend onderzoek geleid door John Gladden en Lalitendu Das van het Joint BioEnergy Institute (JBEI), een team verfijnde het eenpotproces zodat het houtachtige biomassa uit Californië kon omzetten, zoals dennen, amandel, okkernoot, en sparrenafval - met hetzelfde efficiëntieniveau als bestaande methoden die worden gebruikt om kruidachtige biomassa om te zetten, zelfs als de invoer een mix is ​​van verschillende houtsoorten.

"Het verwijderen van houtachtige biomassa uit bossen, zoals de overwoekerde dennen van de Sierra, en uit landbouwgebieden zoals de amandelboomgaarden van Central Valley in Californië, we kunnen meerdere problemen tegelijk aanpakken:rampzalige bosbranden in brandgevoelige staten, luchtverontreinigingsgevaren door gecontroleerde verbranding van gewasresten, en onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen, " zei Das, een postdoctoraal onderzoeker bij JBEI en Sandia. "Daarbovenop, we zouden de hoeveelheid koolstof die aan de atmosfeer wordt toegevoegd aanzienlijk verminderen en nieuwe banen creëren in de bio-energie-industrie."

Ethanol wordt al gebruikt als emissiebeperkend additief in conventionele benzine, doorgaans goed voor ongeveer 10% van het gas dat we in onze auto's en vrachtwagens pompen. Sommige speciale voertuigen zijn ontworpen om te werken op brandstof met een hogere ethanolsamenstelling tot wel 83%. In aanvulling, de ethanol die wordt gegenereerd uit plantaardige biomassa kan worden gebruikt als ingrediënt voor het maken van complexere diesel- en vliegtuigbrandstoffen, die ertoe bijdragen de moeilijk te elektrificeren luchtvaart- en vrachtsectoren koolstofarm te maken. Momenteel, de meest voorkomende bron van biogebaseerde ethanol zijn maïskorrels - een zetmeelachtig materiaal dat veel gemakkelijker chemisch afbreekbaar is, maar vereist land, water, en andere middelen om te produceren.

Deze studies geven aan dat houtachtige biomassa efficiënt kan worden afgebroken en omgezet in geavanceerde biobrandstoffen in een geïntegreerd proces dat kostenconcurrerend is met op zetmeel gebaseerde maïs-ethanol. Deze technologieën kunnen ook worden gebruikt om "drop-in" biobrandstoffen te produceren die chemisch identiek zijn aan verbindingen die al aanwezig zijn in benzine en diesel.

De volgende stappen in dit streven zijn het ontwikkelen, ontwerp, en de technologie op proefschaal in te zetten, wat wordt gedefinieerd als een proces dat één ton biomassa per dag omzet. De teams van Berkeley Lab werken samen met Aemetis, een geavanceerd bedrijf voor hernieuwbare brandstoffen en biochemicaliën, gevestigd in de Bay Area, om de technologie te commercialiseren en op grotere schaal te lanceren zodra de proeffase is voltooid.