Cu ce înlocuim motorina şi benzina? Biocombustibilii viitorului

După 2028 există incertitudini privind suficienţa petrolului în lume, iar după 2050 "există o incertitudine substanţială cu privire la nivelurile viitoarelor oferte şi cererii de combustibili lichizi", potrivit EIA (https://asociatiaenergiainteligenta.ro/biocombustibilii-solutie-pentru-decarbonizare-sau-pentru-securitate-energetica/ ). Această situaţie impune măsuri rapide în activitatea de mobilitate, între care dezvoltarea unor noi tipuri de biocombustibili.

În timp ce clasificarea tehnologiilor de biocombustibil variază în literatura de specialitate, produsele pot fi, în general, clasificate ca de la prima până la a patra generaţie, în funcţie de tipul de materie primă şi de procesul de conversie care a fost aplicat.

Biocarburanţi de prima generaţie

Biocarburanţii din prima generaţie sunt împărţiţi în principal în bioetanol şi biodiesel. Producţia de bioetanol de prima generaţie se bazează pe fermentarea microbiană a materiilor prime comestibile, bogate în amidon şi zaharoză, cum ar fi grâul, porumbul şi trestia de zahăr. Producţia de bioetanol nu se limitează la biocarburanţii de prima generaţie; în funcţie de materia primă şi tulpina de producţie, bioetanolul poate fi, de asemenea, clasificat ca a doua şi a treia generaţie. Biodieselul este obţinut în principal din ulei de rapiţă, soia sau palmier de calitate alimentară. Deşi producţia de biobutanol este posibilă şi prin fermentarea zahărului din trestie de zahăr, porumb, grâu şi alte culturi alimentare, aceasta este limitată de productivitate şi randamente mai scăzute şi costuri ridicate.

În timpul crizei mondiale a cererii de alimente din 2007/2008, culturile folosite pentru biocombustibil au devenit mai importante pentru a fi folosite ca hrană, dând naştere dezbaterii "aliment versus combustibil" care persistă până în prezent. În plus, o cerere crescută de culturi (de exemplu, porumb) pentru producţia de combustibil a produs un preţ de piaţă crescut pentru aceste alimente. Modelele prevăd că ar fi necesare suprafeţe agricole masive pentru producţia de combustibil şi încă ar putea furniza doar cantităţi limitate de combustibil în comparaţie cu cererea totală. Se estimează că suprafaţa de teren arabil disponibilă la nivel global ar fi necesară de peste două ori pentru a satisface cererea de biomotorină a pieţei globale atunci când este produs din ulei de rapiţă. În plus, valorile de piaţă crescute ale uleiului de palmier şi ale altor culturi de biocombustibili au determinat defrişarea extinsă a pădurilor tropicale tropicale pentru plantaţiile de culturi de biocombustibili, care eliberează mai mult CO2 decât emisiile economisite de aceşti biocombustibili.

Biocombustibili de a doua generaţie

Ca urmare a problemelor primei generaţii, au fost dezvoltaţi biocombustibili de a doua generaţie, utilizând biomasă lignocelulozică din reziduuri agricole şi forestiere, precum şi alte fluxuri de deşeuri (de exemplu, din industria alimentară, cum ar fi tărâţe de grâu, grăsimi animale sau deşeuri de gătit şi ulei de prăjit). Alte plante nealimentare, cum ar fi arbustul sau copacul rezistent la secetă, Jatropha curcas, care poate fi cultivat şi în deşerturi, ar putea fi totuşi o altă sursă promiţătoare pentru biocombustibili de a doua generaţie. Prin urmare, biocombustibilii de a doua generaţie eludează nevoia de schimbare a utilizării terenurilor agricole şi nu concurează cu resursele alimentare. Cu toate acestea, deseori, fluxurile de deşeuri din a doua generaţie reprezintă materii prime mai complexe decât trestia de zahăr sau uleiul de palmier, conţinând potenţial compuşi capabili să reducă eficienţa fermentaţiei, cum ar fi lignina. Prin urmare, aplicarea unor etape suplimentare de tratare sunt frecvente, crescând timpul şi costurile procesului.

În cea mai mare parte, biocombustibilii din prima şi în marea majoritate a celei de-a doua generaţii sunt produşi comercial.

Alături de producătorii de etanol, producţia de biodiesel de a doua generaţie este posibilă din lipidele microbiene produse de organisme, cum ar fi o drojdie capabilă să producă până la 90% (g/g) lipide per biomasă într-un proces de fermentaţie, care poate fi crescut pe fluxuri de reziduuri (de exemplu, mediu hidrolizat de tărâţe de grâu). Biodieselul de a doua generaţie poate fi, de asemenea, obţinut din uleiuri uzate prin cracare catalitică şi hidrogenare. Dezavantajele acestui proces includ conversia incompletă şi formarea de cocs, care duce la dezactivarea catalizatorului.

Mai mult de jumătate din carbonul stocat biologic este legat de biomasa marine, în special de macroalge şi iarbă de mare. Materialul de iarbă de mare detaşată este spălat sezonier pe plaje şi linii de ţărm; din cauza degradării biologice scăzute şi a consumului de ierbivore, un exces din acesta se acumulează ca deşeuri. Sunt date estimări de până la 40 de milioane de tone de biomasă uscată de iarbă de mare, care poate fi utilizată pentru producţia de biocombustibili. Prin hidroliză enzimatică, conţinutul de carbohidraţi al ierbii marine poate fi utilizat într-un mediu de fermentaţie pentru microorganisme, oferind în plus un conţinut scăzut de azot şi fosfor, care este de obicei necesar pentru producţia de lipide.

În ciuda capacităţii extrem de favorabile de a valorifica fluxurile de deşeuri, biocombustibilii de a doua generaţie nu vor fi suficienţi pentru a furniza energie pentru cererea actuală la nivel mondial. La fel ca în cazul culturilor alimentare cu biocombustibili de prima generaţie, biomasa utilizată în aceste procese este disponibilă în cantităţi limitate. Prin urmare, biocarburanţii de a doua generaţie trebuie combinaţi cu alte tehnologii pentru a asigura o furnizare suficientă de combustibili. Acest lucru a determinat cercetări privind biocombustibilii de a treia generaţie. Cu toate acestea, estimările ştiinţifice prevăd că biocombustibilii de a doua generaţie ar putea furniza până la 30% din energia de transport a lumii.

Biocombustibili de a treia generaţie

Biocombustibilii de a treia generaţie sunt derivaţi în principal din biomasa de microalge şi cianobacterie, care pot fi folosite pentru a genera în mod natural alcooli şi lipide care să se transforme în biodiesel sau în orice alt produs combustibil cu energie ridicată. Algele prezintă rate de fotosinteză de 2 până la 4 ori mai mari decât plantele terestre, rezultând o formare mai rapidă a biomasei. Algele nu necesită teren arabil sau apă dulce pentru cultivare. Multe culturi pot fi cultivate folosind apă uzată, apă sărată sau sărată, ceea ce este eficient din punct de vedere al costurilor şi eludează concurenţa cu activitatea agricolă. Cel mai important, cultivarea eficientă a algelor necesită o aprovizionare directă cu CO2, care poate fi derivată din emiţători industriali sau prin captarea carbonului în atmosferă. În sistemele convenţionale de cultivare, aproximativ 70% din CO2 furnizat este utilizat pentru fotosinteză şi, prin urmare, pentru producerea de biomasă. Prin urmare, biocombustibilii din alge ar putea avea o amprentă negativă de carbon, deoarece leagă direct GES în biomasa lor. Unul dintre cele mai proeminente procese de a treia generaţie este producerea de biodiesel sau alţi biocombustibili cu densitate energetică, cum ar fi biokerosenul, folosind microalge oleaginoase.

Una dintre cele mai critice şi versatile operaţiuni din punct de vedere economic în producţia de biocombustibil al algelor este cultivarea algelor. Bioreactoarele cu alge sunt independente de locaţie şi climă, prin urmare pot fi operate aproape indiferent de aceşti factori. Pentru preţ scăzut, produse de volum mare, cum ar fi biocombustibilii, algele sunt cultivate în mod obişnuit în iazuri deschise. Reactoarele cu iaz deschis sunt semnificativ mai ieftine în construcţia şi funcţionarea lor, dar au dezavantaje precum pierderea mare de apă prin evaporare şi lipsa controlului temperaturii, ceea ce scade productivitatea biomasei. Alternativa, preferată pentru produse cu preţuri mari, cu volum redus, cum ar fi ingredientele cosmetice, este un fotobioreactor închis, unde parametrii procesului pot fi controlaţi cu precizie, ceea ce duce adesea la o productivitate mai mare. Aceste bioreactoare permit, de asemenea, un mod de cultivare tridimensional, crescând semnificativ productivitatea pe zonă. Spre deosebire de biocombustibilii de a doua generaţie, procesele de a treia generaţie au nevoie de teren agricol. În plus, producţia de ulei pe bază de alge este probabil mai mare decât cea din plantele superioare, deoarece lipidele se acumulează în principal în anumite părţi ale plantei (de exemplu, în seminţele de rapiţă), în timp ce în alge, fiecare celulă poate conţine o cantitate mare de lipide, ceea ce face procesul mult mai eficient. Un obstacol în producţie este recoltarea, deoarece dimensiunea şi densitatea scăzută a celulelor microalgelor combinate cu sensibilitatea celulelor la modificările pH-ului o fac dificilă. În plus, procesarea în aval pentru biocombustibili de alge este de obicei consumatoare mai mare de energie decât alte producţii de biocombustibili.

Biocombustibili de a patra generaţie

Cea mai recentă generaţie de biocarburanţi, denumită a patra generaţie de biocombustibili, cuprinde utilizarea ingineriei genetice pentru a creşte trăsăturile dorite ale organismelor utilizate în producţia de biocombustibili. Acest lucru se aplică unei varietăţi de trăsături de la utilizarea mai multor tipuri de zaharuri (de exemplu, pentoze şi hexoze), până la o sinteză mai mare a lipidelor sau creşterea fotosintezei şi fixarea carbonului. Din păcate, pentru majoritatea producătorilor nativi de biocombustibili, instrumentele de inginerie genetică sunt mult mai limitate.

În prezent, s-au adoptat două abordări diferite: ingineria căilor la producătorii nativi (optimizarea ratelor de creştere, utilizarea diferitelor surse de carbon, direcţionarea fluxului metabolic către producţia de biocombustibili cu producţii crescute) şi reconstrucţia căilor identificate la producătorii naturali într-un mod mai accesibil genetic. O mare varietate de microorganisme pot fi utilizate ca gazde heterologe pentru producerea de biocombustibili, inclusiv bacterii, drojdii şi alge. Versatilitatea lor metabolică permite utilizarea diferitelor substraturi pentru a produce o gamă largă de biocombustibili. Pentru a permite acumularea crescută de biocombustibili, răspunsul la stres celular poate fi modificat prin inginerie genetică, de exemplu, cu modificări ale membranei celulare.

Cu instrumente de inginerie genetică, cantitatea şi calitatea biocombustibililor pot fi controlate şi crescute, dar vor avea nevoie de acceptare şi sprijin politic pentru a fi adoptate pe scară largă. Există o dezbatere controversată în jurul ingineriei genetice în agricultură şi medicină, în special în Europa; prin urmare, pot fi anticipate preocupări similare cu privire la utilizarea în producţia de biocombustibili. Un studiu european a ajuns la concluzia că algele modificate genetic pentru producţia de biocombustibili ar fi acceptate de majoritatea consumatorilor, atunci când siguranţa sistemelor poate fi garantată. Cu toate acestea, cu metode adecvate de izolare şi locaţii atent selectate, astfel de riscuri ar putea fi drastic reduse la minimum. Prin urmare, sunt de aşteptat să fie construite sisteme de producţie închise cu standarde de securitate înalte.

O nouă abordare, mai experimentală, care probabil va genera biocarburanţii de a cincea generaţie este producţia de electrobiocarburanţi. Acestea se bazează pe abordarea de a stabili sisteme hibride noi pentru natură, care sunt capabile să utilizeze electricitate regenerabilă şi surse de carbon direct pentru producerea de produse chimice de bază şi biocombustibili, permiţând astfel conversia energiei solare în combustibil lichid stocabil. Un astfel de proces ar putea combina eficienţa fotonică mai mare a sistemelor fotovoltaice moderne (comparativ cu fotosinteza) cu sustenabilitatea producţiei de biocombustibil, crescând eficienţa globală a procesului.