سوخت زیستی (Biofuel)

سوخت زیستی به نوعی سوخت اشاره دارد که به سرعت از زیست توده تولید می‌شود، در تضاد با فرآیندهای طبیعی طولانی‌مدت که سوخت‌های فسیلی مانند نفت را تشکیل می‌دهند. منابع تولید آن شامل گیاهان و همچنین پسماندهای آلی کشاورزی، خانگی یا صنعتی است. سوخت های زیستی که عمدتاً برای حمل و نقل مورد استفاده قرار می گیرند، در گرمایش و تولید برق نیز کاربرد دارند. به طور کلی، سوخت های زیستی، همراه با انرژی زیستی، در زمره منابع انرژی تجدیدپذیر دسته بندی می شوند. با این حال، پذیرش سوخت زیستی در مورد مناقشه "غذا در مقابل سوخت"، ارزیابی های متنوع از پایداری آن، و سهم آن در جنگل زدایی و کاهش تنوع زیستی مورد بررسی قرار گرفته است.

سوخت زیستی سوختی است که در یک بازه زمانی کوتاه از زیست توده، به جای فرآیندهای طبیعی بسیار آهسته درگیر در تشکیل سوخت‌های فسیلی مانند نفت، تولید می‌شود. سوخت زیستی را می توان از گیاهان یا از زباله های زیستی کشاورزی، خانگی یا صنعتی تولید کرد. سوخت های زیستی بیشتر برای حمل و نقل استفاده می شوند، اما می توانند برای گرمایش و برق نیز استفاده شوند. سوخت های زیستی (و به طور کلی انرژی زیستی) به عنوان یک منبع انرژی تجدید پذیر در نظر گرفته می شوند. استفاده از سوخت زیستی درمورد بحث «غذا در مقابل سوخت»، ارزیابی‌های متنوع از پایداری آن‌ها، و جنگل‌زدایی مداوم و از دست دادن تنوع زیستی در نتیجه تولید سوخت زیستی مورد انتقاد قرار گرفته است.

معمولاً، سوخت‌های زیستی گازهای گلخانه‌ای کمتری در طول احتراق در موتورها آزاد می‌کنند و غالباً به‌عنوان کربن موجود در موتور شناخته می‌شوند. جو توسط محصولات مورد استفاده در تولید آنها. با این وجود، ارزیابی‌های جامع چرخه حیات (LCAs) سوخت‌های زیستی، انتشارات قابل توجهی مرتبط با تغییرات بالقوه کاربری زمین را که برای کشت مواد اولیه سوخت زیستی اضافی لازم است، نشان داده‌اند. نتایج این LCAها برای سوخت‌های زیستی بسیار وابسته به زمینه هستند و تحت تأثیر متغیرهای متعددی مانند نوع مواد اولیه، روش‌های تولید، اختلاف داده‌ها و رویکردهای تحلیلی انتخاب شده قرار دارند. در نتیجه، پیش‌بینی‌های مربوط به تأثیر آب و هوای سوخت‌های زیستی، مشروط به روش‌شناسی و سناریوی خاص تحت بررسی، تنوع قابل‌توجهی را نشان می‌دهند. این نشان می‌دهد که ظرفیت کاهش تغییرات آب‌وهوایی سوخت‌های زیستی به‌طور قابل‌توجهی متفاوت است: سناریوهای خاصی نشان می‌دهند که سطوح انتشار قابل مقایسه با سوخت‌های فسیلی است، در حالی که برخی دیگر نشان می‌دهند که استفاده از سوخت زیستی می‌تواند منجر به انتشار منفی شود.

پیش‌بینی می‌شود که تقاضای سوخت زیستی جهانی بین سال‌های 2022 و 2027 تا سال 2027 به میزان 56 درصد افزایش یابد. 5.4٪ از نیاز جهانی سوخت حمل و نقل، شامل 1٪ از سوخت حمل و نقل هوایی. همچنین پیش‌بینی می‌شود که تقاضا برای سوخت زیستی هوانوردی افزایش یابد. با این حال، سیاست‌های خاصی به دلیل اولویت دادن به حمل‌ونقل زمینی بر حمل‌ونقل هوایی در حمایت از آنها، انتقاداتی را به دنبال داشته است.

دو دسته اصلی سوخت زیستی بیواتانول و بیودیزل هستند. ایالات متحده در تولید بیواتانول پیشرو است، در حالی که اتحادیه اروپا بزرگترین تولید کننده بیودیزل است. در سطح جهانی، محتوای انرژی سالانه حاصل از تولید بیواتانول و بیودیزل به ترتیب به 2.2 EJ و 1.8 EJ می‌رسد.

بیواتانول، یک الکل، عمدتاً از طریق تخمیر کربوهیدرات‌های حاصل از محصولات شکر یا نشاسته، از جمله ذرت، نیشکر یا سورگوم شیرین تولید می‌شود. علاوه بر این، زیست توده سلولزی که از منابع غیرغذایی مانند درختان و علف‌ها به دست می‌آید، به عنوان ماده اولیه برای سنتز اتانول در حال توسعه است. در حالی که اتانول می‌تواند خودروها را در حالت خالص خود (E100) تامین کند، معمولاً به عنوان یک افزودنی بنزین برای افزایش رتبه‌بندی اکتان و کاهش انتشار خودروها استفاده می‌شود.

بیودیزل از روغن‌ها یا چربی‌ها از طریق فرآیند ترانس استری‌سازی سنتز می‌شود. این می تواند به عنوان سوخت وسیله نقلیه به شکل بدون تقلب آن (B100) عمل کند، اما کاربرد رایج آن به عنوان یک افزودنی دیزل برای کاهش ذرات معلق، مونوکسید کربن و انتشار هیدروکربن از موتورهای دیزل است.

اصطلاحات

نام سوخت زیستی شامل تفاسیر مختلفی است. یک تعریف، سوخت های زیستی را به عنوان "محصولات مبتنی بر زیستی، در اشکال جامد، مایع یا گازی" توصیف می کند. آنها از محصولات زراعی یا محصولات طبیعی، مانند چوب، یا بقایای کشاورزی مانند ملاس و باگاس تولید می شوند.

برعکس، سایر آثار علمی، اصطلاح سوخت زیستی را به سوخت مایع به طور خاص محدود می کنند. حمل و نقل.

ششمین گزارش ارزیابی پانل بین دولتی تغییرات آب و هوایی (IPCC) سوخت زیستی را اینگونه تعریف می کند: "سوختی، به طور کلی به شکل مایع، که از زیست توده تولید می شود. سوخت های زیستی شامل اتانول زیستی از نیشکر، چغندرقند یا ذرت، و بیودیزل از کلزا یا سویا." در این چارچوب، زیست توده بیشتر به عنوان "مواد آلی به استثنای موادی که فسیل شده یا در سازندهای زمین شناسی جاسازی شده اند" مشخص می شود. در نتیجه، سوخت‌های فسیلی مانند زغال‌سنگ در این زمینه خاص، زیست توده محسوب نمی‌شوند.

سوخت های زیستی معمولی (نسل اول)

سوخت‌های زیستی نسل اول که به آنها «سوخت‌های زیستی معمولی» نیز گفته می‌شود، از محصولات غذایی کشت‌شده در زمین‌های زراعی مشتق می‌شوند. شکر، نشاسته یا اجزای روغن این محصولات از طریق فرآیندهایی مانند ترانس استریفیکاسیون یا تخمیر مخمر به بیودیزل یا اتانول تبدیل می‌شوند.

سوخت‌های زیستی پیشرفته

برای کاهش معضل «غذا در مقابل سوخت»، سوخت‌های زیستی نسل دوم و نسل سوم، که به عنوان سوخت‌های زیستی پیشرفته، پایدار یا کاهش‌یافته نیز شناخته می‌شوند، از خوراکی‌هایی مشتق می‌شوند که مستقیماً با محصولات غذایی یا خوراک دام رقابت نمی‌کنند و از منابعی مانند محصولات زائد و محصولات انرژی‌زای اختصاصی استفاده می‌کنند. این سوخت های زیستی پیشرفته را می توان از طریق فرآیندهای بیوشیمیایی و ترموشیمیایی، با استفاده از مجموعه متنوعی از مواد اولیه باقیمانده تجدیدپذیر تولید کرد. به عنوان مثال می توان به محصولات جانبی کشاورزی و جنگلداری مانند کاه برنج، پوسته برنج، خرده چوب و خاک اره اشاره کرد.

خوراکی که در تولید سوخت زیستی استفاده می شود یا از زمین های زراعی به عنوان محصولات جانبی محصولات اولیه منشاء می گیرد یا در زمین های حاشیه ای کشت می شود. نمونه‌های اضافی از مواد اولیه نسل دوم شامل کاه، باگاس، علف‌های چند ساله، جاتروفا، روغن‌های نباتی پسماند و زباله‌های جامد شهری است.

انواع

مایع

اتانول

الکل های مشتق شده بیولوژیکی، عمدتاً اتانول، و تا حدی پروپانول و بوتانول، از طریق فعالیت آنزیمی میکروارگانیسم ها سنتز می شوند. این فرآیند شامل تخمیر قندها یا نشاسته‌ها است که تبدیل آن‌ها نسبتاً ساده است، یا سلولز، که چالش‌های بیشتری برای تولید ایجاد می‌کند. در سال 2021، آژانس بین‌المللی انرژی (IEA) تخمین زد که تولید اتانول 20 درصد از ذخایر جهانی شکر و 13 درصد ذرت جهانی را مصرف می‌کند.

سوخت اتانول رایج‌ترین سوخت زیستی در سراسر جهان است، با پذیرش قابل توجهی در برزیل. سوخت های الکلی از طریق تخمیر قندهای به دست آمده از منابع مختلف از جمله گندم، ذرت، چغندر قند، نیشکر، ملاس و هر ماده قندی یا غنی از نشاسته که قادر به تولید نوشیدنی های الکلی مانند سیب زمینی و ضایعات میوه باشد، تولید می شود. روش تولید شامل هضم آنزیمی برای آزادسازی قندها از نشاسته های ذخیره شده و به دنبال آن تخمیر، تقطیر و خشک کردن شکر است. تقطیر، یک مرحله حیاتی، نیاز به انرژی ورودی قابل توجهی برای تولید گرما دارد. در حالی که گرما گاهی با استفاده از گاز طبیعی ناپایدار تولید می شود، زیست توده سلولزی مانند باگاس به عنوان منبع سوخت در برزیل غالب است. در مقابل، اروپا بیشتر از گلوله‌ها، تراشه‌های چوب و گرمای هدر رفته استفاده می‌کند. اتکا به ذرت و سایر محصولات غذایی برای تولید اتانول باعث توسعه اتانول سلولزی شده است. سوخت اتانول را می توان با بنزین ترکیب کرد تا سوختی برای محیط زیست بی خطرتر به دست آورد. با این حال، جایگزین‌های مناسب‌تری برای بنزین، مانند بوتانول، نیز موجود است.

سوخت های زیستی دیگر

متانول در حال حاضر از گاز طبیعی، یک سوخت فسیلی غیر قابل تجدید، سنتز می شود. آرزوهای آینده شامل تولید آن از زیست توده، تولید بیومتانول است. اگرچه از نظر فنی امکان پذیر است، اما تولید در مقیاس بزرگ آن در حال حاضر به دلیل نگرانی های حل نشده در مورد قابلیت اقتصادی به تعویق افتاده است. مفهوم "اقتصاد متانول" جایگزینی برای "اقتصاد هیدروژنی" ارائه می دهد، به ویژه هنگامی که با روش های تولید هیدروژن معاصر که بر گاز طبیعی متکی هستند، در تضاد باشد.

بوتانول (C
§67§H
§1516§OH) از طریق تخمیر ABE (استون، بوتانول، اتانول) سنتز می شود. پالایش‌های تجربی این فرآیند پتانسیل افزایش انرژی خالص قابل‌توجهی را زمانی که بیوبوتانول تنها محصول مایع است، نشان داده است. بیوبوتانول اغلب به عنوان یک جایگزین مستقیم برای بنزین در نظر گرفته می شود که به دلیل محتوای انرژی بالاتر آن در مقایسه با اتانول است. علاوه بر این، ظاهراً مستقیماً در موتورهای بنزینی معمولی بدون نیاز به اصلاح قابل احتراق است، خورندگی کمتر و حلالیت آب کمتری نسبت به اتانول نشان می‌دهد و با زیرساخت‌های توزیع سوخت موجود سازگار است. سویه های خاص اشریشیا کلی نیز با موفقیت مهندسی شده اند تا بوتانول را از طریق تغییراتی در متابولیسم اسید آمینه خود سنتز کنند. محدودیت قابل توجهی در تولید بوتانول با استفاده از E. coliهزینه قابل توجهی است که با محیط های غنی از مواد مغذی مرتبط است. با این وجود، تحقیقات اخیر نشان می دهد که E. coliمی تواند بوتانول را با حداقل مکمل های غذایی تولید کند. اگرچه بیوبوتانول گاهی اوقات به اشتباه به عنوان "بیوگازول" نامگذاری می شود، اما این نامگذاری از نظر شیمیایی نادرست است، زیرا بیوبوتانول یک الکل است و از ترکیب هیدروکربنی بنزین متمایز است.

بیودیزل

بیودیزل نشان دهنده سوخت زیستی غالبی است که در سراسر اروپا استفاده می شود. تولید آن شامل ترانس استری شدن روغن ها یا چربی ها می شود و مایعی با شباهت ترکیبی به گازوئیل فسیلی یا معدنی به دست می آید. از نظر شیمیایی، عمدتاً از استرهای متیل (یا اتیل) اسید چرب (FAME) تشکیل شده است. مواد اولیه مختلف برای تولید بیودیزل شامل چربی های حیوانی، روغن های گیاهی مختلف مانند سویا، کلزا، جاتروفا، ماهوا، خردل، کتان، آفتابگردان، روغن نخل، کنف، شاهی مزرعه، Pongamia pinnata و جلبک می باشد. بیودیزل خالص (B100) که به آن بیودیزل تمیز نیز گفته می شود، در حال حاضر در مقایسه با دیزل معمولی تا 60 درصد کاهش انتشار می یابد. از سال 2020، تلاش های تحقیقاتی بر روی روغن گلرنگ متمرکز شده است. دانشمندان در CSIRO استرالیا پتانسیل آن را به عنوان روان کننده موتور بررسی کرده اند، در حالی که محققان در مرکز سوخت پیشرفته دانشگاه ایالتی مونتانا در ایالات متحده عملکرد آن را در موتورهای دیزلی بزرگ بررسی کرده اند و نتایجی را گزارش کرده اند که به عنوان یک "دستیابی به موفقیت" توصیف می شود.

بیودیزل با هر موتور دیزلی و تجهیزات اصلاح شده در صورت ترکیب با دیزل معدنی سازگار است. همچنین می تواند به شکل خالص آن (B100) در موتورهای دیزلی استفاده شود. با این حال، استفاده از آن در طول ماه های زمستان ممکن است مشکلات تعمیر و نگهداری و عملکرد خاصی را ایجاد کند. این امر به تمایل سوخت به افزایش ویسکوزیته در دماهای پایین‌تر نسبت داده می‌شود، مشخصه‌ای که تحت تأثیر مواد اولیه خاص مورد استفاده قرار می‌گیرد.

سیستم‌های کنترل الکترونیکی «راه‌آهن مشترک» و «انژکتور واحد» که از اواخر دهه 1990 به بعد توسعه یافته‌اند، محدود به استفاده از بیودیزل مخلوط شده با سوخت معمولی هستند. این موتورها دارای سیستم های تزریق چند مرحله ای با اندازه گیری دقیق و اتمیزه شده هستند که حساسیت بالایی به ویسکوزیته سوخت نشان می دهند. برعکس، بسیاری از موتورهای دیزلی معاصر برای کار بر روی B100 بدون نیاز به تغییرات موتور مهندسی شده اند، اگرچه این قابلیت مشروط به طراحی ریل سوخت خاص است. با توجه به کارایی بیودیزل به عنوان یک حلال، که قادر به حل کردن بقایای گازوئیل معدنی است، فیلترهای موتور ممکن است نیاز به تعویض مکرر داشته باشند. این به این دلیل است که سوخت زیستی به طور فعال رسوبات انباشته شده در مخزن سوخت و لوله های مربوطه را حل می کند. علاوه بر این، به طور موثر رسوبات کربن را از محفظه احتراق موتور پاک می کند و در نتیجه به کارایی عملیاتی پایدار کمک می کند.

بیودیزل به عنوان سوخت اکسیژن دار طبقه بندی می شود که با محتوای کربن پایین تر و سطوح بالای هیدروژن و اکسیژن در مقایسه با دیزل فسیلی مشخص می شود. این تفاوت ترکیبی راندمان احتراق بیودیزل را افزایش می دهد و انتشار ذرات ناشی از کربن نسوخته را کاهش می دهد. با این وجود، استفاده از بیودیزل خالص ممکن است منجر به افزایش انتشار NO_x شود. علاوه بر این، بیودیزل به دلیل خواص غیر سمی و زیست تخریب پذیر، مزایای ایمنی در حمل و نقل و حمل و نقل ارائه می دهد. همچنین دارای نقطه اشتعال بالایی در حدود 300 درجه فارنهایت (148 درجه سانتیگراد) است که به طور قابل توجهی بیشتر از سوخت دیزل نفتی است که دارای نقطه اشتعال 125 درجه فارنهایت (52 درجه سانتیگراد) است.

در بسیاری از کشورهای اروپایی، ترکیب 5 درصد بیودیزل به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته و به راحتی در هزاران ایستگاه سوخت قابل دسترسی است. در فرانسه، بیودیزل 8 درصد از سوخت مصرفی تمام خودروهای دیزلی را تشکیل می دهد. گروه Avril که تحت نام تجاری Diester فعالیت می کند، مسئول تولید یک پنجم از 11 میلیون تن بیودیزل مصرفی سالانه در اتحادیه اروپا است. این باعث می شود که آن را به بزرگترین تولید کننده بیودیزل اروپایی تبدیل کند.

دیزل سبز

دیزل سبز را می توان از طریق ترکیبی از روش های بیوشیمیایی و ترموشیمیایی سنتز کرد. به طور سنتی، گازوئیل سبز از طریق هیدروفرآوری مواد اولیه روغن بیولوژیکی، از جمله روغن های گیاهی و چربی های حیوانی تولید می شود. اخیراً، تولید آن شامل دنباله ای از فرآیندهای ترموشیمیایی، مانند تجزیه در اثر حرارت و متعاقب آن هیدروفرآوری است. در مسیر ترموشیمیایی، گاز سنتز حاصل از تبدیل به گاز، نفت زیستی حاصل از تجزیه در اثر حرارت، یا نفت خام زیستی حاصل از روان‌سازی هیدروترمال به دیزل سبز از طریق پردازش هیدرولیکی ارتقا می‌یابد. فرآیند هیدروژنی یک فرآیند شیمیایی است که از هیدروژن برای اصلاح ساختارهای مولکولی استفاده می کند. به عنوان مثال، هیدروکراکینگ، یک تکنیک متداول هیدروفرآوری در پالایشگاه ها، از دماها و فشارهای بالا همراه با یک کاتالیزور برای جدا کردن مولکول های بزرگتر، مانند مولکول های موجود در روغن های گیاهی، به زنجیره های هیدروکربنی کوتاه تر مناسب برای موتورهای دیزلی استفاده می کند. دیزل سبز با چندین نام جایگزین نیز شناخته می شود، از جمله دیزل تجدید پذیر، بیودیزل ریزشی، روغن گیاهی تصفیه شده با هیدروژن (سوخت HVO)، یا دیزل تجدید پذیر مشتق شده از هیدروژن. برخلاف بیودیزل، دیزل سبز دارای خواص شیمیایی یکسانی با گازوئیل مشتق شده از نفت است. در حالی که نیازی به موتورها، خطوط لوله یا زیرساخت های جدید برای توزیع و استفاده ندارد، هزینه تولید آن هنوز به رقابت با نفت دست نیافته است. معادل بنزین نیز در دست توسعه است. تلاش‌های توسعه دیزل سبز در لوئیزیانا و سنگاپور توسط نهادهایی مانند ConocoPhillips، Neste Oil، Valero، Dynamic Fuels، و Honeywell UOP، و همچنین توسط Preem در گوتنبرگ، سوئد، در حال انجام است که منجر به ایجاد Evolution Diesel شد.

روغن گیاهی اصلاح نشده

به طور معمول، روغن نباتی خوراکی اصلاح نشده به عنوان سوخت استفاده نمی شود. با این حال، روغن های درجه پایین برای این کاربرد استفاده شده است. روغن نباتی مصرف شده به تدریج به بیودیزل تبدیل می شود یا در موارد کمتری برای حذف آب و ذرات برای استفاده مستقیم از سوخت تصفیه می شود. آژانس بین‌المللی انرژی (IEA) تخمین زد که تولید بیودیزل 17 درصد از عرضه جهانی روغن نباتی را در سال 2021 مصرف می‌کند.

هیدروژنه شدن روغن‌ها و چربی‌ها، با واکنش آنها با 10 پوند یک الکل با زنجیره کوتاه (معمولاً متانول) در حضور یک کاتالیزور (معمولاً هیدروژنه سدیم دی‌آی‌آی) به دست آمد. محصول حاصل یک هیدروکربن با زنجیره مستقیم است که با تعداد ستان بالا، حداقل محتوای آروماتیک و گوگرد و عدم وجود اکسیژن مشخص می شود. روغن های هیدروژنه به هر نسبت با دیزل معمولی قابل اختلاط هستند. این روغن‌ها مزایای متعددی نسبت به بیودیزل دارند، مانند عملکرد عالی در دمای پایین، عدم وجود مشکلات پایداری ذخیره‌سازی، و مقاومت در برابر تخریب میکروبی.

بیوگازول

بیوگازولین را می توان از طریق مسیرهای بیولوژیکی و ترموشیمیایی سنتز کرد. در یک رویکرد بیولوژیکی، تحقیقاتی به رهبری پروفسور لی سانگ-یوپ در موسسه علوم و فناوری پیشرفته کره (KAIST) که در مجله علمی بین المللی Nature منتشر شد، تولید بیوگازولین را با استفاده از E اصلاح شده نشان داد. coli. این باکتری‌ها که با گلوکز از گیاهان یا سایر محصولات غیر غذایی تامین می‌شوند، از آنزیم‌های خود برای تبدیل قند به اسیدهای چرب استفاده می‌کنند که سپس به هیدروکربن‌هایی تبدیل می‌شوند که از نظر شیمیایی و ساختاری مشابه با سوخت‌های بنزین تجاری هستند. روش‌های ترموشیمیایی برای تولید بیوگازول مشابه روش‌هایی هستند که برای سنتز بیودیزل استفاده می‌شوند. به بیوگازول بنزین قطره‌ای یا بنزین تجدیدپذیر نیز گفته می‌شود.

زیست اترها

زیست اترها، همچنین به عنوان اترهای سوختی یا سوخت های اکسیژن دار شناخته می شوند، ترکیبات اقتصادی هستند که به عنوان تقویت کننده رتبه اکتان عمل می کنند. بیواترها از طریق واکنش ایزو الفین های واکنش پذیر مانند ایزو بوتیلن با بیواتانول سنتز می شوند. این ترکیبات را می توان از گندم یا چغندرقند و همچنین از گلیسرول ضایعات تولید شده در طی تولید بیودیزل به دست آورد. علاوه بر این، آنها عملکرد موتور را بهبود می بخشند در حالی که به طور قابل توجهی سایش موتور و انتشار گازهای سمی اگزوز را کاهش می دهند. کاهش قابل توجه انتشار ازن در سطح زمین به بهبود کیفیت هوا کمک می کند.

شش ماده افزودنی اتر در سوخت های حمل و نقل استفاده می شود: دی متیل اتر (DME)، دی اتیل اتر (DEE)، متیل ترت-بوتیل اتر (MTBE)، اتیل tertترتترت (Tert-Metyl e-Butyl) (TAME)، و ترت-آمیل اتیل اتر (TAEE).

انجمن اکسیژن های سوخت اروپا متیل ترت بوتیل اتر (MTBE) و اتیل ترت بوتیل اتر (ETBE) را به عنوان رایج ترین اترهایی که در سوخت به عنوان جایگزین های سرب استفاده می شود، شناسایی می کند. این اترها در دهه 1970 برای جایگزینی ترکیبات سرب بسیار سمی در اروپا معرفی شدند. در حالی که افزودنی‌های بیواتر همچنان در اروپا مورد استفاده قرار می‌گیرند، قانون سیاست انرژی ایالات متحده در سال 2005، اجبار بنزین فرموله‌شده برای حاوی اکسیژن را حذف کرد و در نتیجه ترکیب MTBE در سوخت را کاهش داد. اگرچه پیش‌بینی می‌شود که زیست اترها جایگزین اترهای مشتق شده از نفت در بریتانیا شوند، چگالی انرژی پایین آنها عملکرد آنها به عنوان سوخت مستقل را بسیار غیرممکن می‌کند.

سوخت زیستی هوانوردی

گاز

بیوگاز و بیومتان

بیوگاز مخلوطی است که عمدتاً از متان و دی اکسید کربن تشکیل شده است که از طریق هضم بی هوازی مواد آلی توسط میکروارگانیسم ها ایجاد می شود. ترکیبات کمیاب این مخلوط شامل بخار آب، سولفید هیدروژن، سیلوکسان ها، هیدروکربن ها، آمونیاک، اکسیژن، مونوکسید کربن و نیتروژن است. تولید آن می‌تواند از مواد زائد زیست تخریب‌پذیر یا از محصولات انرژی‌زای تغذیه‌شده به هاضم‌های بی‌هوازی برای افزایش بازده گاز حاصل شود. محصول جانبی جامد که به نام هضم شناخته می شود، می تواند به عنوان سوخت زیستی یا کود عمل کند. هنگامی که CO₂ و سایر ناخالصی ها از بیوگاز استخراج می شوند، محصول حاصل بیومتان نامیده می شود. علاوه بر این، CO₂ را می توان با هیدروژن در فرآیند متاناسیون برای تولید متان اضافی ترکیب کرد.

بیوگاز را می توان از سیستم های پردازش زباله های تصفیه بیولوژیکی مکانیکی بازیابی کرد. گاز محل دفن، نوع کمتر تصفیه شده بیوگاز، به طور طبیعی در محل های دفن زباله از طریق هضم بی هوازی تولید می شود. اگر در جو منتشر شود، به عنوان یک گاز گلخانه ای عمل می کند.

در سوئد، نیروگاه های "زباله به انرژی" بیوگاز متان را از زباله های جامد شهری می گیرند و از آن برای سیستم های حمل و نقل نیرو استفاده می کنند. کشاورزان همچنین توانایی تولید بیوگاز از کود گاوی را با استفاده از هاضم های بی هوازی دارند.

Syngas

گاز سنتز، ترکیبی از مونوکسید کربن، هیدروژن و هیدروکربن های مختلف، از طریق احتراق جزئی زیست توده تولید می شود. این فرآیند شامل احتراق با مقدار ناکافی اکسیژن برای تبدیل کامل زیست توده به دی اکسید کربن و آب است. قبل از احتراق جزئی، زیست توده تحت خشک شدن و در برخی موارد، تجزیه در اثر حرارت قرار می گیرد. گاز سنتز راندمان بیشتری را در مقایسه با احتراق مستقیم سوخت زیستی اصلی ارائه می‌دهد و امکان استخراج گسترده‌تری از انرژی موجود در سوخت را فراهم می‌کند.

سینگس را می‌توان مستقیماً در موتورهای احتراق داخلی، توربین‌ها یا سلول‌های سوختی با دمای بالا احتراق کرد. یک ژنراتور گاز چوب، که یک راکتور گازسازی با سوخت چوب است، می‌تواند با یک موتور احتراق داخلی ادغام شود.

از سنتز می‌توان برای تولید متانول، دی متیل اتر، و هیدروژن استفاده کرد، یا می‌توان آن را از طریق فرآیند فیشر-تروپش برای تولید یک مخلوط گازوئیل مناسب برای جایگزین کردن الکل استفاده کرد. تبدیل به گاز معمولاً به دمای بیش از 700 درجه سانتیگراد نیاز دارد.

گازسازی در دمای پایین برای تولید مشترک بیوچار سودمند است، اما منجر به گاز سنتز آلوده به قیر می شود.

جامد

اصطلاح "سوخت‌های زیستی" برای سوخت‌های جامد حاصل از زیست توده نیز به کار می‌رود، اگرچه این استفاده کمتر رایج است.

تحقیق در انواع دیگر

سوخت‌های زیستی مبتنی بر جلبک

جلبک ها را می توان در استخرها یا مخازن روی زمین و همچنین در محیط های دریایی کشت کرد. سوخت های جلبکی بازده بالایی دارند، نقطه اشتعال بالایی دارند، می توانند با حداقل تاثیر بر منابع آب شیرین رشد کنند، می توانند با استفاده از آب شور و فاضلاب تولید شوند، و در صورت ریختن، زیست تخریب پذیر و نسبتاً بی خطر برای محیط زیست هستند. با این حال، تولید آن‌ها به انرژی و ورودی‌های کود قابل‌توجهی نیاز دارد، سوخت حاصل سریع‌تر از سایر سوخت‌های زیستی تجزیه می‌شود، و ویژگی‌های جریان ضعیفی را در دماهای سرد نشان می‌دهد.

تا سال ۲۰۱۷، بیشتر ابتکارات با هدف تولید سوخت از جلبک‌ها متوقف شده یا به دلیل کاربردهای اقتصادی جایگزین در نظر گرفته شده است. سوخت های زیستی نسل چهارم شامل سوخت های تولید شده توسط ارگانیسم های مهندسی شده زیستی مانند جلبک ها و سیانوباکتری ها می شود. این موجودات از آب، دی اکسید کربن و انرژی خورشیدی برای سنتز سوخت های زیستی استفاده می کنند. این روش تولید سوخت زیستی در مرحله تحقیق باقی مانده است. پیش‌بینی می‌شود سوخت‌های زیستی ترشح شده توسط ارگانیسم‌های مهندسی شده زیستی در مقایسه با نسل‌های قبلی سوخت‌های زیستی، بازده تبدیل فوتون به سوخت بالاتری را به دست آورند. مزیت قابل توجه این دسته از سوخت های زیستی این است که کشت ارگانیسم های تولید کننده نیازی به استفاده از زمین های زراعی ندارد. با این حال، یک نقطه ضعف قابل توجه هزینه بسیار بالای مربوط به کشت این موجودات تولید کننده سوخت زیستی است.

تحقیقات معاصر بر نقش حیاتی سوخت‌های زیستی نسل سوم و چهارم در دستیابی به یک انتقال انرژی پایدار تأکید می‌کند. این سوخت‌های زیستی پیشرفته، که از مواد اولیه غیرغذایی مانند جلبک‌ها استفاده می‌کنند و فرآیندهای پیچیده‌ای مانند فتوسنتز مصنوعی را ادغام می‌کنند، برای کاهش تغییرات آب و هوایی با کاهش قابل‌توجه رقابت کاربری زمین و نگرانی‌های پایداری ذاتی در نسل‌های قبلی سوخت‌های زیستی حیاتی هستند.

سوخت های الکتریکی و خورشیدی

طبقه‌بندی سوخت‌های الکتریکی و سوخت‌های خورشیدی به عنوان سوخت‌های زیستی مشروط به وجود اجزای بیولوژیکی است. سوخت های الکتریکی با تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی شیمیایی ذخیره شده در پیوندهای مایعات و گازها سنتز می شوند. ترکیبات هدف اصلی شامل بوتانول، بیودیزل و هیدروژن، در کنار سایر الکل ها و گازهای کربنی مانند متان و بوتان است. برعکس، یک سوخت خورشیدی نشان دهنده یک سوخت شیمیایی مصنوعی است که مستقیماً از انرژی خورشیدی مشتق می شود. این فرآیند معمولاً شامل تبدیل نور به انرژی شیمیایی، اغلب از طریق کاهش پروتون به هیدروژن یا دی اکسید کربن به ترکیبات آلی است.

بیوداژستر

هضم زیستی یک سیستم مکانیکی است که اغلب با تأسیسات بهداشتی ادغام می‌شود و از طریق تجزیه و رسوب، زباله‌های انسانی را به بیوگاز، یک سوخت تجدیدپذیر، تبدیل می‌کند. بیوگاز همچنین می تواند از مواد اولیه آلی مختلف از جمله زباله های کشاورزی و فاضلاب تولید شود. مکانیسم اصلی در یک هاضم زیستی، هضم بی هوازی است، یک فرآیند بیوشیمیایی که در آن میکروارگانیسم‌ها مواد آلی را در یک محیط فاقد اکسیژن تجزیه می‌کنند تا بیوگاز تولید کنند. این فرآیند چندین مرحله متمایز را در بر می گیرد: هیدرولیز، اسیدزایی، استوژنز، و متانوژنز.

محدوده تولید و استفاده

در سال 2017، تولید سوخت زیستی جهانی به 81 میلیون تن معادل نفت (Mtoe) رسید که نشان‌دهنده افزایش سالانه تقریبی 3 درصدی از سال 2010 است. در آن سال، ایالات متحده با 37 Mtoe در تولید سوخت زیستی در سرتاسر جهان پیشتاز بود و پس از آن برزیل و سایر کشورهای آمریکای جنوبی با 23 Mtoe و آلمان با سهم 23 Mtoe در رتبه‌های بعدی قرار گرفتند. ارزیابی سال 2017 به این نتیجه رسید که سوخت های زیستی به دلیل ناکافی بودن منابع زمینی جهانی برای کشت زیست توده لازم برای تامین انرژی همه وسایل نقلیه، بعید است سوخت های زیستی به سوخت حمل و نقل اصلی تبدیل شوند. با این وجود، سوخت های زیستی به عنوان یک جزء قابل دوام در یک سبد انرژی متنوع برای آینده انرژی های تجدیدپذیر شناخته می شوند.

در سال 2021، تولید سوخت زیستی جهانی 4.3 درصد از سوخت های حمل و نقل جهان را تشکیل می داد که بخش کوچکی از سوخت زیستی هوانوردی را در بر می گرفت. پیش‌بینی‌ها نشان می‌دهد که تا سال 2027، تولید سوخت زیستی در سراسر جهان 5.4 درصد از سوخت‌های جهانی حمل‌ونقل را تشکیل می‌دهد، که انتظار می‌رود سوخت هواپیما به 1 درصد از این کل برسد.

ایالات متحده، اروپا، برزیل و اندونزی محرک‌های اصلی افزایش مصرف سوخت زیستی هستند. پیش‌بینی می‌شود بین سال‌های 2022 تا 2027 تقاضا برای بیودیزل، دیزل تجدیدپذیر و سوخت بایوجت 44 درصد (معادل 21 میلیارد لیتر) افزایش یابد.

چالش ها و ملاحظات

پیامدهای زیست محیطی

ارزیابی‌های تأثیر آب و هوای منتسب به سوخت‌های زیستی، تنوع قابل‌توجهی را نشان می‌دهند، که تحت تأثیر روش‌های خاص به کار گرفته شده و عوامل زمینه‌ای دقیق تحت بررسی قرار می‌گیرد.

به طور کلی، سوخت‌های زیستی انتشار گازهای گلخانه‌ای کمتری در طول احتراق در موتورها منتشر می‌کنند و اغلب به‌عنوان اتمسفرهایی که قبلاً در اتمسفر کربن استفاده می‌شد، در نظر گرفته می‌شوند. تولید انتشار گازهای گلخانه ای آنها می تواند از منفی خالص 127.1- gCO₂eq در هر MJ زمانی که فناوری های جذب کربن در تولید آنها ادغام می شود، تا بیش از 95 gCO₂eq در هر MJ در سناریوهایی که شامل تغییر کاربری قابل توجهی است، متغیر باشد. تنوع در ارقام انتشار سوخت زیستی از عوامل متعددی از جمله نوع و منبع خوراک، روش‌های تولید سوخت، تعاریف مرزهای سیستم و ورودی‌های انرژی ناشی می‌شود. با این وجود، مقررات دولتی متعددی، مانند قوانینی که توسط اتحادیه اروپا و بریتانیا اجرا می‌شوند، الزام می‌کنند که سوخت‌های زیستی حداقل 65 درصد کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای (یا 70 درصد برای سوخت‌های تجدیدپذیر با منشأ غیربیولوژیکی) در مقایسه با سوخت‌های فسیلی معمولی داشته باشند.

تقاضای فزاینده برای سوخت‌های زیستی زمین و افزایش تقاضا برای سوخت‌های زیستی در سطح جهان ایجاد شده است. بخش قابل توجهی از محصولات سوخت زیستی در زمین های کشاورزی به طور بالقوه مناسب برای تولید مواد غذایی کشت می شود. این تخصیص مجدد منابع زمین می تواند پیامدهای نامطلوب مختلفی را ایجاد کند:

• رقابت با محصولات غذایی: کشت سوخت زیستی، به ویژه در مناطق ناامن غذایی، می تواند قیمت مواد غذایی را افزایش دهد و زمین های قابل دسترس برای کشت محصولات غذایی حیاتی را کاهش دهد. چنین اقداماتی ممکن است ناامنی غذایی جهانی را به ویژه در کشورهای در حال توسعه تشدید کند.
  • جنگل زدایی و از بین رفتن زیستگاه: افزایش تقاضا برای سوخت های زیستی، تبدیل مناطق وسیع جنگلی و زیستگاه طبیعی به زمین های کشاورزی را ضروری می کند. این جنگل زدایی به کاهش تنوع زیستی کمک می کند، گونه های حیات وحش را به خطر می اندازد، و سیستم های اکولوژیکی را بی ثبات می کند.

کاهش تنوع زیستی

تکثیر تولید سوخت زیستی، به‌ویژه از طریق شیوه‌های کشاورزی تک‌فرهنگی (کشت یک محصول واحد در مناطق وسیع)، خطری اساسی برای تنوع زیستی ایجاد می‌کند. کشت گسترده محصولات سوخت زیستی ممکن است منجر به موارد زیر شود:

• تخریب زیستگاه: تبدیل اکوسیستم‌های طبیعی به مناطق کشاورزی می‌تواند باعث از بین رفتن زیستگاه‌های گونه‌های گیاهی و جانوری متعدد و در نتیجه کاهش تنوع زیستی شود.
• تخریب خاک: روش‌های کشاورزی تک‌فرهنگی می‌تواند مواد مغذی خاک را تخلیه کند، حاصلخیزی خاک را مختل کند و وابستگی به نهاده‌های شیمیایی مانند کودها و آفت‌کش‌ها را افزایش دهد، که می‌تواند بر اکوسیستم‌های مجاور تأثیر منفی بگذارد.
  • باروری خاک: کشت مداوم محصولات سوخت زیستی، فقدان تناوب زراعی مناسب یا تکنیک های کشاورزی پایدار، می تواند منجر به تخلیه مواد مغذی خاک شود. متعاقباً، خاک ممکن است از دست دادن مواد مغذی ضروری را تجربه کند، که باعث می شود برای استفاده کشاورزی کمتر مفید باشد.

تحلیل‌های چرخه حیات سوخت‌های زیستی نسل اول، انتشار قابل توجهی را نشان می‌دهد که با تغییرات بالقوه کاربری زمین که برای تولید مواد اولیه سوخت زیستی تکمیلی ضروری است، مرتبط است. در سناریوهایی که از تغییر کاربری زمین اجتناب می‌شود، سوخت‌های زیستی نسل اول معمولاً انتشار کمتری نسبت به سوخت‌های فسیلی نشان می‌دهند. با این وجود، تولید سوخت زیستی می تواند رقابتی را با کشت محصولات غذایی ایجاد کند. در ایالات متحده، 40٪ از تولید ذرت به تولید اتانول اختصاص می یابد، در حالی که در سطح جهان، 10٪ از کل غلات به سوخت زیستی تبدیل می شود. نصف کردن غلات مورد استفاده برای سوخت های زیستی در ایالات متحده و اروپا معادل کل صادرات غلات اوکراین خواهد بود. تحقیقات متعدد نشان داده‌اند که کاهش انتشار سوخت‌های زیستی اغلب به قیمت سایر پیامدهای زیست‌محیطی، از جمله اسیدی‌شدن، اتروفیکاسیون، افزایش ردپای آب و کاهش تنوع زیستی است.

سوخت‌های زیستی نسل دوم عموماً برای افزایش پایداری زیست‌محیطی در نظر گرفته می‌شوند، زیرا آنها به جای استفاده از اجزای غیرخوراکی گیاهان برای تولیدشان، از اجزای غیرخوراکی گیاهان استفاده می‌کنند. با این حال، استقرار سوخت‌های زیستی نسل دوم تقاضا برای زیست توده لیگنوسلولزی را تشدید می‌کند و در نتیجه هزینه‌های تولید آن‌ها را افزایش می‌دهد.

از لحاظ نظری، سوخت‌های زیستی نسل سوم که از جلبک‌ها مشتق می‌شوند، تأثیرات زیست‌محیطی کمتری نسبت به نسل اول یا دوم خود و عدم استفاده اولیه از زمین‌ها کاهش می‌دهند. الزامات در طول کشت با این حال، داده‌های تجربی نشان می‌دهند که هزینه‌های زیست‌محیطی مرتبط با توسعه زیرساخت‌ها و انرژی لازم برای تولید سوخت زیستی نسل سوم از مزایای زیست‌محیطی به‌دست‌آمده از استفاده از آن‌ها فراتر می‌رود.

کمیسیون اروپا رسماً سیاستی را برای حذف تدریجی سوخت‌های زیستی مشتق شده از روغن نخل تا سال ۲۰۳۰ تأیید کرده است. مسائل اجتماعی، مانند جنگل زدایی و آلودگی.

تولید سوخت زیستی می تواند بسیار انرژی بر باشد. اگر این انرژی از منابع تجدید ناپذیر تامین شود، می تواند مزایای زیست محیطی مرتبط با مصرف سوخت زیستی را به طور قابل ملاحظه ای کاهش دهد. یکی از راه‌حل‌های پیشنهادی شامل تامین انرژی هسته‌ای مازاد نیروگاه‌های تولید سوخت زیستی است که در نتیجه قدرتی را که به‌طور سنتی از سوخت‌های فسیلی به دست می‌آید، افزایش می‌دهد. چنین رویکردی می‌تواند راه‌حلی با کربن کم ارائه دهد که به کاهش ردپای زیست‌محیطی تولید سوخت زیستی کمک می‌کند.

اثرات غیر مستقیم سوخت های زیستی بر تغییر کاربری زمین

مراجع

مراجع

منابع

• Avril Group، ویرایش. (2015). بهار جدید برای بخش های روغن و پروتئین: گزارش فعالیت 2014 (PDF) (گزارش). پاریس: آوریل. ص 65. بایگانی شده از (PDF) اصلی در 26 اکتبر 2020. بازیابی شده 11 اوت 2022.EurObserv (ژوئیه 2014). فشارسنج سوخت زیستی (PDF) (گزارش).
  • مجله سوخت های زیستی
  • به سوی تولید و استفاده پایدار از منابع: ارزیابی سوخت های زیستی توسط برنامه محیط زیست سازمان ملل متحد، اکتبر 2009.
  • راهنمای کسب‌وکارها در مورد سوخت‌های زیستی، شامل مجوزها و مجوزهای لازم.
  • یک مطالعه اخیر در مورد بررسی مصرف آب در تولید برق نشان می دهد که گاز طبیعی به کمترین آب برای تولید انرژی نیاز دارد، در حالی که برخی از سوخت های زیستی بیشترین نیاز را دارند.
  • کنفرانس بین‌المللی استانداردهای سوخت‌های زیستی: استانداردسازی سوخت‌های زیستی اتحادیه اروپا.
  • مروری جامع از MIT در مورد سوخت های زیستی حاصل از زیست توده، با توجه به ملاحظات فنی و سیاستی.
  • برنامه شهرهای پاک DOE ایالات متحده، که شامل 87 ائتلاف شهرهای پاک ایالات متحده از سال 2004 بود.
  • برنامه شهرهای پاک DOE ایالات متحده - از سال 2004 به 87 ائتلاف شهرهای پاک ایالات متحده پیوند دارد.
  • برگه ای در مورد سوخت های زیستی تولید شده توسط مرکز سیستم های پایدار دانشگاه میشیگان.
  • سوخت های زیستی را بیاموزید – منبع آموزشی برای دانش آموزان