Hoe Cellulosic Ethanol Werkt

{h1}

Cellulose-ethanol zou ons een nieuwe, groene energiebron kunnen bieden. Kom alles te weten over cellulose-ethanol bij WordsSideKick.com.

De Verenigde Staten gebruikten in 2007 gemiddeld 20,7 miljoen vaten aardolie dagelijks, meer dan enig ander land, en meer dan de helft daarvan werd geïmporteerd [bronnen: EIA, EIA]. Het land hoopt dat scenario te veranderen en het Amerikaanse energiebeleid stuurt een duidelijke boodschap: minder aardolie importeren en meer hernieuwbare brandstoffen gebruiken. De nieuwste wet achter de boodschap, de Energy Independence and Security Act van 2007, vereist dat het land tegen 2020 36 miljard gallons van zijn jaarlijks gebruik van aardolie vervangt door hernieuwbare brandstof [bron: RFA].

Maïs ethanol en cellulose-ethanol behoren tot de brandstoffen die het verschil uitmaken. We kennen maïs-ethanol. Wat is het nieuwe spul? Het is alcohol gemaakt van stevige plantstelen, bladeren en stammen in plaats van soepel zetmeel. Tot nu toe kunnen raffinaderijen over de hele wereld dit alleen op een demonstratieschaal produceren. Het is ingewikkelder om te maken dan maïs-ethanol. Als het nu aan de pomp zou worden verkocht, zou het duurder zijn dan zowel maïsethanol als benzine.

De Amerikaanse overheid heeft geïnvesteerd in cellulosisch ethanolonderzoek en raffinaderijen, waaronder $ 1,3 miljard voor het Department of Energy om in 2009 uit te geven [bron: Waltz (2009)]. De financiering heeft commerciële installaties opgeleverd, die al in 2010 in de Verenigde Staten zouden kunnen worden geopend.

Rijden op cellulose-ethanol in tegenstelling tot pure benzine heeft voordelen voor het milieu en kan uiteindelijk goedkoper zijn dan andere vloeibare brandstoffen, afhankelijk van de prijs van maïs en olie.

Lees verder om te leren wat deze nieuwe brandstof te bieden heeft.

Hoe Cellulosic Ethanol werkt: ethanol

Cellulose versus zetmeel Ethanol

Je kunt ethanol maken van veel plantensuikers. Cellulose en zetmeel zijn slechts twee voorbeelden. Waar je ook mee begint, het ethanolproductieproces neemt polysacchariden, of complexe suikers, uit de plant, verbreekt ze in enkele suikers en zet ze om in ethanol.

De verschillen tussen zetmeel en cellulose-ethanol beginnen bij de planten. In de Verenigde Staten wordt zetmeel-ethanol gemaakt van maïskorrels. Cellulosische ethanol begint echter met cellulose, het meest voorkomende koolstofhoudende materiaal op aarde, en hemicellulose. Planten maken elk jaar 100 miljard ton (91 miljard metrieke ton) cellulose [bron: Campbell].

Zetmeel is hoe planten energie opslaan, dus het is gemakkelijk af te breken. Enzymen in de hele wereld, zoals alfa-amylase in onze mond, kunnen zetmeel binnenbreken glucose.

Cellulose en hemicellulose lijken op plantenpantser. Binnen de celwanden zitten ze in de knoop met een derde moeilijk materiaal, lignine, waardoor planten houtachtig worden.

Als zetmeel in je mond smelt en celwanden weerstand bieden tegen afbraak, dan is het logisch dat zetmeel gemakkelijker in ethanol kan worden omgezet. Bij het starten met zetmeel vermalen raffinaderijen maïskorrels en voegen ze gewoon toe amylase enzymen, die het zetmeel in glucose breken. Gist zet vervolgens de glucose om in ethanol.

Wanneer wordt begonnen met cellulose-biomassa, is de productie van ethanol langzamer en gecompliceerder. Het malen van de planten is nog maar het begin. Raffinaderijen voegen zuur toe om hemicellulose te ontglippen, cellulose en lignine - lignine zit in de weg, omdat het niet fermenteerbaar is. Vervolgens breekt zuur hemicellulose af in vier-componenten suikers. Dan is cellulose bevrijd, maar enzymen moeten het in glucose breken. Nu zitten raffinaderijen vast met vijf suikers om ze om te zetten in ethanol. Glucose is gemakkelijk, maar de anderen niet. Microben die van nature gisten, alle vijf de suikers verdragen slecht bioreactoren, dus raffinaderijen hebben gemanipuleerde microben of een microbe potpourri nodig. Toxine-opbouw, onvolledige omzettingen en langzame enzymen compliceren het proces en verlagen de ethanolopbrengst.

Een ander voordeel van maïs is de voorspelbare hoeveelheid zetmeel, terwijl de inhoud van cellulose en hemicellulose varieert door de plant [bron: Waltz (2008)]. Aan de andere kant bungelt cellulose-ethanol een aantal milieuwinst. Het kan afval, niet voedsel, veranderen in ethanol. Wanneer gewassen zoals switchgrass worden verbouwd voor cellulose, gebruiken ze minder kunstmest en water dan maïs [bron: NREL]. Als onderzoekers kunnen leren om de suikers in cellulose biomassa volledig vrij te maken en te fermenteren, zal het meer ethanol per volume plant maken dan maïskorrels [bron: Aden].

Lees verder om te leren hoe boomstammen brandstof worden.

Bijna online

Bedrijven bouwen commerciële cellulosische ethanolfabriekjes in de Verenigde Staten. In Iowa is POET van plan ethanol biochemisch te maken van maïskolven. Het Spaanse Abengoa is van plan om in Kansas tarwe- en maïsstelen biochemisch om te zetten. In Georgië plant Range Fuels thermochemisch houtsnippers om in ethanol en methanol. En BlueFire wil profiteren van het recyclingsysteem van Zuid-Californië en de eindeloze zomer door ethanol te maken van gemaaid gras en gemeentelijk gazonafval [bron: Aden].

Cellulose-ethanol maken

Productie van cellulose-ethanol van start tot finish

Productie van cellulose-ethanol van start tot finish

Cellulosische ethanol begint met cellulosische biomassa. Bijna elke stengel, blad en boomstam in de wereld komt in aanmerking, van boerderijafval tot gemaaid gras en gerecyclede krant [bron: BlueFire]. Boeren kunnen ook groeien Energiegewassen voor cellulosemassa's, inclusief switchgrass, en enkele bomen. Ze worden energiegewassen genoemd omdat ze dicht in een klein gebied groeien en niet veel anders nodig hebben.

De eerste stap in de productie is het transporteren van de planten naar de raffinaderij. De raffinaderij zou dan ook ethanol maken biochemisch of thermochemisch.

We zullen eerst de biochemische methode uitleggen. Laten we zeggen dat we in maisland in het Midwesten van de Verenigde Staten zijn. Na de oogst bundelen boeren droge maïsstengels en maïskolven in het veld en transporteren ze naar een nabijgelegen raffinaderij. Het puin wordt vermalen tot stukjes.

De bits gaan naar voorbehandeling, waar ze steil in heet zwavelzuur. Mobiele muren en inhoud lossen op. Het zuur duwt lignine uit de weg om hemicellulose te bevrijden, en ontbindt vervolgens hemicellulose in zijn vier suikers: xylose, mannose, arabinose en galactose. Cellulose is nu bevrijd.

Wetenschappers noemen de volgende stap cellulose hydrolyse. Hier wordt het zuur weggespoeld en gaat het mengsel naar tanks met enzymen die cellulasen worden genoemd, die cellulose in glucose veranderen.

Nu hebben we een soep van suikers: glucose, plus de vier suikers van hemicellulose. Hun concentraties en de microben die in de volgende tank worden gebruikt fermentatie, afhankelijk van de plantensoort waarmee je bent begonnen.

De volgende komt scheiding. Stillage - alles wat geen alcohol is - bezinkt naar de bodem van een tank en wordt verzonden voor verwerking en hergebruik. De alcohol blijft bovenaan en gaat naar distilleren, die het zuivert tot brandstofkwaliteit [bron: DOE].

Het maken van cellulose-ethanol thermochemisch levert voordelen op. De thermochemische methode zet lignine om en haalt de meeste ethanol uit hout of een andere plant [bron: NREL]. Thermochemische omzetting heeft ook nadelen, waaronder dure katalysatoren en teerveramenstelling die moet worden gereinigd.

Terwijl raffinaderijen de thermochemische stappen anders bestellen, beginnen ze met het drogen van de planten. Vervolgens worden de planten verbrand in een synthesegas, of "syngas", gemaakt van koolmonoxide (CO) en waterstof (H.2). Omdat vergassing ook teer en zwavel vormt, die interfereren met het maken van ethanol, gaan de gassen naar a teer hervormer, die deze obstakels chemisch omzet in meer syngas. Het gas wordt opnieuw schoongemaakt om dichter bij zuiver CO en H te komen2, dan gecomprimeerd en over een metalen katalysator lopen. De katalysator bouwt de gassen weer op in moleculen naar keuze: ethanol of koolwaterstoffen die vergelijkbaar zijn met benzine. Scheidingen verwijderen de ethanol [bron: NREL].

Voor beide methoden wordt de ethanol naar speciale stations getransporteerd om te mengen met benzine, waarna ze aankomen bij benzinestations.

Cellulosische ethanolemissies

Doe je het milieu een plezier door te rijden op cellulose-ethanol in plaats van maïsethanol of benzine? Het is een veel voorkomende vraag zonder gemakkelijk antwoord. Wetenschappers zijn nog steeds bezig met het dimensioneren van de milieukosten en voordelen van cellulose-ethanol. Bij het vergelijken van brandstoffen beschouwen ze effecten als het "leven" van een brandstof. Voor benzine omvat die levenscyclus het ontginnen van olie, leidingen of het transporteren ervan naar de raffinaderij, het maken van benzine, het naar benzinestations leiden en uiteindelijk worden uitgestoten door auto's. Voor celluloseachtige ethanol is de levenscyclus vergelijkbaar, maar begint met het kweken van de planten.

Wetenschappers gebruiken modellen om de impact van een brandstof op te tellen over zijn levensduur. Maar cellulose-ethanol is moeilijk te modelleren omdat tot nu toe niemand cellulosemassa's in grote hoeveelheden oogst of commercieel cellulose-ethanol produceert.

We moeten ook beslissen wat het "beste" ding voor het milieu en voor ons is. Willen we broeikasgas, waterverontreiniging of kankerverwekkende stoffen in de uitlaatgassen van auto's tot een minimum beperken? De beste brandstof verandert met de vraag.

Wat antwoorden betreft, dit is wat de modellen zeggen. Van boerderij tot auto, cellulose-ethanol releases minder broeikasgassen dan benzine (86 procent minder) en maïs ethanol (52 procent minder dan benzine) [bron: Wang]. Voor broeikasgassen hebben we het over koolstofdioxide, methaan en stikstofoxide. De cijfers gaan ervan uit dat ethanolraffinaderijen op milieuvriendelijke houtsnippers draaien en dat olieraffinaderijen op steenkool werken.

Studies hebben de emissies vergeleken van auto's die op ethanol en benzine rijden. Maar een ding om te realiseren is dat in de Verenigde Staten niemand op 100 procent ethanol rijdt (tenzij je in de Indy 500 racet). Amerikaanse regelgeving vereist dat brandstofalcoholen ondrinkbaar zijn en worden verdund tot 95,5 procent. Aangezien motoren niet goed beginnen in de kou op 95,5 procent ethanol, is het hoogste percentage ethanolbrandstof dat in de Verenigde Staten wordt verkocht E85, dat is 85 procent ethanol en 15 procent benzine [bron: Aden]. (Maar auto's rijden op E95 in het zonnige Brazilië.)

E85 is geen heilige brandstof. Door het te verbranden komen gifstoffen en verontreinigende stoffen vrij, net zoals benzine of diesel. De twee auto-emissies om te bekijken zijn doordringing emissies - brandstof drenken door de leidingen en slangen van een auto - en uitlaatemissies. Permeatie-emissies zijn het slechtst in auto's die op laag ethanolmengsels rijden, variërend van 6 tot 20 procent. Ze zijn beter voor pure benzine en het beste voor E85 [bron: CRC]. Je auto doet er ook toe. Auto's gemaakt in 2000 zijn slechter dan die gemaakt sinds 2004, en je zult geen problemen hebben in auto's gebrandmerkt "PZEV", of gedeeltelijke nul-emissie voertuigen.

Ethanolpijpleidingen

Het Amerikaanse ministerie van Energie onderzoekt of ethanol kan worden gedistribueerd via bestaande benzineleidingen in de Verenigde Staten. Dit zou goedkoper zijn dan het bouwen van nieuwe pijpleidingen, maar ethanol kan de oude benzineleidingen aantasten [bron: DOE]. Tot die tijd is het duur om ethanol te verdelen buiten het Midwesten, waar veel van het wordt gemaakt.

Voordelen van cellulose-ethanol

Voor de gezondheid van de gemiddelde stadsbewoner verlenen E85-emissies een gemengde zegening, niet noodzakelijk een absoluut voordeel. Ze bevatten minder koolmonoxide dan benzine, wat hartaandoeningen kan verergeren. Ze snijden ook stikstofoxiden, die beruchte plegers van zure regen, smog en waas, tot de helft van het niveau van benzine [bron: Yanowitz].Ten slotte verlaagt E85 de emissies van twee kankerverwekkende stoffen, benzeen en 1,3-butadieen, onder benzine, maar drastisch verhoogt het twee andere waarschijnlijk kankerverwekkende stoffen, acetaldehyde en formaldehyde. Amerikaanse door de overheid gefinancierde onderzoekers concludeerden dat de totale toxiciteit voor uitlaatemissies van benzine en E85 hetzelfde is [bron: Yanowitz].

Het grootste voordeel van het maken van ethanol uit cellulose is de onuitputtelijkheid en het gemak van cellulose-achtige biomassa. Het is meer beschikbaar dan maïs of een andere bron van ethanol, of wat dan ook, een bestaande bron van brandstof. Wanneer het op een verstandige manier wordt gedaan, kan productie van cellulose-ethanol afvalstoffen verwijderen en brandstof produceren. Als je van de overredingskracht van broeikasgassen bent, laat de productie en verbranding ervan minder broeikasgas vrij dan benzine. Het heeft andere voordelen voor het milieu en de schone lucht, waarover u in het laatste deel leest. Als je een hekel hebt aan olieboringen, olie-import, wil je een alternatief bij de benzinepomp wanneer de olie- of maisprijzen stijgen of denk dat er een limiet is aan hoeveel brandstof maïs kan maken, cellulose-ethanol biedt een alternatief.

Dat is het goede nieuws. Hoe zit het met het slechte nieuws?

Ethanol Cars

De meeste nieuwere auto's kunnen rijden op E10, een mengsel van 10 procent ethanol en 90 procent benzine. U hebt een voertuig met flexibele brandstof nodig, dat een sterke brandstofleiding en een zuurstofsensor in de motor heeft om het brandstof-luchtmengsel aan te passen, om hogere mengsels te gebruiken, zoals E85. Tegenwoordig zijn auto's die op E85 rijden ongeveer hetzelfde als die op benzine [bron: Aden].

Zorgen over cellulose-ethanol

Zoals je ziet, kost E85 bij dit benzinestation in Belmont, Wis., Minder, dankzij een belastingvermindering die uiteindelijk ook cellulose-ethanol ten goede zou komen.

Zoals je ziet, kost E85 bij dit benzinestation in Belmont, Wis., Minder, dankzij een belastingvermindering die uiteindelijk ook cellulose-ethanol ten goede zou komen.

"Er zijn veel critici," zegt Andy Aden, een procesingenieur die cellulosische ethanolproductie bestudeert in het National Renewable Energy Laboratory in Golden, Colo.

Een zorg is de kosten van productie. Tegenwoordig kost cellulosekethanol meer om te produceren met de gallon dan maïsethanol, wat duurder is dan benzine. In de Verenigde Staten wordt de prijs van maïs-ethanol kunstmatig verlaagd, dankzij een belastingkrediet van $ 0,51 voor de entiteiten die het mengen met benzine, wat ook cellulose-ethanol zou helpen. Critici wijzen naar wat de meeste cellulosealcohol-raffinaderijen niet kunnen: genoeg ethanol produceren om te verkopen aan benzinestations.

Optimistische onderzoekers zeggen dat de productiekosten zullen dalen als de productiestappen worden herzien. Het Amerikaanse ministerie van Energie heeft een benchmark opgesteld voor cellulose-ethanol om tegen 2012 concurrerend te zijn met benzine, tegen een productiekost van $ 1,33 per gallon. "We proberen nog steeds dat te raken", zegt Aden. Vier bedrijven, die van plan zijn in de komende vier jaar op commerciële schaal raffinaderijen te openen in de Verenigde Staten, zien in ieder geval winst bij het proberen.

"Als je op grote schaal biobrandstof gaat produceren uit biomassa, waar komt het land dan vandaan om het te laten groeien?" vraagt ​​Aden, een samenvatting van een andere zorg over cellulose-ethanol. Sommige groepen denken dat switchgrass zich als een onkruid over het land verspreidt en dat energiegewassen zullen concurreren met voedselgewassen. Voedsel en cellulosemassa kunnen afkomstig zijn van dezelfde plant als maïs voedsel is en de stengels cellulosemassa zijn. Als u 'stedelijk groen' of tuinafval gebruikt om ethanol te maken, heeft u geen nieuw land nodig. Zelfs in een beplantingsscenario kan switchgrass groeien op percelen van grond die te klein of te laag zijn om voedingsgewassen te ondersteunen, waar het voedingsstoffen zal herstellen, zegt Aden.

Andere critici beschouwen regenwouden. Als de ontwikkelde landen het olieverbruik aanvullen met cellulose-ethanol, exporteren ze de vraag naar cellulose naar ontwikkelingslanden met grote bossen. Die landen zouden het snelste geld verdienen door duidelijk te snijden. Het is echter niet nodig om verse bomen te kappen voor cellulose wanneer gemeenschappelijke activiteiten zoals landbouw, beheer van bosbranden en papierfrezen cellulosehoudende biomassa produceren die anders als afval wordt behandeld. Regeringen kunnen ook regelen of en hoe regenwouden worden gekweekt.

Een laag brandstofverbruik is ook een ondergang voor ethanol. Zelfs als het minder kost aan de pomp, zal je auto 25 procent minder kilometers afleggen op een tank met E85 dan op benzine, zegt Aden.

De voor- en nadelen zijn de moeite waard om te wegen, maar cellulose-ethanol moet technische en economische hindernissen overwinnen voordat het bij een benzinepomp bij u in de buurt verschijnt.

Blijf lezen voor meer links naar de toekomst van groene technologie.

Acres naar Gallons

Met de huidige technologie kunnen raffinaderijen 1 hectare (0,4 hectare) maïsstengels in een veld omzetten tot 240 gallon (908 liter) ethanol. Als boeren bekwaam worden met switchgrass, levert 1 acre 900 gallons (3.407 liter) ethanol op. Om het mandaat van de Energy Independence Security Act van 16 miljard gallons (60,6 miljard liter) cellulose-ethanol in 2022 te bereiken, hebben we 67 miljoen acres (27 miljoen hectare) maïsstelen nodig, wat ongeveer het gebied van Colorado is, of 18 miljoen hectaren switchgrass (7,3 miljoen hectare), dat een beetje groter is dan West Virginia [bron: Aden].


Video Supplement: How it Works DuPont Process for Converting Biomass to Cellulosic Ethanol.




Onderzoek


Een Jaar Later: Lessen Geleerd Van De Dodelijke Aardbeving In Japan
Een Jaar Later: Lessen Geleerd Van De Dodelijke Aardbeving In Japan

Hoe Een Starship Te Besturen
Hoe Een Starship Te Besturen

Science Nieuws


Ongelooflijke Technologie: Hersenchirurgie Doen
Ongelooflijke Technologie: Hersenchirurgie Doen

Militair: Nieuwe Aluminium Windows Stop.50-Caliber Bullet
Militair: Nieuwe Aluminium Windows Stop.50-Caliber Bullet

Flight Of Fancy: Piloting Planes With Mind Control
Flight Of Fancy: Piloting Planes With Mind Control

Oorzaak Van De Ziekte Van Crohn: Gut Fungus Now Suspected
Oorzaak Van De Ziekte Van Crohn: Gut Fungus Now Suspected

Patiënten Met Hartaanval Krijgen 'Big Chill'-Behandeling
Patiënten Met Hartaanval Krijgen 'Big Chill'-Behandeling


WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com