צ'ארלס קאי של UCR וכור CELF בנפח 20 ליטר שהותקן לאחרונה שישמש בפרויקט ההרחבה. קרדיט: סטן לים / UCR
בתהליך המרת המפעלים לדלק, השלב הראשוני – פירוק החומר הצמחי – היווה בעקביות את האתגר הגדול ביותר. מחקר עדכני מגלה ששילוב כימיקל המתחדש בקלות במהלך שלב הטיפול המקדים יכול, סוף סוף, להפוך את הייצור של דלקים ביולוגיים מתקדמים לכדאיות כלכלית וניטרלית פחמן.
כדי שדלקים ביולוגיים יתחרו בנפט, יש לתכנן את פעולות בתי הזיקוק לניצול טוב יותר של ליגנין. לגנין הוא אחד המרכיבים העיקריים של קירות תאי הצמח. הוא מספק לצמחים שלמות מבנית וגמישות רבה יותר מפני התקפות מיקרוביאליות. עם זאת, תכונות טבעיות אלו של ליגנין מקשות גם על מיצוי וניצול מהחומר הצמחי, המכונה גם ביומסה.
"ניצול ליגנין הוא השער להפקת מה שאתה רוצה מביומסה בצורה החסכונית והידידותית ביותר לסביבה", אמר פרופסור למחקר עמית של UC Riverside, צ'רלס קאי. "תכנון תהליך שיכול לנצל טוב יותר הן את הליגנין והן את הסוכרים המצויים בביומסה הוא אחד האתגרים הטכניים המלהיבים ביותר בתחום זה."
כדי להתגבר על מכשול הליגנין, Cai המציא את CELF, אשר מייצג חלוקה משותפת של ליגנו-תאית. זוהי טכנולוגיה חדשנית לטיפול מקדים ביומסה.
"CELF משתמש ב- tetrahydrofuran או THF כדי להשלים מים ולדלל חוּמצָה במהלך טיפול מקדים ביומסה. זה משפר את היעילות הכוללת ומוסיף יכולות מיצוי ליגנין", אמר קאי. "הכי טוב, THF עצמו יכול להיות עשוי מסוכרים ביומסה."
היתרונות הכלכליים והסביבתיים של CELF
מאמר מדעי האנרגיה והסביבה מפרט את המידה שבה בית זיקוק ביולוגי של CELF מציע יתרונות כלכליים וסביבתיים הן על פני דלקים מבוססי נפט והן על שיטות ייצור דלק ביולוגי קודמות.
המאמר הוא שיתוף פעולה בין צוות המחקר של קאי ב-UCR, המרכז לחדשנות ביו-אנרגיה המנוהלת על ידי Oak Ridge National Laboratories, והמעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת, עם מימון שניתן על ידי משרד המדע של משרד האנרגיה האמריקאי. בו, החוקרים בוחנים שני משתנים עיקריים: איזה סוג של ביומסה הוא האידיאלי ביותר ומה לעשות עם הליגנין לאחר חילוץו.
פרופסור למחקר עמית של UC Riverside, צ'ארלס קאי, שהמציא את CELF, טכנולוגיית טיפול מקדים ביומסה שיכולה להפוך את הדלק הביולוגי של הדור הבא לתחרותי עם נפט. קרדיט: סטן לים / UCR
פעולות הדלק הביולוגי של הדור הראשון משתמשות בגידולי מזון כמו תירס, סויה וקני סוכר כחומרי גלם, או כחומרי הזנה. מכיוון שחומרי הזנה הללו מפנים קרקע ומים מייצור מזון, השימוש בהם לדלק ביולוגי אינו אידיאלי.
פעולות הדור השני משתמשות בביומסה צמחית שאינה אכילה כחומר הזנה. דוגמה לחומרי הזנה ביומסה כוללת שאריות עץ מפעולות כרסום, באגס קנה סוכר או תנור תירס, שכולם הם תוצרי לוואי בשפע בעלות נמוכה של פעולות ייעור וחקלאות.
לפי משרד האנרגיה, עד מיליארד טון בשנה של ביומסה יכולה להיות זמינה לייצור דלק ביולוגי ומוצרים ביולוגיים בארה"ב לבדה, המסוגלת לעקור 30% מצריכת הנפט שלנו תוך יצירת מקומות עבודה מקומיים חדשים.
בחירת חומרי הזנה אופטימליים והשגת יתרונות כלכליים
מכיוון שבית זיקוק ביולוגי של CELF יכול לנצל בצורה מלאה יותר חומר צמחי מאשר שיטות קדומות מהדור השני, החוקרים גילו שחומר הזנה כבד וצפוף יותר כמו צפצפה עץ קשה עדיף על פני תנור תירס פחות צפוף בפחמן כדי להניב יתרונות כלכליים וסביבתיים גדולים יותר.
באמצעות צפצפה בבית זיקוק ביולוגי של CELF, החוקרים מראים שניתן לייצר דלק תעופה בר-קיימא במחיר איזון נמוך של 3.15 דולר לליטר שווה ערך בנזין. העלות הממוצעת הנוכחית לגלון דלק סילוני בארה"ב היא 5.96 דולר.
ממשלת ארה"ב מנפיקה זיכויים לייצור דלק ביולוגי בצורה של זיכויים של מספרי זיהוי מתחדשים, סובסידיה שנועדה לחזק את ייצור הדלק הביולוגי המקומי. דרגת הזיכויים הללו המונפקת עבור דלק ביולוגי מהדור השני, דרג D3, נסחרת בדרך כלל ב-$1 לליטר ומעלה. במחיר זה לזיכוי, העיתון מוכיח שניתן לצפות לשיעור תשואה של למעלה מ-20% מהמבצע.
"הוצאה קצת יותר עבור חומר הזנה עשיר יותר בפחמן כמו צפצפה עדיין מניבה יותר יתרונות כלכליים מאשר חומר מזין זול יותר כמו תנור תירס, כי אתה יכול לייצר ממנו יותר דלק וכימיקלים", אמר קאי.
המאמר גם ממחיש כיצד ניצול ליגנין יכול לתרום באופן חיובי לכלכלת הביו-זיקוק הכוללת תוך שמירה על טביעת הרגל הפחמנית נמוכה ככל האפשר. במודלים ישנים יותר של בתי זיקוק, שבהם ביומסה מבושלת במים ובחומצה, הליגנין אינו שמיש לרוב עבור יותר מערך החימום שלו.
"הדגמים הישנים יותר יבחרו לשרוף את הליגנין כדי להשלים חום ואנרגיה עבור בתי הזיקוק האלה, כי הם יכולים בעיקר למנף את הסוכרים בביומסה – הצעה יקרה שמותירה הרבה ערך מהשולחן", אמר קאי.
בנוסף לניצול טוב יותר של ליגנין, מודל בית הזיקוק של CELF מציע גם לייצר כימיקלים מתחדשים. כימיקלים אלו יכולים לשמש כאבני בניין לביו-פלסטיק ותרכובות טעם למזון ושתייה. כימיקלים אלו תופסים חלק מהפחמן בביומסה הצמחית שלא ישתחרר בחזרה לאטמוספירה כ-CO2.
"הוספת THF עוזרת להפחית את עלות האנרגיה של טיפול מקדים ועוזרת לבודד את הליגנין, כך שלא תצטרך לשרוף אותו יותר. נוסף על כך, אנחנו יכולים לייצר כימיקלים מתחדשים שעוזרים לנו להשיג פוטנציאל התחממות כדור הארץ כמעט אפסי", אמר קאי. "אני חושב שזה מעביר את המחט מדלק ביולוגי מדור 2 לדור 2+".
לאור ההצלחות האחרונות של הצוות, המשרד לטכנולוגיית ביו-אנרגיה של משרד האנרגיה העניק לחוקרים מענק של 2 מיליון דולר לבניית מפעל פיילוט CELF בקנה מידה קטן ב-UCR. קאי מקווה שהדגמת מפעל הפיילוט תוביל להשקעה בקנה מידה גדול יותר בטכנולוגיה, שכן ניצול אנרגיה מדלקים מאובנים מוסיף להתחממות הגלובלית ופוגע בכדור הארץ.
"התחלתי את העבודה הזו לפני יותר מעשור כי רציתי להשפיע. רציתי למצוא אלטרנטיבה בת קיימא לדלק מאובנים ועמיתיי ואני עשינו את זה", אמר קאי. "באמצעות CELF, הראינו שאפשר ליצור דלקים חסכוניים מביומסה וליגנין ולעזור לבלום את התרומה שלנו לפליטת פחמן לאטמוספירה".
