Cu ce înlocuim motorina și benzina? Care sunt biocombustibilii viitorului ?

După 2028 există incertitudini privind suficiența petrolului în lume, iar după 2050 „există o incertitudine substanțială cu privire la nivelurile viitoarelor oferte și cererii de combustibili lichizi”, potrivit EIA. Această situație 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 generație, în funcție de tipul de materie primă și de procesul de conversie care a fost aplicat.

Biocarburanți de prima generație

Biocarburanții din prima generație sunt împărțiți în principal în bioetanol și biodiesel. Producția de bioetanol de prima generație se bazează pe fermentarea microbiană a materiilor prime comestibile, bogate în amidon și zaharoză, cum ar fi grâul, porumbul și trestia de zahăr. Producția de bioetanol nu se limitează la biocarburanții de prima generație; în funcție de materia primă și tulpina de producție, bioetanolul poate fi, de asemenea, clasificat ca a doua și a treia generație. Biodieselul este obținut în principal din ulei de rapiță, soia sau palmier de calitate alimentară. Deși producția de biobutanol este posibilă și prin fermentarea zahărului din trestie de zahăr, porumb, grâu și alte culturi alimentare, aceasta este limitată de productivitate și randamente mai scăzute și 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 naștere dezbaterii „aliment versus combustibil” care persistă până în prezent. În plus, o cerere crescută de culturi (de exemplu, porumb) pentru producția de combustibil a produs un preț de piață crescut pentru aceste alimente. Modelele prevăd că ar fi necesare suprafețe agricole masive pentru producția de combustibil și încă ar putea furniza doar cantități limitate de combustibil în comparație cu cererea totală. Se estimează că suprafața de teren arabil disponibilă la nivel global ar fi necesară de peste două ori pentru a satisface cererea de biomotorină a pieței globale atunci când este produs din ulei de rapiță. În plus, valorile de piață crescute ale uleiului de palmier și ale altor culturi de biocombustibili au determinat defrișarea extinsă a pădurilor tropicale tropicale pentru plantațiile de culturi de biocombustibili, care eliberează mai mult CO2 decât emisiile economisite de acești biocombustibili.

Biocombustibili de a doua generație

Ca urmare a problemelor primei generații, au fost dezvoltați biocombustibili de a doua generație, utilizând biomasă lignocelulozică din reziduuri agricole și forestiere, precum și alte fluxuri de deșeuri (de exemplu, din industria alimentară, cum ar fi tărâțe de grâu, grăsimi animale sau deșeuri de gătit și ulei de prăjit). Alte plante nealimentare, cum ar fi arbustul sau copacul rezistent la secetă, Jatropha curcas, care poate fi cultivat și în deșerturi, ar putea fi totuși o altă sursă promițătoare pentru biocombustibili de a doua generație. Prin urmare, biocombustibilii de a doua generație eludează nevoia de schimbare a utilizării terenurilor agricole și nu concurează cu resursele alimentare. Cu toate acestea, deseori, fluxurile de deșeuri din a doua generație reprezintă materii prime mai complexe decât trestia de zahăr sau uleiul de palmier, conținând potențial compuși capabili să reducă eficiența fermentației, cum ar fi lignina. Prin urmare, aplicarea unor etape suplimentare de tratare sunt frecvente, crescând timpul și costurile procesului.

În cea mai mare parte, biocombustibilii din prima și în marea majoritate a celei de-a doua generații sunt produși comercial.

Alături de producătorii de etanol, producția de biodiesel de a doua generație 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 fermentație, care poate fi crescut pe fluxuri de reziduuri (de exemplu, mediu hidrolizat de tărâțe de grâu). Biodieselul de a doua generație poate fi, de asemenea, obținut din uleiuri uzate prin cracare catalitică și hidrogenare. Dezavantajele acestui proces includ conversia incompletă și 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 și iarbă de mare. Materialul de iarbă de mare detașată este spălat sezonier pe plaje și linii de țărm; din cauza degradării biologice scăzute și a consumului de ierbivore, un exces din acesta se acumulează ca deșeuri. Sunt date estimări de până la 40 de milioane de tone de biomasă uscată de iarbă de mare, care poate fi utilizată pentru producția de biocombustibili. Prin hidroliză enzimatică, conținutul de carbohidrați al ierbii marine poate fi utilizat într-un mediu de fermentație pentru microorganisme, oferind în plus un conținut scăzut de azot și fosfor, care este de obicei necesar pentru producția de lipide.

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

Biocombustibili de a treia generație

Biocombustibilii de a treia generație sunt derivați în principal din biomasa de microalge și cianobacterie, care pot fi folosite pentru a genera în mod natural alcooli și 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 și eludează concurența cu activitatea agricolă. Cel mai important, cultivarea eficientă a algelor necesită o aprovizionare directă cu CO2, care poate fi derivată din emițători industriali sau prin captarea carbonului în atmosferă. În sistemele convenționale de cultivare, aproximativ 70% din CO2 furnizat este utilizat pentru fotosinteză și, 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 generație este producerea de biodiesel sau alți biocombustibili cu densitate energetică, cum ar fi biokerosenul, folosind microalge oleaginoase.

Una dintre cele mai critice și versatile operațiuni din punct de vedere economic în producția de biocombustibil al algelor este cultivarea algelor. Bioreactoarele cu alge sunt independente de locație și climă, prin urmare pot fi operate aproape indiferent de acești factori. Pentru preț scăzut, produse de volum mare, cum ar fi biocombustibilii, algele sunt cultivate în mod obișnuit în iazuri deschise. Reactoarele cu iaz deschis sunt semnificativ mai ieftine în construcția și funcționarea lor, dar au dezavantaje precum pierderea mare de apă prin evaporare și lipsa controlului temperaturii, ceea ce scade productivitatea biomasei. Alternativa, preferată pentru produse cu prețuri mari, cu volum redus, cum ar fi ingredientele cosmetice, este un fotobioreactor închis, unde parametrii procesului pot fi controlați 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 generație, procesele de a treia generație au nevoie de teren agricol. În plus, producția de ulei pe bază de alge este probabil mai mare decât cea din plantele superioare, deoarece lipidele se acumulează în principal în anumite părți ale plantei (de exemplu, în semințele de rapiță), în timp ce în alge, fiecare celulă poate conține o cantitate mare de lipide, ceea ce face procesul mult mai eficient. Un obstacol în producție este recoltarea, deoarece dimensiunea și 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 producții de biocombustibili.

Biocombustibili de a patra generație

Cea mai recentă generație de biocarburanți, denumită a patra generație de biocombustibili, cuprinde utilizarea ingineriei genetice pentru a crește trăsăturile dorite ale organismelor utilizate în producția de biocombustibili. Acest lucru se aplică unei varietăți de trăsături de la utilizarea mai multor tipuri de zaharuri (de exemplu, pentoze și hexoze), până la o sinteză mai mare a lipidelor sau creșterea fotosintezei și 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 creștere, utilizarea diferitelor surse de carbon, direcționarea fluxului metabolic către producția de biocombustibili cu producții crescute) și reconstrucția 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 și 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 și calitatea biocombustibililor pot fi controlate și crescute, dar vor avea nevoie de acceptare și sprijin politic pentru a fi adoptate pe scară largă. Există o dezbatere controversată în jurul ingineriei genetice în agricultură și medicină, în special în Europa; prin urmare, pot fi anticipate preocupări similare cu privire la utilizarea în producția de biocombustibili. Un studiu european a ajuns la concluzia că algele modificate genetic pentru producția de biocombustibili ar fi acceptate de majoritatea consumatorilor, atunci când siguranța sistemelor poate fi garantată. Cu toate acestea, cu metode adecvate de izolare și locații atent selectate, astfel de riscuri ar putea fi drastic reduse la minimum. Prin urmare, sunt de așteptat să fie construite sisteme de producție închise cu standarde de securitate înalte.

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

Dumitru Chisalita

Presedinte Asociația Energia Inteligentă