Hoe biobutanol kan worden gebruikt als motorbrandstof

Biobutanol is vier-koolstof alcohol afgeleid van de vergisting van biomassa. Wanneer het wordt geproduceerd uit op aardolie gebaseerde grondstoffen, wordt het gewoonlijk butanol genoemd. Biobutanol behoort tot dezelfde familie als andere algemeen bekende alcoholen, namelijk single-carbon methanol, en de meer bekende twee-koolstof alcohol ethanol. Het belang van het aantal koolstofatomen in een bepaald molecuul alcohol is direct gerelateerd aan de energie-inhoud van dat specifieke molecuul. Hoe meer koolstofatomen aanwezig zijn, vooral in een lange koolstof-koolstofbindingsketen, hoe dichter de alcohol is in energie.

Doorbraken in de verwerkingsmethoden van biobutanol, namelijk de ontdekking en ontwikkeling van genetisch gemodificeerde micro-organismen, hebben biobutanol in staat gesteld om ethanol als hernieuwbare brandstof te overtreffen. Ooit beschouwd als alleen bruikbaar als industrieel oplosmiddel en chemische grondstof, is biobutanol veelbelovend als motorbrandstof vanwege zijn gunstige energiedichtheid, en het levert een lager brandstofverbruik op en wordt beschouwd als een superieure motorbrandstof (in vergelijking met ethanol).

Productie van biobutanol

Biobutanol is voornamelijk afkomstig van de vergisting van de suikers in organische grondstoffen (biomassa). Historisch gezien werd biobutanol tot ongeveer het midden van de jaren 50 gefermenteerd uit eenvoudige suikers in een proces dat naast de butanolcomponent aceton en ethanol produceerde. Het proces staat bekend als ABE (Aceton Butanol Ethanol) en heeft niet-geavanceerde (en niet bijzonder stevige) microben gebruikt, zoals Clostridium acetobutylicum. Het probleem met dit type microbe is dat het wordt vergiftigd door de butanol die het produceert zodra de alcoholconcentratie boven ongeveer 2 procent komt. Dit verwerkingsprobleem veroorzaakt door de inherente zwakte van generieke microben, plus goedkope en overvloedige (destijds) aardolie maakte plaats voor de eenvoudiger en goedkopere destillatie-uit-aardolie methode voor het raffineren van butanol.

My, hoe tijden veranderen. In de afgelopen jaren, met aardolieprijzen die gestaag omhoog gaan, en wereldwijde leveringen steeds strakker worden, hebben wetenschappers de gisting van suikers opnieuw bekeken voor de productie van biobutanol. Onderzoekers hebben grote vooruitgang geboekt bij het creëren van 'designer microben' die hogere concentraties butanol kunnen verdragen zonder te worden gedood.

Het vermogen om zware omgevingen met een hoge concentratie alcohol te weerstaan, plus het superieure metabolisme van deze genetisch verbeterde bacteriën, heeft ze versterkt met het uithoudingsvermogen dat nodig is om de taaie cellulosevezels van biomassa-grondstoffen zoals pulpachtig hout en switchgrass af te breken. De deur is opengeslagen en de realiteit van kostenconcurrerende, zo niet goedkoper, hernieuwbare alcoholische motorbrandstof staat voor de deur.

voordelen

Dus, ondanks al deze chique chemie en intens onderzoek, heeft biobutanol veel voordelen ten opzichte van eenvoudiger te produceren ethanol.

• Biobutanol heeft een hogere energie-inhoud dan ethanol, dus is er een veel lager verlies aan brandstofverbruik. Met een energie-inhoud van ongeveer 105.000 BTU / gallon (versus de geschatte 84.000 BTU / gallon van ethanol), komt biobutanol veel dichter bij de energie-inhoud van benzine (114.000 BTU / gallon).
• Biobutanol kan gemakkelijk worden gemengd met conventionele benzine in hogere concentraties dan ethanol voor gebruik in ongemodificeerde motoren. Experimenten hebben aangetoond dat biobutanol in een ongewijzigde conventionele motor op 100 procent kan draaien, maar tot op heden zullen geen fabrikanten het gebruik van mengsels van meer dan 15 procent garanderen.
• Omdat het minder gevoelig is voor scheiding in aanwezigheid van water (dan ethanol) kan het worden verdeeld via conventionele infrastructuur (pijpleidingen, mengfaciliteiten en opslagtanks). Er is geen apart distributienetwerk nodig.
• Het is minder corrosief dan ethanol. Biobutanol is niet alleen een betere energiedichte brandstof, maar het is ook minder explosief dan ethanol.
• EPA-testresultaten tonen aan dat biobutanol de uitstoot vermindert, namelijk koolwaterstoffen, koolmonoxide (CO) en stikstofoxiden (NOx). Exacte waarden zijn afhankelijk van de motortoestand.

Maar dat is niet alles. Biobutanol als motorbrandstof - met zijn lange ketenstructuur en overwegend waterstofatomen - zou kunnen worden gebruikt als een opstapje om waterstofbrandstofcelvoertuigen naar de mainstream te brengen. Een van de grootste uitdagingen voor de ontwikkeling van waterstofbrandstofcelvoertuigen is de opslag van waterstof aan boord voor een duurzaam bereik en het gebrek aan waterstofinfrastructuur voor het tanken. Het hoge waterstofgehalte van butanol zou het een ideale brandstof voor hervorming aan boord maken. In plaats van de butanol te verbranden, zou een reformer de waterstof extraheren om de brandstofcel van stroom te voorzien.

nadelen

Het is niet gebruikelijk dat één brandstoftype zoveel voor de hand liggende voordelen heeft zonder ten minste één gloeiend nadeel; met biobutanol versus ethanol argument lijkt dat echter niet het geval te zijn.

Momenteel is het enige echte nadeel dat er veel meer raffinagefaciliteiten voor ethanol zijn dan biobutanolraffinaderijen. En hoewel de raffinage-installaties voor ethanol veel groter zijn dan die voor biobutanol, is de mogelijkheid om ethanolfabrieken om te bouwen tot biobutanol haalbaar. En terwijl verfijningen doorgaan met genetisch gemodificeerde micro-organismen, wordt de uitvoerbaarheid van planten steeds groter.

Het is duidelijk dat biobutanol de superieure keuze is boven ethanol als een additief voor benzine en misschien een eventuele vervanging van benzine. In de afgelopen 30 jaar heeft ethanol het grootste deel van de technologische en politieke steun gekregen en heeft het de markt voor hernieuwbare alcoholhoudende motorbrandstoffen gestuwd. Biobutanol is nu klaar om de mantel op te pakken.