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Eficiência do biocombustível como gasolina de aviação

Eficiência do biocombustível como gasolina de aviação



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Os biocombustíveis podem substituir o petróleo por combustível de aviação?

Eu li nas notícias que a Alaska Airlines estava voando com 10 a 20% de biocombustível e 80 a 90% de petróleo. A eficiência do biocombustível é comparável à eficiência do petróleo? Estou curioso para saber se a velocidade máxima do avião é a mesma quando usa biocombustível 100%.


O termobiocombustívelrefere-se tanto ao fonte do combustível, bem como (atualmente, pelo menos) os compostos nele contidos. Se a qualidade da produção for estritamente controlada, eventualmente não deverá haver diferença detectável entre uma mistura de combustível derivada diretamente de fontes biológicas e uma derivada de produtos de petróleo (que, tecnicamente falando, estão de origem biológica, apenas alguns milhões de anos removidos). No entanto, devido às limitações tecnológicas, biocombustíveis e combustíveis derivados do petróleo Faz têm diferentes componentes químicos hoje.

A razão pela qual ouvimos falar de diferenças na quilometragem ou "densidade de energia" nos biocombustíveis usados ​​para mover os automóveis em comparação com a gasolina / petróleo é porque eles não são a mesma mistura de produtos químicos. Esta página entra em detalhes (todo o site é bastante claro com suas explicações), mas a diferença básica é que os produtos de petróleo são essencialmente 100% hidrocarbonetos (contendo apenas átomos de hidrogênio e carbono), enquanto quase todos os biocombustíveis contêm oxigênio também, o que tem numerosos efeitos sobre as características físicas e químicas do combustível, alterando tudo, desde a polaridade, a reatividade, a estabilidade ao longo do tempo e os tipos de subprodutos (e poluentes) produzidos durante a combustão.

A história é muito mais complicada, mas a resposta básica à sua pergunta é sim, os biocombustíveis podem substituir os produtos derivados do petróleo para a aviação e muitos outros tipos de combustíveis, sem afetar a velocidade máxima da aeronave. Pode exigir modificação do motor, e a densidade de energia pode não ser exatamente a mesma (possivelmente reduzindo o alcance), mas para a saúde a longo prazo de nosso planeta, nós DEVE reduzir e eventualmente eliminar nosso uso de petróleo.


A propósito, os sites StackExchange de Aviação ou Química provavelmente seriam capazes de fornecer respostas muito mais aprofundadas, já que, em última análise, esta questão é mais adequada para um ou ambos os sites do que Biologia, que estaria mais preocupada com a produção de biocombustíveis por organismos vivos.


Biocombustíveis, explicado

Promissores, mas às vezes controversos, os combustíveis alternativos oferecem um caminho diferente de seus equivalentes baseados em fósseis.

Os biocombustíveis existem há mais tempo do que os carros, mas a gasolina e o diesel baratos há muito os mantêm à margem. Os picos nos preços do petróleo e agora os esforços globais para evitar os piores efeitos da mudança climática deram uma nova urgência à busca por combustíveis limpos e renováveis.

Nossas viagens rodoviárias, voos e remessas são responsáveis ​​por quase um quarto das emissões mundiais de gases de efeito estufa, e o transporte hoje continua fortemente dependente de combustíveis fósseis. A ideia por trás do biocombustível é substituir os combustíveis tradicionais por aqueles feitos de material vegetal ou outras matérias-primas renováveis.

Mas o conceito de usar terras agrícolas para produzir combustível em vez de alimentos traz seus próprios desafios, e as soluções que dependem de resíduos ou outras matérias-primas ainda não foram capazes de competir em preço e escala com os combustíveis convencionais. A produção global de biocombustíveis precisa triplicar até 2030 para cumprir as metas de crescimento sustentável da Agência Internacional de Energia.

Os custos ocultos de transformar alimentos em combustível


Aqui está o que será necessário para tirar os biocombustíveis de aviação do solo

A United está adquirindo 1 milhão de galões de combustível para aviação, uma mistura de 30% de biocombustível, da AltAir Fuels na área de Los Angeles.

As viagens aéreas são uma das fontes de emissões de carbono de crescimento mais rápido, respondendo por 2 por cento da pegada global total. Em outras palavras, como a Comissão Europeia descreveu de forma prestativa: "Se a aviação global fosse um país, ele estaria entre os dez principais emissores". Além disso, em 2020, as estimativas sugerem que esse tipo de poluição por queima de combustível fóssil aumentará 70% mais do que os níveis de 2005.

Quão bem estão o setor de aviação, que sustenta US $ 2,7 trilhões em atividades econômicas em todo o mundo, e seus reguladores estão se saindo na redução de emissões? Não muito. Mas a pressão para fazer mais está crescendo à medida que o prazo final de 2020 se aproxima para garantir que a aviação global permaneça neutra em carbono a partir de então, uma meta que precisará do biocombustível para desempenhar um papel.

"As baterias para pilotar um avião de grande porte ainda estão longe no futuro. A Boeing ainda está procurando por aviões de combustível líquido por alguns anos", disse Maria Race, diretora de sustentabilidade e emissões atmosféricas e programa de estratégia da United Airlines. a recente conferência VERGE 18 em Oakland, Califórnia. "Há um caso convincente para o biocombustível para aviação. Precisamos aumentar a escala."

O desenvolvimento de biocombustíveis para aviões a jato tem sido tortuosamente lento por razões técnicas, financeiras e regulatórias, incluindo o longo processo de certificação de qualquer novo tipo de combustível. Uma série de investimentos e parcerias entre companhias aéreas e fabricantes de biocombustíveis foram anunciados na última década, mas até agora não há uma única fábrica capaz de produzir biocombustíveis para aviação em escala comercial de dezenas de milhões de galões por ano.

"Há muito risco de tecnologia e, portanto, muito risco de investidor na produção de biocombustíveis", disse Jennifer Holmgren, CEO da LanzaTech, com sede em Chicago, que recentemente forneceu o biocombustível para uma mistura de 6 por cento para impulsionar um voo de teste da Virgin Atlantic entre Orlando , Flórida e Londres. "Você precisa de alguns fracassos - isso é o que você esperaria em um novo setor. Teremos alguns sucessos."

A ICAO ainda está negociando com as nações e a indústria da aviação sobre regras para definir metas de redução de emissões para voos internacionais e medir e validar esforços para alcançá-las. Há uma meta de curto prazo de permanecer neutro em carbono usando uma combinação de créditos de carbono e biocombustível após 2020.

No quadro atual, no entanto, os voos domésticos seriam regidos pelo plano de cada país para cumprir o acordo de Paris. Como os Estados Unidos, maior mercado de aviação do mundo, estão saindo desse acordo global sobre mudanças climáticas, isso deixa suas intenções no ar.

Os críticos dizem que os governos relutam em exigir que a indústria da aviação corte seriamente as emissões, uma estratégia que poderia aumentar os custos operacionais, porque as viagens aéreas de passageiros ou de carga são muito importantes para suas economias. Os eleitores do estado de Washington irão às urnas na próxima semana para decidir sobre o imposto sobre o carbono, que isentará a Boeing.

"Não há vontade política para fazer isso", disse Jori Sihvonen, oficial de combustível limpo da Transport & amp Environment, com sede na Bélgica, uma coalizão de grupos de políticas ambientais e de transporte europeus. "A realidade política é que os países não querem porque têm medo de perder sua competitividade."

A United está à frente de outras companhias aéreas no cumprimento de sua promessa de usar biocombustível para reduzir as emissões. Mesmo assim, a empresa está comprando apenas 1 milhão de galões de biocombustível por ano quando precisa de 4 bilhões de galões de combustível para toda a sua frota. O biocombustível vem da AltAir Fuels, perto do Aeroporto Internacional de Los Angeles, desse aeroporto, a companhia aérea voa em jatos com uma mistura de 30 por cento de biocombustível. Em 2015, a United investiu US $ 30 milhões na Fulcrum BioEnergy, que foi inaugurada perto de Reno, Nevada, em maio, em uma planta com capacidade para produzir 10 milhões de galões de combustível para aviação a partir de lixo doméstico anualmente.

Muitos fabricantes de biocombustíveis que tinham interesse no negócio de aviação estavam se voltando principalmente para o negócio de transporte terrestre, e muitos faliram quando enfrentaram problemas técnicos na produção em massa ou não conseguiram levantar dinheiro suficiente para construir fábricas. Algumas se empenharam na fabricação de óleos para as indústrias de alimentos e cosméticos ou encontraram dinheiro para manter pesquisas e projetos-piloto até que pudessem convencer as companhias aéreas a assinar acordos de compra de longo prazo, que poderiam então usar para juntar dinheiro para construir fábricas de produção.

"Muitas pessoas acham que o único mercado que tem pelo menos um lampejo de luz é o mercado de jatos de combustível alternativo", disse Michael Wolcott, diretor da Ascent, uma coalizão de universidades e indústria de pesquisa em aviação financiada pelo governo federal da Washington State University. . "A indústria está crescendo mais rapidamente do que a economia de combustível. A única maneira de cumprir as metas climáticas é descarbonizar o combustível."

As companhias aéreas preferem biocombustíveis feitos de algum tipo de resíduo, em vez de alimentos ou outras matérias-primas que podem incentivar o desmatamento da floresta para as plantações, disse Sihvonen. Esperar por uma tecnologia que pudesse converter resíduos em combustível de aviação levou tempo. Assim como o processo de certificação de novos tipos de combustível para aviação, o que pode levar anos.

O biocombustível da LanzaTech para o voo de teste da Virgin levou dois anos para garantir a certificação, depois de análises feitas principalmente por fabricantes de aeronaves e motores analisando dados técnicos do combustível, disse Holmgren. A empresa fabricava combustível para aviação a partir do etanol, utilizando gases residuais capturados em uma siderúrgica na China.

A empresa também quer construir uma fábrica com capacidade de 10 milhões de galões na Geórgia, em um local que comprou há alguns anos em um leilão de ativos da Range Fuels, empresa de biocombustíveis que ficou sem dinheiro e encerrou as atividades em 2011. A LanzaTech, que transforma etanol em combustível de aviação, está solicitando uma garantia de empréstimo do Departamento de Energia dos Estados Unidos para ajudar a cobrir os estimados US $ 50 milhões para a construção da usina, disse Holmgren.

A construção de usinas alternativas de combustível para aviões é lenta, admitiu Wolcott, e isso é preocupante em uma indústria que espera que o número de passageiros a jato duplique para 8,2 bilhões até 2037. Mas ele também afirma que as pessoas também podem ficar impacientes quando a história mostra que substituir uma importante fonte de energia por outra em escala global levaria 50 anos ou mais.

"Não temos esse tipo de paciência porque muitos de nós estão acostumados com o boom tecnológico da última década e a adoção do iPhone", disse Wolcott. "É importante construir a primeira, a segunda e a terceira planta porque é assim que ganhamos eficiência. Precisamos ter paciência com o biocombustível."


Biocombustíveis de transporte

Leia a análise da IEA & # 039s sobre o impacto da Covid-19 e # 039s no progresso da energia limpa em biocombustíveis para transporte.

Produção global de biocombustíveis 2010-2019 em comparação ao consumo no Cenário de Desenvolvimento Sustentável

Acompanhando o progresso

O consumo de biocombustíveis em transporte precisa quase triplicar até 2030 (para 298 Mtep) para estar de acordo com o Cenário de Desenvolvimento Sustentável (SDS). Isso equivale a 9% da demanda global de combustível para transporte, em comparação com o nível de 2018 de cerca de 3%.

A produção global de biocombustíveis não está aumentando com rapidez suficiente para atender à demanda de SDS. A produção cresceu 6% em relação ao ano anterior em 2019, atingindo 96 Mtep (161 bilhões de litros), mas prevê-se um crescimento médio da produção de apenas 3% ao ano nos próximos cinco anos. Isso fica aquém do crescimento anual sustentado de 10% até 2030 necessário para manter o ritmo com a SDS.

Produção de biocombustíveis em 2019 em comparação ao consumo em 2030 no Cenário de Desenvolvimento Sustentável

Espera-se que alguns dos principais mercados de biocombustíveis fiquem aquém dos níveis de produção exigidos pela SDS em 2030, enquanto outros estão melhor posicionados para acompanhar o ritmo.

Implantação acelerada de biocombustíveis necessária nos principais mercados

País / região Previsão de crescimento da produção anual (2019-25) O crescimento da produção anual é necessário para atender ao SDS (2019-30)
Estados Unidos 1.9% 7%
União Européia 0.5% 9%
Brasil 1.7% 5%
Índia 11.8% 22%
China 15.3% 19%
ASEAN 13.3% 10%

Nota: ASEAN = Associação das Nações do Sudeste Asiático.

A produção de biocombustíveis nos Estados Unidos e nos estados membros da UE não está a caminho de atender à demanda de SDS em 2030. A maior parte do consumo de biocombustíveis nesses países ocorre em níveis baixos de mistura de porcentagem com combustíveis fósseis. A menor demanda de combustível para transporte rodoviário dos EUA e da UE como resultado da eficiência melhorada dos veículos significa, portanto, que, sem maiores taxas de mistura de biocombustíveis ou maior uso de biocombustíveis descartáveis, o consumo de biocombustíveis deverá cair.

Embora a produção de biocombustíveis no Brasil e na Índia deva se expandir, o crescimento deve acelerar ainda mais para atingir o volume de SDS para 2030.

O Brasil atingiu níveis recordes de produção de etanol e biodiesel em 2019. O crescimento contínuo da produção é esperado devido à economia de produção melhorada e ao ambiente favorável para o investimento em capacidade que a nova política da Renovabio criará. O Brasil também anunciou planos para aumentar progressivamente seu mandato de biodiesel de 11% para 15%.

Na Índia, a produção acelerada de etanol é necessária para atender ao nível da SDS até 2030. A política de biocombustíveis da Índia em 2018 ampliou a base de matéria-prima permitida para o etanol e introduziu subsídios para expandir a capacidade de produção, estabelecendo as bases para o crescimento da produção de etanol.

A China e os países da ASEAN também apresentam crescimento de produção que, se sustentado, fornecerá os volumes de biocombustível de 2030 exigidos pela SDS. A China planeja lançar misturas de 10% de etanol na gasolina de 11 a 15 províncias e uma nova capacidade de etanol está em desenvolvimento.

Dada a demanda crescente de combustível para transporte, o apoio da política para biocombustíveis para transporte nos países da ASEAN é robusto porque o consumo doméstico de biocombustível é um meio de aumentar a segurança energética ao mesmo tempo em que garante a demanda por commodities agrícolas estrategicamente importantes.

No México e na África do Sul, as indústrias de biocombustíveis para transporte estão em um estágio inicial. Portanto, o desenvolvimento do mercado e o salto de tecnologia são necessários para entrar no caminho certo com o SDS.

Na SDS, os combustíveis com baixo teor de carbono atendem a 7% do transporte marítimo internacional e 9% da demanda de combustível de aviação em 2030. No entanto, o consumo atual de biocombustíveis é mínimo nesses dois subsetores.


Concorde redux

Os serviços elétricos VTOL para passageiros não poderiam ser mais diferentes do que a United Airlines anunciou hoje. A empresa disse que está encomendando 15 jatos da startup de aviação Boom Supersonic, com a opção de comprar mais 20. Cada avião supersônico custa US $ 200 milhões e, como o Boom não oferece descontos, que são típicos em outras partes do setor, todo o negócio vale US $ 3 bilhões. (A United também expressou interesse em aeronaves eVTOL.)

Boom prevê que os aviões da Overture viajarão até duas vezes a velocidade dos jatos convencionais - até Mach 1,7 sobre os oceanos - reduzindo o tempo de vôo. Os voos entre o hub de Newark da United e Londres cairiam de cerca de seis horas e meia para três horas e meia, e São Francisco para Tóquio levariam apenas seis horas em vez de 10 horas e meia.

Leitura Adicional

As despesas de desenvolvimento também podem não ser os únicos custos que mantêm a abertura. Muitas companhias aéreas foram afastadas do Concorde por seus altos custos operacionais. O veloz avião engoliu combustível de jato. Comparado com os 747s contemporâneos, o Concordes precisava de 11 vezes mais combustível para transportar cargas úteis semelhantes na mesma distância.

O CEO da Boom diz que os aviões da empresa "verão a queima de combustível em paridade" com as viagens em classe executiva. Dada a ampla gama de ofertas de classe executiva, é difícil derivar um número exato, mas uma estimativa aponta o consumo de combustível da abertura por passageiro em cerca de cinco vezes pior do que um assento econômico subsônico típico.

Para amenizar a culpa dos passageiros por suas pegadas de carbono potencialmente descomunais, a Boom diz que está trabalhando com a Prometheus Fuels, uma startup que usa membranas de nanotubos para produzir combustíveis de jato a partir do dióxido de carbono retirado da atmosfera. Se combinada com energia renovável, essa parceria permitiria que os voos da Abertura tivessem emissões líquidas de carbono zero (embora ainda houvesse emissões consideráveis ​​de NOx e partículas). No anúncio de hoje, porém, a United e o Boom não se comprometeram a usar os chamados e-fuels, apenas dizendo que os aviões seriam capazes de usar combustíveis sustentáveis. Em todo o mundo, a indústria da aviação é responsável por cerca de 2,4 por cento da poluição de carbono.

Imagem da lista por colagem de fotos de Aurich Lawson / Joby Aviation / Boom Supersonic


O que é combustível de aviação sustentável (SAF)?

SAF significa combustível de aviação sustentável. É produzido a partir de matérias-primas sustentáveis ​​e é muito semelhante em sua química ao combustível fóssil tradicional para aviação. O uso de SAF resulta em uma redução nas emissões de carbono em comparação com o combustível de aviação tradicional que ele substitui ao longo do ciclo de vida do combustível. Algumas matérias-primas típicas usadas são óleo de cozinha e outros óleos não residuais de palma de animais ou plantas, resíduos sólidos de casas e empresas, como embalagens, papel, têxteis e restos de comida que, de outra forma, iriam para aterros ou incineração. Outras fontes potenciais incluem resíduos florestais, como resíduos de madeira e culturas energéticas, incluindo plantas e algas de crescimento rápido. O SAF da Air bp é atualmente feito de óleo de cozinha usado e gordura de resíduo animal.

Por que o SAF é importante?

O combustível para aviões contém muita energia para o seu peso e é essa densidade de energia que realmente possibilitou o voo comercial. Hoje, não existem outras opções viáveis ​​para transportar grupos de pessoas rapidamente em distâncias muito longas, por isso somos dependentes desse tipo de combustível na aviação. Um voo de volta entre Londres e São Francisco tem uma pegada de carbono por passagem econômica de quase 1 tonelada de CO2e. Com a expectativa de que a indústria da aviação dobrará para mais de 8 bilhões de passageiros até 2050, é essencial agirmos para reduzir as emissões de carbono da aviação e o SAF é uma forma pela qual a Air bp está fazendo isso.

Quanto carbono isso economiza?

SAF dá uma redução impressionante de até 80% nas emissões de carbono ao longo do ciclo de vida do combustível em comparação com o combustível de aviação tradicional que substitui, dependendo da matéria-prima sustentável usada, método de produção e da cadeia de abastecimento do aeroporto.

Com quem a Air BP faz parceria para fornecer SAF?

A Air bp anunciou colaborações com duas empresas: em 2018, a empresa assinou um acordo com a Neste, importante produtora de combustível renovável, que produz combustível de aviação sustentável feito de resíduos 100% renováveis ​​e matérias-primas residuais. Por meio dessa colaboração, estamos desenvolvendo novas cadeias de suprimentos SAF.


Em 2016, a Air bp criou uma parceria estratégica com a Fulcrum BioEnergy com um investimento inicial de $ 30 milhões. A empresa californiana está construindo sua primeira fábrica em Reno, Nevada, que produzirá combustível sustentável para transporte feito de lixo doméstico. A Fulcrum pretende construir instalações adicionais e, em última análise, planeja nos fornecer mais de 50 milhões de galões americanos de SAF por ano.

É seguro usar?

O SAF pode ser misturado em até 50% com o combustível de aviação tradicional e todos os testes de qualidade são concluídos com um combustível de aviação tradicional. A mistura é então recertificada como Jet A ou Jet A-1. Ele pode ser manuseado da mesma forma que um combustível de aviação tradicional, portanto, nenhuma alteração é necessária na infraestrutura de abastecimento ou para uma aeronave que queira usar SAF. Em 2016, fomos a primeira operadora a iniciar o fornecimento comercial de SAF por meio de um sistema de abastecimento de hidrante existente, no Aeroporto de Oslo, na Noruega.

O SAF é adequado para todas as aeronaves?

Qualquer aeronave certificada para usar as especificações atuais de combustível de aviação pode usar SAF.

Quem tem o Air bp fornecido?

Até o momento, a Air bp forneceu SAF em 16 locais em três continentes. O SAF da Air bp tem sido usado para abastecer muitos tipos diferentes de aeronaves, desde pequenos jatos particulares a grandes aeronaves de passageiros. Temos uma cadeia de suprimentos estabelecida na Suécia, da qual fornecemos para locais em toda a região. Foi essa cadeia de suprimentos que nos permitiu abastecer a Braathens Regional Airlines para seu ‘Perfect Flight’ em maio de 2019, que combinou o que há de mais moderno em eficiência de aeronaves e o uso de SAF para reduzir as emissões.

Como o custo do SAF se compara ao combustível de aviação tradicional?

Atualmente, o SAF é mais caro do que o combustível fóssil tradicional para aviação. Isso se deve a uma combinação da disponibilidade atual de matérias-primas sustentáveis ​​e o desenvolvimento contínuo de novas tecnologias de produção. À medida que a tecnologia amadurece, ela se torna mais eficiente e, portanto, a expectativa é que se torne menos onerosa para os clientes. Estamos vendo uma maior aceitação do SAF, à medida que nossos clientes e seus passageiros reconhecem e valorizam cada vez mais os benefícios das reduções de emissões.

A SAF é realmente a chave para tornar a aviação mais verde?

O SAF pode cair diretamente na infraestrutura e nas aeronaves existentes. Ele tem o potencial de fornecer uma redução de carbono no ciclo de vida de até 80% em comparação com o combustível de aviação tradicional que substitui. A SAF desempenhará um papel realmente importante no cumprimento das metas de redução de carbono da indústria da aviação, no entanto, precisamos usar todas as opções para reduzir o carbono que temos disponíveis. Existem várias oportunidades amplas para a redução de carbono em toda a indústria, como projetos de aeronaves mais eficientes, operações mais inteligentes e o desenvolvimento de tecnologias futuras, como eletrificação. Nesse sentido, em 2016, a Air bp se tornou o primeiro fornecedor de combustível de aviação a ser certificado de forma independente como neutro em carbono para operações de abastecimento de avião em todas as suas localizações globais.

Então, por que não há mais companhias aéreas usando SAF?

No momento, a produção de SAF é limitada, pois o custo mais alto do SAF está impedindo uma adoção mais ampla. A Air bp está trabalhando para ajudar a criar mais demanda no curto prazo, o que levará a mais produção e, esperançosamente, a custos mais baixos no futuro.

Como podemos acelerar o crescimento da SAF?

Há um compromisso real da indústria para reduzir as emissões de carbono, mas os governos também precisam criar as políticas certas para acelerar o crescimento de SAF. O aumento da produção requer segurança política de longo prazo para reduzir os riscos de investimento, bem como um foco na pesquisa, desenvolvimento e comercialização de tecnologias de produção aprimoradas e matérias-primas sustentáveis ​​inovadoras.

No nível individual, algumas companhias aéreas estão oferecendo aos passageiros e clientes corporativos a opção de financiar o uso de SAF para reduzir as emissões associadas à sua passagem, e achamos que essas são iniciativas realmente positivas.

A chave para uma maior aceitação e implantação de SAF é a redução de custos. No longo prazo, isso exigirá investimento em tecnologias avançadas para processar matérias-primas de forma mais eficiente em maior escala e investimento no desenvolvimento de opções de matéria-prima sustentáveis ​​e escaláveis. No entanto, no curto prazo, é necessário o apoio provisório de governos e outras partes interessadas por meio de incentivos políticos. Esse apoio precisa fazer parte de uma estrutura de longo prazo para dar aos investidores a confiança necessária para fazer os grandes investimentos necessários para aumentar a oferta.


Biocombustível Básico

Ao contrário de outras fontes de energia renováveis, a biomassa pode ser convertida diretamente em combustíveis líquidos, chamados de "biocombustíveis", para ajudar a atender às necessidades de combustível para transporte. Os dois tipos mais comuns de biocombustíveis em uso hoje são o etanol e o biodiesel, sendo que ambos representam a primeira geração da tecnologia de biocombustíveis.

NREL Post Doc Brenna Black coleta amostras de um fotobiorreator de saco tubular, para inocular novos meios de crescimento, no Laboratório de Pesquisa de Algal no Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) em Golden, CO. Foto por Dennis Schroeder, NREL

O Bioenergy Technologies Office (BETO) está colaborando com a indústria para desenvolver biocombustíveis de próxima geração feitos de recursos não alimentares (celulósicos e algas). Na última década, a BETO se concentrou no etanol celulósico, investindo em avanços tecnológicos em toda a cadeia de abastecimento. Essas atividades validaram com sucesso tecnologias críticas para a produção de etanol celulósico. O trabalho anterior do Escritório com etanol celulósico fornece um valioso trampolim para avanços em biocombustíveis de hidrocarbonetos - também conhecidos como combustíveis "drop-in" - que podem servir como substitutos do petróleo em refinarias, tanques, dutos, bombas, veículos e motores menores existentes.

ETANOL

O etanol (CH3CH2OH) é um combustível renovável que pode ser feito de vários materiais vegetais, conhecidos coletivamente como "biomassa". O etanol é um álcool usado como agente de mistura com a gasolina para aumentar a octanagem e reduzir o monóxido de carbono e outras emissões causadoras de poluição.

A mistura mais comum de etanol é o E10 (10% etanol, 90% gasolina). Alguns veículos, chamados de veículos de combustível flexível, são projetados para funcionar com E85 (uma mistura de gasolina-etanol contendo 51% -83% de etanol, dependendo da geografia e da estação), um combustível alternativo com teor de etanol muito mais alto do que a gasolina comum. Aproximadamente 97% da gasolina nos Estados Unidos contém algum etanol.

A maior parte do etanol é feita de amidos e açúcares vegetais, mas os cientistas continuam a desenvolver tecnologias que permitiriam o uso de celulose e hemicelulose, o material fibroso não comestível que constitui a maior parte da matéria vegetal. Na verdade, várias biorrefinarias de etanol celulósico em escala comercial estão atualmente em operação nos Estados Unidos.

O método comum para converter biomassa em etanol é chamado de fermentação. Durante a fermentação, os microrganismos (por exemplo, bactérias e leveduras) metabolizam os açúcares das plantas e produzem etanol.

O biodiesel é um combustível líquido produzido a partir de fontes renováveis, como óleos vegetais novos e usados ​​e gorduras animais, e é um substituto de queima mais limpa para o óleo diesel à base de petróleo. O biodiesel não é tóxico e é biodegradável e é produzido pela combinação de álcool com óleo vegetal, gordura animal ou graxa de cozinha reciclada.

Como o diesel derivado do petróleo, o biodiesel é usado para alimentar motores de ignição por compressão (diesel). O biodiesel pode ser misturado ao diesel de petróleo em qualquer porcentagem, incluindo B100 (biodiesel puro) e, a mistura mais comum, B20 (uma mistura contendo 20% de biodiesel e 80% de diesel de petróleo).

COMBUSTÍVEIS RENOVÁVEIS DE HIDROCARBONETO "DROP-IN"

Os combustíveis de petróleo, como gasolina, diesel e combustível de aviação, contêm uma mistura complexa de hidrocarbonetos (moléculas de hidrogênio e carbono), que são queimados para produzir energia. Os hidrocarbonetos também podem ser produzidos a partir de fontes de biomassa por meio de uma variedade de processos biológicos e termoquímicos. Os combustíveis de hidrocarbonetos renováveis ​​à base de biomassa são quase idênticos aos combustíveis à base de petróleo que eles foram projetados para substituir - portanto, são compatíveis com os motores, bombas e outras infraestruturas de hoje.

Atualmente, uma instalação em escala comercial (World Energy em Paramount, Califórnia) está produzindo diesel renovável a partir de gorduras, óleos e graxas residuais. Várias empresas estão interessadas em reformar as instalações existentes de brownfields ou em construir instalações greenfield para diesel renovável e jato nos Estados Unidos. Saiba mais sobre Combustíveis de Hidrocarbonetos Renováveis.

PROCESSOS DE CONVERSÃO DE BIOCOMBUSTÍVEIS

Desconstrução

A produção de biocombustíveis avançados (por exemplo, etanol celulósico e combustíveis de hidrocarbonetos renováveis) normalmente envolve um processo de várias etapas. Primeiro, a estrutura rígida e resistente da parede celular da planta - que inclui as moléculas biológicas de celulose, hemicelulose e lignina fortemente unidas - deve ser quebrada. Isso pode ser feito de duas maneiras: desconstrução em alta temperatura ou desconstrução em baixa temperatura.

Desconstrução em alta temperatura
A desconstrução em alta temperatura usa calor e pressão extremos para quebrar a biomassa sólida em intermediários líquidos ou gasosos. Existem três rotas principais usadas neste caminho:

Durante a pirólise, a biomassa é aquecida rapidamente em altas temperaturas (500 ° C a 700 ° C) em um ambiente livre de oxigênio. O calor quebra a biomassa em vapor de pirólise, gás e carvão. Uma vez que o carvão é removido, os vapores são resfriados e condensados ​​em um óleo “bio-bruto” líquido.

A gaseificação segue um processo ligeiramente semelhante, no entanto, a biomassa é exposta a uma faixa de temperatura mais alta (& gt700 ° C) com algum oxigênio presente para produzir gás de síntese (ou gás de síntese) - uma mistura que consiste principalmente em monóxido de carbono e hidrogênio.

Ao trabalhar com matérias-primas úmidas como algas, a liquefação hidrotérmica é o processo térmico preferido. Este processo usa água sob temperaturas moderadas (200 ° C – 350 ° C) e pressões elevadas para converter biomassa em óleo bruto bio líquido.

Desconstrução de baixa temperatura
A desconstrução de baixa temperatura normalmente faz uso de catalisadores biológicos chamados enzimas ou produtos químicos para quebrar as matérias-primas em intermediários. Primeiro, a biomassa passa por uma etapa de pré-tratamento que abre a estrutura física das paredes das células das plantas e das algas, tornando os polímeros de açúcar como a celulose e a hemicelulose mais acessíveis. Esses polímeros são então decompostos enzimaticamente ou quimicamente em blocos de construção de açúcar simples durante um processo conhecido como hidrólise.

Atualizando

Após a desconstrução, intermediários como bioóleos brutos, gás de síntese, açúcares e outros blocos de construção químicos devem ser atualizados para produzir um produto acabado. Esta etapa pode envolver processamento biológico ou químico.

Microorganismos, como bactérias, leveduras e cianobactérias, podem fermentar açúcar ou intermediários gasosos em misturas de combustível e produtos químicos. Alternativamente, açúcares e outras correntes intermediárias, como bio-óleo e gás de síntese, podem ser processados ​​usando um catalisador para remover quaisquer compostos indesejados ou reativos a fim de melhorar as propriedades de armazenamento e manuseio.

Os produtos acabados de modernização podem ser combustíveis ou bioprodutos prontos para venda no mercado comercial ou intermediários estabilizados adequados para acabamento em uma refinaria de petróleo ou fábrica de produtos químicos.


Desenvolvimento de mercado de combustível de aviação sustentável

Na última década, o Grupo Lufthansa esteve intimamente envolvido com a pesquisa, teste e uso de combustível de aviação sustentável. O foco é o querosene com base em materiais residuais, biomassa lenhosa e energia elétrica renovável (Power-to-Liquid, PtL). Em 2019, por exemplo, o Grupo Lufthansa assinou uma carta de intenções com a refinaria Heide sobre o futuro fornecimento de combustível PtL para o Aeroporto de Hamburgo. Isso foi seguido na primavera de 2020 por uma carta de intenções com a ETH Zurich e seus spin-offs Climeworks e Synhelion, também para uma possível cooperação para ajudar a acelerar o lançamento de SAF no mercado. Desde o final de 2020, o Grupo Lufthansa participa da iniciativa HySupply da Federação das Indústrias Alemãs (BDI) e da acatech. Seu objetivo é estabelecer uma cadeia de abastecimento de hidrogênio verde da Austrália, um importante componente do querosene PtL. No início de 2021, o Grupo Lufthansa também anunciou sua participação planejada em outro projeto pioneiro em Abu Dhabi para gerar hidrogênio verde. Um dos parceiros em ambos os projetos é a Siemens Energy.


Dez principais vantagens dos biocombustíveis

Jonathan Goodwin é um inventor do sublime. Em sua oficina em Wichita, Ks., Goodwin transformou um H3 Hummer vermelho 2005 em um supercarro. O Hummer é verde e médio e inclui um motor elétrico e uma turbina que queima biodiesel. O ex-bebedor de gás agora pode viajar 60 milhas (96,56 quilômetros) com 1 galão de gás. Como o Dr. Frankenstein mexendo em seu monstro, Goodwin pega automóveis e corta-os em speeders ecológicos. Ele está até trabalhando em um carro que fará 160 quilômetros por litro [fonte: Thompson].

A maioria das pessoas não precisa chegar a tais extremos para ajudar o meio ambiente. Em vez disso, eles apenas precisam ser abastecidos com etanol ou biodiesel. Not only do biofuels help protect the planet from global warming by emitting less pollution than fossil fuels, but they also add jobs to the economy and by doing so, help farmers, construction workers and those living in poor rural, areas.

As gas prices rise and global warming becomes more pervasive, more people are using biofuels as a way to save money and decrease their consumption of fossil fuels. They release fewer pollutants, such as carbon dioxide, into the atmosphere, helping decrease heat-trapping gases. Biofuels are produced from so-called "energy crops" that include wheat, corn, soybeans and sugarcane, so they are sustainable. And if every nation can grow its own, there is a high likelihood these biofuels will never run out.

While there are some problems with biofuels, there are many advantages, too. Go to the next page to see what they are.

10: Reduce Greenhouse Gases

Whether it's the melting of the frozen glaciers that shroud Kilimanjaro, Africa's highest mountain, or the overall rise in the level of the oceans, global warming is reshaping the planet. While some people see global warming as a natural event, most scientists agree that fossil fuels, such as oil and coal, drive the temperature increase. When burned, fossil fuels release greenhouse gases, including carbon dioxide, into the atmosphere. These greenhouse gases trap radiation from the sun close to the surface of the planet, causing the planet to warm.

To stem the release of greenhouse gas, people around the world are using biofuels, such as ethanol or biodiesel, to power their homes, cars and factories. Some experts say that ethanol reduces greenhouse gas emissions up to 65 percent [source: Nebraska Ethanol Board]. Scientists in Australia say biodiesel made from cooking oil reduces greenhouse gas emissions by 87 percent compared with petroleum diesel [source: Science Daily]. Still, many people believe that growing and turning some energy crops -- especially corn -- into fuel, uses a huge amount of fossil fuel, contributing to the release of heat-trapping gases [source: Tillman and Hill].

When NASCAR drivers hit the road in 2011, they'll be motoring down the track in cars fueled in part by ethanol. The cars will run on E15, a fuel blend of 15 percent ethanol and 85 percent gasoline. Indy Cars already run on fuel made entirely of ethanol [source: Fox News].

One day the world will run out of fossil fuels, and with it, our main sources of energy will go up in smoke. But biofuels are different. They're made from plants that can grow and be replanted again and again. Perennial crops don't even have to be replanted. Still, not all biofuels are created equal. Some "energy crops" produce more energy than others. For example, rapeseed has a higher oil content than other vegetable plants, which means rapeseed can generate more energy when burned. Perennial plants, such as switchgrass, provide an abundant source of power, generating five times as much energy as they take to grow [source: Biello].

8: Positive Economic Impact

When gas prices in the United States topped $4 a gallon in the summer of 2008, motorists were aghast. Many drivers began thinking long and hard about buying alternative fuel-powered vehicles, including those that run on ethanol and biodiesel. For example, a flex-fuel car that runs on both ethanol and gasoline gets about 40 miles (64.37 kilometers) to the gallon, according to the National Highway Transportation and Safety Administration [source: Consumer Reports].

While fuel economy is one way to measure the economic benefits of biofuels, there are others. For instance, biodiesel production has had a positive impact on the economy. Biodiesel production in the United States increased from 500,000 gallons (1.89 million liters) in 1999 to 545 million gallons (2.06 billion liters) in 2009, adding $4.28 billion to the gross domestic product [source: Biofuels Journal, Biodiesel.org and PBS].

While biodiesel remains more expensive than regular diesel, consumers need to look beyond the cost per gallon to really gauge the economic benefits. Biodiesel vehicles get 30 percent better fuel economy than gasoline-powered vehicles [source: Consumer Reports]. Biodiesel creates fewer emissions, including cancer-causing benzene, and it also produces less pollution by decreasing the amount of particulates suspended in the air [source: Biodiesel.org]. Less pollution means lower healthcare costs. In addition, as biodiesel becomes more fuel efficient, many businesses that use diesel engines, especially the trucking industry, could see more profits by gassing up with the green fuel.

7: High-Quality Engine Performance

The neat thing about biodiesel is that it can run in existing diesel engines with little or no modification to the engine or its fuel system. Performance is the same. However, some biodiesel vehicles are sluggish in cold climates. Since most vegetable oil is high in saturated fat, ice crystals tend to form in the biodiesel causing a vehicle's engine to struggle. However, biodiesel made from certain types of vegetable oil, such as canola (a form of rapeseed), is lower in saturated fat, which makes it harder for ice to form in frigid temperatures [source: University of Connecticut]. Biofuels help engines last longer, too. Oil has a high viscosity rate. Tests show that high biodiesel blends above B10 (10 percent biodiesel, 90 percent petroleum diesel) do not impact the vehicle's engine performance [source: Biodiesel.org].

B20 fuel, a blend of 20 percent biodiesel and 80 percent petroleum diesel, has the same horsepower as conventional diesel engines. One of the benefits of biodiesel is that it lubricates the vehicle's engine helping eliminate wear and tear [source: Biodiesel.org].

In addition to reducing dependence on foreign oil, many countries expect the biofuel industry to fuel economic development in poor, rural areas. For example, experts at the International Food Policy Institute (IFPI) say in Tanzania, ethanol made from a shrub called cassava can help reduce poverty in that West African nation where 80 percent of the labor force is farmers [source: Arndt, Pauw and Thurlow].

Tanzania is one of the poorest nations on the planet. IFPI experts say that government investment in the biofuel industry might lower Tanzania's poverty rate by 5 percent in the next 10 years. However, there is a downside. Shifting crop production from food to fuel could cause a decline in food supplies and a spike in prices [source: Arndt, Pauw and Thurlow]. As a result, governments need to pay attention to how biofuel crops are grown to ensure an adequate supply of both food and biofuel crops.

Closer to home, the biofuel industry can help local communities by providing well-paying jobs for individuals and economic development for municipalities. According to the Biotechnology Industry Organization, by 2022, the biofuel industry is expected to create 190,000 direct green jobs and 610,000 indirect jobs [source: Runyon].

5: Reduce Foreign Oil Dependence

In 1973, the oil-producing nations of the Middle East stopped exporting oil. Oil prices rose. Economies across the globe suffered. In the United States, people waited in line for hours to buy what little gasoline there was. The embargo was a cold slap in the face to the rest of the world. Governments scrambled to find new ways to deal with the energy crisis. Eventually the oil-producing countries lifted the embargo, but our thirst for oil continued. Today, humans consume 85 million barrels of oil a day [source: Cocks]. Americans use nearly 18.7 billion barrels a day [source: Central Intelligence Agency].

While growing sustainable energy crops at home will lessen the nation's reliance on foreign oil, most experts agree it will not solve our energy woes in one blow. Instead, biofuel use, coupled with long- and short-term solutions such as raising fuel economy standards for motor vehicles enacting tax incentives for hybrids and fuel-cell vehicles and increasing the use of all renewable fuels will help the United States -- and the world -- wean itself off oil.

Vehicles that run on biodiesel get 30 percent better fuel economy than gasoline-powered vehicles, which saves drivers money every time they visit the gas station [source: Consumer Reports]. In 2006, the Toledo Area Regional Transit Authority (TARTA) in Ohio and The Intermodal Transportation Institute at the University of Toledo began a three-year fuel comparison study to determine the fuel economy of B20 and conventional diesel. Preliminary results showed that some of the biodiesel buses created less pollution, had lower maintenance costs, and had a 5 to 8 percent increase in miles-per-gallon [source: Canterbury].

3: Biofuel Refineries Are Cleaner

When oil comes out of the ground, it doesn't magically transform itself into gasoline or home heating oil. Oil refineries must convert crude oil into useable products. There are 153 of these refineries in the United States and more than 90 million people live within 30 miles (48.28 kilometers) of them. Yet each year, these refineries release millions of pounds of cancer-causing chemicals, including benzene, butadiene and formaldehyde into the environment. In addition, the refineries spew nickel, lead, sulfur dioxide, and other pollutants that can cause heart disease, asthma and other health problems [source: Brune].

For the most part, biofuel refineries, which turn feedstock such as corn and soybean into biofuel, are more environmentally friendly. For example, ethanol plants fueled by natural gas emit very few pollutants, including greenhouse gases. However, coal-fired ethanol plants release copious amounts of carbon and other greenhouse gases -- not to mention a significant amount of particulate matter -- into the atmosphere. On the other hand, ethanol plants fueled by biomass and biogas produce less gas emissions and are cleaner to run [source: Oregon Environmental Council].

Each year in the United States, 10,000 people die from pollution created by gasoline engines [source: Reilly]. Among other irritants and pollutants, gasoline releases nitrogen oxide and acetaldehyde. Acetaldehyde molecules react with sunlight to form smog. These emissions make thousands of people sick every year with respiratory ailments and cancers [source: Reilly]. Biofuels discharge fewer toxins into the air than fossil fuels. When compared to conventional diesel, biodiesel reduces smog-forming particulate matter, which reduces cases of asthma and other respiratory illnesses. In addition, biodiesel doesn't emit any sulfur oxides and sulfates, which contribute to acid rain.

For its part, ethanol generally burns better and more robustly than gasoline, generating less pollution. When compared with gasoline, an E85 fuel blend (15 percent ethanol, 85 percent gasoline) burned in an efficient engine produces fewer toxins, including 40 percent less carbon dioxide 20 percent less particulate matter and 80 percent fewer sulfates [source: Energy Future Coalition]. However, scientists at Stanford University in California say ethanol releases many of the same pollutants as gasoline. In addition, a large amount of unburned ethanol escapes into the air, forming acetaldehyde molecules and ultimately smog. But, engines fueled by ethanol emit fewer cancer-causing substances than gasoline [source: Reilly].


Biofuels vs. Fossil Fuels

A biofuel is any fuel source that’s made from biological materials. The two most common kinds of biofuels right now are both gasoline alternatives: ethanol and biodiesel.

Ethanol is ethyl alcohol (C2H5OH). It's also known as grain alcohol because it’s often made from the distillation of grain crops like corn or soybeans. Corn is the source material for 90 percent of the ethanol produced in the U.S., but any plant material -- collectively called biomass -- can be used to make ethanol: leaves, woodchips, wild grasses, even trees. Brazil, the world’s second-largest ethanol producer, makes its biofuel from sugarcane.

When used in cars and trucks, ethanol is usually mixed with a little gasoline to improve fuel economy. The resulting fuel is called E85, denoting 85 percent ethanol and 15 percent gas. In 2007, there were 5.5 million Flex Fuel Vehicles on the road in the U.S. that could run on E85 fuel. Unfortunately, there were only 1,208 E85 filling stations -- less than 1 percent of the total filling stations in America.

What if you’re lucky enough to live near one of these ethanol stations? Does that mean you’ll get amazing fuel economy with zero emissions? Não exatamente. A gallon of E85 ethanol contains 80,000 BTU of energy compared with 124,800 BTU for the same amount of gasoline. That means you would have to buy 1.56 gallons of E85 for every gallon of regular gasoline. But it’s cheaper, right? Again, not quite. Technically, a gallon of E85 costs 19.9 percent less than gas, but since you’ll have to fill up more often, E85 ends up costing you more.

But the good news is that E85 is significantly friendlier to the environment. Not only is E85 clean-burning -- it produces 39 percent less carbon dioxide (CO2) than regular gasoline -- but it’s actually carbon neutral. In other words, the amount of CO2 emitted by the combustion of ethanol equals the amount of CO2 that the corn plant absorbed during its lifetime. The U.S. currently produces 9.2 billion gallons of ethanol a year and consumes 9.6 billion gallons.

Biodiesel is a biofuel made from plant- or animal-based fats and can run in a regular diesel engine. In fact, Rudolf Diesel’s original prototype engine ran on peanut oil. Biodiesel uses a chemical process called transesterification to covert fats like vegetable oil and rendered animal fats into a clean-burning, biodegradable fuel.

Biodiesel packs nearly the same energy content as regular diesel, but burns much, much cleaner. Pure biodiesel (aka B100) produces 75 percent fewer emissions than regular diesel. Purchased biodiesel is as cheap as gas, but if you can find a donated source -- like recycled fryer oil from a restaurant -- it’s potentially free!