ביו דיזל

ביו דיזל הוא סוג של דלק ביולוגי, כלומר דלק מבוסס מולקולות אורגניות המכונות אלקיל – אסטרים ארוכות המורכבות ממולקולות פחמניות כגון: מתיל או אתיל. דלק זה מיוצר משמנים צמחיים או שומן מן החי. ביו דיזל יכול לשמש כתחליף חלקי ואף מלא לסולר המחצבי. הוא יכול להיות מופק משמן צמחי (כגון: סויה, קנולה, קוקוס, תירס, בוטנים ועוד) או להיות ממוחזר משמן טיגון ואף משומן בעלי חיים. הפקת הביו דיזל לרוב כרוכה בתגובה כימית בין תרכובות שומן (ליפידים) לבין מולקולות כהל.

היסטוריה

התהליך הכימי אשר מאפשר להפוך שמן צמחי לביו דיזל מכונה טרנס-אסטריפיקציה. זוהי תגובה בה חלה החלפה של השרשראות הפחמימניות בין מולקולת כהל לבין מולקולת אסטר. התהליך הוצג בשנת 1853 על ידי זוג החוקרים א. דופאי ו- ג'. פאטריק (E. Duffy, J. Patrick).
מנוע הדיזל הראשון, שהומצא על ידי רודולף דיזל, בשנת 1893 הונע באמצעות שמן בוטנים.
באוגוסט 1937 החוקר הבלגי ג. צ'אביין (G. Chavanne) מאוניברסיטת בריסל, הגיש פטנט בשם "תהליך הייצור של דלקים משמנים צמחיים" (בשפת המקור: fr. "Procédé de Transformation d’Huiles Végétales en Vue de Leur Utilisation comme Carburants) זהו תהליך המתאר את תגובת הטרנס-אסטריפיקציה להפרדת חומצות השומן מהגליצרול על ידי החלפת הגליצרול בכהלים ליניאריים קצרים. זהו האזכור הראשון בהיסטוריה לתהליך הייצור המוכר היום לייצור ביו דיזל.
בהמשך, בשנת 1977 החוקר הברזילאי א. פארנטה (E. Parente) המציא והגיש פטנט המתאר את התהליך התעשייתי הראשון מסוגו לייצור ביו דיזל. תהליך זה מסווג כביו דיזל על ידי סטנדרט בינלאומי, אשר מגדיר את מאפייניו ואיכותו של הביו דיזל המופק, וזהו הסטנדרט המקובל על יצרני הרכב. כיום, חברתו של פארנטה Tecbio משתפת פעולה עם נאס"א ויצרנית המטוסים האמריקאית בואינג לקידום והסמכת ביו קרוסין – דלק חלופי נוסף אשר הומצא על ידי החוקר הברזילאי.

מאפיינים

לביו דיזל יש תכונות סיכוך טובות יותר והוא דליק פחות מכל הדלקים נטולי הגופרית השימושיים. הוספה של ביו דיזל לדיזל המחצבי מורידה את השחיקה המכנית של מערכת הדלק במנוע. במערכות הפועלות בלחץ, הוספת הביו דיזל מאריכה במידה מסוימת את אורך החיים של מערכות הזרקת הדלק. יש הטוענים כי השימוש בביו דיזל מעלה את יעילות המנוע, הודות ליתרונות שלו במניעת חיכוך ושריפה מלאה יותר של הדלק.
הערך הקלורי של ביו דיזל תלוי בחומר הגלם ממנו הוא עשוי, כאשר ממוצע הערך הקלורי הוא 37.27 מגה-ג'אול לקילוגרם. ערך זה נמוך ב כ- 9% מהדיזל המחצבי הנמכר בשוק.
צבעו של הביו דיזל מגוון ונע בין זהב לחום כהה, כתלות בחומר המוצא שלו. הביו דיזל אינו מסיס במים, הוא בעל נקודת רתיחה גבוהה ולחץ אדים נמוך יותר משל דיזל בהתאמה.
נקודת ההבזק של הביו דיזל היא לפחות 130 מעלות צלזיוס (266 מעלות פרנהייט). נקודת ההבזקה משמעותית גבוהה יותר משל דיזל מחצבי (64 מעלות צלזיוס, 147 מעלות פרנהייט) או של בנזין (מינוס 45 מעלות צלזיוס, מינוס 52 מעלות פרנהייט).
צפיפותו של הביו דיזל גבוהה מעט משל דיזל מחצבי - כ-0.88 גרם למיליליטר לעומת כ-0.85 גרם למיליליטר.
ביו דיזל אינו מכיל תרכובות גופרית כלל, לפעמים ניתן להוסיף אותו לסוגי דיזל בעלי כמות גופרית נמוכה לצורך שיפור הסיכוך. תרכובות הגופרית הקיימות בדלקים מחצביים גורמות לחיכוך רב וכן לפליטות מזהמות.

תערובות

ביו דיזל יכול לשמש תחליף עבור רוב מנועי הדיזל, ללא הצורך לבצע בהם שינויים מבניים, וכן לשמש לצורך הסקה ביתית. ניתן להשתמש במגוון יחסי ערבוב, בין הביו-דיזל לדיזל מחצבי רגיל, וכן להשתמש בביו-דיזל בלבד. תערובות כאלו זמינות בשוק גם ללקוחות פרטיים. השיטה הנפוצה לקיטלוג תערובות הדלקים החלופיים האלו היא פקטור "B" אשר מסמל את כמות הביו דיזל בתערובת. למשל סוג B20, מכיל 20% ביו-דיזל והשאר דיזל רגיל.
בתערובות של B20 ומטה ניתן לעשות שימוש במנוע דיזל רגיל, ללא צורך בשינויים או עם התאמות מזעריות, כאשר רוצים להשתמש בביודיזל טהור (B100), יש צורך לבצע מספר שינויים במנוע כדי למנוע בעיות של תחזוקה וביצוע. כמו כן, מספר יצרני רכב אינם מכסים נזק שנגרם למנוע או לחלקיו עקב שימוש בדלק חלופי במסגרת האחריות הניתנת על ידי החברה.

ייצור ותפוקה

ישנן מספר שיטות לביצוע תגובת הטרנס-אסטריפיקציה בהן: ריאקטור מנתי או רציף עם סוגי זרזים שונים (לרוב אנאורגני כמו בסיסי או חומצי, או אנזימטי - ליפאז), תהליך בתנאים סופר-קריטיים, שיטות מבוססות על אולטרה סאונד ואפילו שימוש בגלי מיקרוגל.
מבחינה כימית, ביו דיזל הוא תערובת של אסטרים מונו אלקיליים המורכבים משרשראות ארוכות של חומצות שומן. התגובה מתרחשת בתמיסה נוזלית כאשר התגובה היא בין טריגליצרידים (1) (המורכבים ממולקולות של חומצת השומן) לביו מולקולות כהל(2) (הכהל הנפוץ ביותר בתגובת הטרנס-אסטריפיקציה הוא מתנול). תוצר התגובה המתקבל הוא מולקולת מתיל-אסטר המכונה גם FAME - Fatty acid methyl ester. ניתן להשתמש גם באתנול על אף שהוא יקר יותר ולקבל אתיל-אסטר (Fatty Acid Ethyl Ester – FAEE) ובכהלים ארוכים יותר, כגון איזופרופנול ובוטאנול, אך יעילות התגובה יורדת כלל שמשתמשים בכוהל ארוך יותר. תוצרי האסטרפיקציה הם אסטרים אלקיליים(3) ותוצר הלואי הוא הגליצרול (4). עבור כל טון של ביו דיזל מיוצר, נוצרים 100 קילוגרמים של גליצרול. בעבר היה משתלם למכור את הגליצרול הלא מעובד לתעשיות אחרות, אך כיום זהו שלב שאינו מוסיף לרווחיות התהליך.
לאחר ביצוע התהליך הביודיזל נבדל משמן צמחי נוזלי ביכולת השריפה שלו הדומה לזו של דיזל מחצבי המופק מנפט. מקור המתנול בו משתמשים במרבית התהליכים לייצור ביו דיזל הוא מדלק, אך ישנם מקורות להפקת מתנול מתחדש בתעשיות המשתמשות בפחמן דו-חמצני ובביו מסה כחומרי גלם. בצורה כזו ניתן להוריד את השימוש במשאבים מתכלים לאפס.

היקף ייצור

קיימת עליה מתמדת בכמויות הביו דיזל המיוצרות, בשנים 2002–2006 חלה עליה של כ 40% מדי שנה. במהלך שנת 2006 לדוגמה יוצרו כ 6 מיליון טונות של ביו דיזל, כאשר 4.9 מיליון טונות יוצרו באירופה וחלק ניכר מהיתר יוצר בארצות הברית. בשנת 2008 היקף הייצור עלה ל-7.8 מיליון טונות באירופה בלבד. בעוד שהביקוש באירופה לביו דיזל בשנת 2006 עמד על ערך משוער של 490 מיליון טונות. ערך זה עולה אפילו על היקף הייצור העולמי הכולל של כל סוגי השמנים הצמחיים אשר עמד רק על 110 מיליון טונות.
בשנת 2011 תעשיית ייצור הביו דיזל בארצות הברית, העומדת בתקן EPA Renewable Fuel Standard, ייצרה כמות ביו דיזל של למעלה ממיליארד גלונים (הם 3.3 מיליון טונות). היעד הבא אותו הציבה התעשייה הוא לייצר 12 מיליארד גלונים עד 2020.

יעילות וטיעונים כלכליים

כאשר מדובר ביעילות חשוב לקחת בחשבון גם את צריכת המשאבים (הדלק) הנדרשת לצורך עיבוד הקרקע, זריעה, קצירה וכדומה. על פי מחקר שנערך ברשות עמק טנסי, בחווה ממוצעת יש צריכה של 82 ליטרים של דלק לדונם אדמה עליה גדל סוג יבול אחד. בעוד שבממוצע התנובה היא כ-1,030-1,350 ליטר לדונם. ממאזן זה מתקבל כי היחס בין הכמות המושקעת לנצרכת הוא בערך 1:15. יעילות תהליך הפוטוסינתזה (קיבוע פחמן דו-חמצני ליצירת מולקולות אורגניות) בצמחים הוא 3-6% מאנרגיית השמש הזמינה. בהנחה שכל הצמח (פרי, גבעולים ועלים) נדרש ליצור ביו דיזל, היעילות של התהליך הכולל היא בערך 1%. כאשר משווים נתונים אלו למקור אנרגיה חלופית כגון תא פוטו-וולטאי המשולב עם מנוע חשמלי (מבוסס סוללה), היעילות של הפקת ביו דיזל נמוכה יותר. אך, הרווחיות מנקודת מבט על עלות הייצור מטה את הכף לטובת הביו דיזל עקב צפיפות האנרגיה הנמוכה של הסוללות ברכבים החשמליים. מנגד מחקר משנת 2005 מגלה כי בתהליך הייצור של ביו דיזל מצמח הסויה נצרכת כמות דלק מחצבי גדולה ב 27% מהכמות המופקת, ו-118% יותר כאשר הפקת הביו דיזל נעשית מפרחי חמניה. השוואות אלו אינן מספיקות כדי לקבל החלטה חד משמעית האם התהליך משתלם. יש לקחת בחשבון גורמים נוספים כגון: כמות האנרגיה הדרושה לתהליך במונחים של דלק מחצבי, תנובת הדלק מהשמן הגולמי, השפעת הביו דיזל על מחירי המזון ובהתאמה השפעה זו על מחירי הביו דיזל לעומת דיזל המופק מנפט, זיהום וצריכת מים מחוות חקלאיות, הידלדלות הקרקע וכן עלויות חיצוניות נוספות הנובעות משיקולים פוליטיים וצבאיים הנובעים מחוסר התלות בארצות עשירות במשאבים טבעיים אשר מכתיבות את מחירי הדלק המחצבי. לנושא הסבוך ועמוס בפרטים זה נוסף הנושא של ניצול קרקע, המעבר לרכבים המונעים על ביו דיזל טהור ידרוש שטחי ענק לגידול יבולים, גם אם שטחים אלו לא יתחרו על קרקע המנוצלת למזון. אם התעשייה תנצל רק צמחים מסורתיים אשר משמשים למזון, למרבית מדינות העולם לא יהיה מספיק קרקע חקלאית כדי ספק את כל דרישות האנרגיה של המדינה. בנוסף אזורים רבים לא יוכלו להרשות לעצמם להסב קרקעות אלו לצורכי אנרגיה עקב מחסור במזון.

יישומים

כאמור ניתן להשתמש בביו דיזל טהור (B100) או בתערובות שלו עם דיזל מחצבי ברוב מנועי הזרקת דלק המיועדים לשימוש בדיזל. לביו דיזל ממסים שונים מאשר לדיזל מחצבי, ממסים אלו תוקפים רכיבים העשויים גומי ניטרילי טבעי המצויים בצנרת של כלי רכב (במיוחד רכבים ששנת הייצור שלהם מוקדמת מ-1992). לכן, לרוב יש צורך להחליף חלקים בצנרת, מסננים ואטמים במשאבת הדלק העשויים גומי, לחומרים עמידים יותר כגון FKM.‏

זמינות והפצה

מאז שהועבר החוק ל"פעילות אנרגטית שנת 2005" (Energy Policy Act of 2005) בארצות הברית, השימוש בביו דיזל נהיה נפוץ יותר. בבריטניה, הממשלה הוציאה הוראה אשר מחייבת את ספקי הדלקים לספק 5% דלקים מתחדשים מסך הדלקים הנמכרים בבריטניה (Renewable Transport Fuel Obligation), זאת עד 2010. באשר לסולר המיועד לתחבורה, מכירת דיזל מסוג B5 היא פתרון אפקטיבי למימוש ההוראה.

שימוש ברכבים ומוכנות יצרני הרכב

מספר כלי רכב ייעודיים לשימוש בביו דיזל יוצרו בשנים האחרונות, בהם: רכב השטח של חברת קרייזלר, Liberty CRD, שהוגדר כמתאים לתערובת של 5% ביו דיזל. בשנת 2007, החברה הביעה רצון להרחיב את האחריות הניתנת על רכביה גם לדיזל בהרכב של 20% ביו דיזל, בתנאי שיהיה תקן לאיכות הביו דיזל המשווק בארצות הברית.
 גם חברת פולקסווגן הגרמנית הצהירה כי היא מעוניינת לייצר מספר דגמים אשר יהיו בעלי תשתית תואמת לביו דיזל טהור (B100) ולביו דיזל מסוג B5 המיוצר משמן זרעי-ענבים ותואם את תקן EN-14214. האחריות שתינתן תחול על הרכבים בהם יעשה שימוש בסוגי הדיזל המוזכרים.
ישנם מקומות מסוימים בעולם המעודדים את השימוש בדלקים חלופיים כדי להקטין את השימוש בדלקים לא מתכלים ובכך להקטין את היקף הפליטות של הרכבים, לדוגמה בעיר הליפקס (נובה סקוטיה) שבקנדה, אוטובוסים עירוניים מונעים בעזרת ביו דיזל המיוצר משומן דגים. אומנם בתחילת פעילות המיזם, בשנת 2004, נתקלו המפעילים במספר תקלות טכניות אך כיום כל מערך האוטובוסים מתפקד בצורה מוצלחת.
אף בתעשיית המזון המהיר נעשים מאמצים לנצל את פסולת שמן הטיגון כדי לייצר ביו דיזל. בבריטניה, רשת מקדונלד'ס הכריזה בשנת 2007 על ביצוע תהליך ייצור ביו דיזל מפסולת השמן לצורך הפעלת מערכות שונות בסניפי הרשת.

רכבות ומטוסים

חברת הרכבות הבריטית וירג'ין רייל אשר טוענת כי היא המובילה בתחום השימוש בביו דיזל, מפעילה רכבות המונעות על ידי ביו דיזל בריכוז של 20%. כמו כן נציגי החברה טוענים כי המעבר לביו דיזל מסוג זה מקטין את היקף הפליטות של הרכבות ב-14%. החל משנת 2007 הרכבות של חברת Royal Train מונעות בעזרת ביו דיזל טהור המסופק על ידי חברת Green Fuels בע"מ.
בדומה לחברה הבריטית גם חברת הרכבות הממשלתית במזרח וושינגטון ביצעה במהלך קיץ 2008 נסיעת מבחן עם ביו דיזל בהרכב של 25% עשוי מקנולה.
חברת תעופה צ'כית ביצעה טיסת מבחן במטוס סילון מונע על ידי ביו דיזל. . כמו כן, חברות אחרות ביצעו טיסה דומה תוך שימוש בדלק חלופי מסוגים אחרים. בנובמבר 2011, חברת יונייטד איירליינס ביצעה את הטיסה הראשונה של מטוס מסחרי המונע על ידי 40% דלק מטוסים ביולוגי מבוסס אצות ו-60% דלק מטוסים מחצבי. טיסת המבחן ערכה כשעתיים וחצי – מנמל התעופה שבעיר יוסטון אל העיר שיקגו.

המצב בישראל

בישראל ניתן לרכוש ביו-דיזל בצורה מסחרית. החברה הראשונה העוסקת בייצור מסחרי של ביו-דיזל היא גרין-בי (GreenBe). בנוסף, קיימות סדנאות להכנת ביו-דיזל על ידי מיחזור שמן בישול משומש.
גם בישראל השימוש בשמנים בכמויות גדולות זול מאשר השימוש בסולר]. עלות ייצור ביו-דיזל משמן צמחי נקי היא כ-1 שקל לליטר.] עלות הייצור משמן טיגון משומש היא כ-4 שקלים לליטר. ]