דלק ביולוגי

דלק ביולוגי או ביו-דלק הוא סוג של דלק שמקור האנרגיה האצורה בו הוא בתהליך קיבוע פחמן דו-חמצני מהאטמוספירה לתרכובת אורגנית (מולקולת סוכר) על ידי תהליך הפוטוסינתזה. בתהליך זה, צמחים, אצות וציאנובקטריות ממירים את אנרגיית השמש, אנרגיה סולרית, לאנרגיה אלקטרוכימית האצורה בקשרים שבין אטומים של מולקולות גלוקוז. סוכרים אלו משמשים את הצמח לשם גדילה והתפתחות, בניית דופן התא ואגירת חומרי תשמורת, כגון עמילן. ניתן לנצל צמחים, סוכרים ושמנים צמחיים בתהליכי שרפה ליצירת חום או לביצוע עבודה במנוע של כלי רכב. כך למעשה משתמשים באנרגיית השמש, שהיא זמינה ומתחדשת, לקבלת "דלק ביולוגי". סוגי דלק ביולוגיים כוללים דלק נוזלי, ביוגז, דלק מוצקים שמקורו מביומסה צמחית או דלק מבוסס אלכוהול מביומסה שעוברת תהליכי פירוק ותסיסה.

דלק ביולוגי נחשב כמקור לאנרגיה מתחדשת, היות שהשימוש בהם יוצר "מעגל סגור" של פחמן דו-חמצני; אותו פחמן דו-חמצני שמשתחרר בתהליך שריפת החומר הצמחי או תוצריו במנוע כלי הרכב שימש בעבר לגידולו. אף על פי שגם מקורו של דלק פוסילי כגון נפט הוא מתהליך קיבוע פחמן עתיק על ידי צמחים, הם אינם נחשבים כמקור לאנרגיה מתחדשת היות שתהליך יצירתם לוקח מיליוני שנים. הפחמן הדו-חמצני ששימש בעבר הרחוק לגדילה של צמחים אלו הוצא מהאטמוספירה לפני זמן רב, ואינו משפיע על מצב גזי החממה או על האקלים. להבדיל ממקורות אנרגיה מתחדשים, שרפה של דלק פוסילי תורמת משמעותית לעלייה בהצטברות של פחמן דו-חמצני באטמוספירה, שמהווה גז חממה מסוכן ונפוץ, הקשור באופן ישיר באפקט החממה או ההתחממות העולמית בעשורים האחרונים.

תנודות במחירי הנפט, הצורך בהשגת ביטחון אנרגטי, הרצון בהפחתת התלות בנפט ודאגה סביבתית בנוגע לפליטות גזי חממה הן חלק מהסיבות העיקריות למחקר, פיתוח ושימוש בדלק ביולוגי. עלייה בקצב התרבות האוכלוסייה העולמית, יחד עם תהליכי תיעוש מואצים במדינות מתפתחות כמו הודו וסין יוצרים דרישה עולמית הולכת וגוברת למקורות אנרגיה. צריכת האנרגיה בסין למשל גדלה בשנת 2011 ב-11.2% והיא הייתה בשנת 2011 צרכנית האנרגיה הגדולה בעולם, לפני ארצות הברית. סובסידיות ממשלתיות וארגוני סביבה עולמיים תורמים להגדלת הנתח של אנרגיה מתחדשת מתוך סך השימוש, כאשר סוגי דלק ביולוגי תופסים את החלק המשמעותי ביותר מתוך כלל האנרגיות המתחדשות. לפי ארגון האנרגיה הבינלאומי - IEA - אנרגיות מתחדשות מספקות 13% מדרישת האנרגיה העולמית, 77% מהן על ידי "ביו-אנרגיה", כלומר אנרגיה השאובה מניצול של ביומסה, פסולת תעשייתית ועירונית וגידולי אנרגיה. היקף הייצור העולמי של דלק ביולוגי (דלק נוזלי וביוגז המופקים מביומסה) נמצא בעלייה מתמדת בעשורים האחרונים ועלה מ-16 ביוליון ליטרים בשנת 2000 ליותר מ-100 מיליארד ליטרים בשנת 2011. בברזיל לדוגמה, 23% מהדלק לתחבורה בשנת 2009 היו סוגי דלק ביולוגי.

סוגי דלק ביולוגי
ניתן לחלק דלק ביולוגי לשלושה סוגים עיקריים, לפי המקור ממנו מופק הדלק:
 ביואתאנול הוא אלכוהול (אתנול) הנוצר בתהליך תסיסה כהלית של פחמימות, מולקולות סוכר מורכבות, המופקות מגידולים שאוגרים אותם בצורה של סוכר או עמילן. גידולים אלו כוללים בעיקר תירס וקנה סוכר. ניתן להשתמש בביואתאנול כדלק לתחבורה בצורתו הנקייה (E100) או כתוסף לבנזין (עד לרמה של 85% בתערובת) כדי להעלות את מספר האוקטן של הדלק ולהפחית את רמת הפליטות של המנוע. ביואתאנול נמצא בשימוש נרחב בעיקר בארצות הברית ובברזיל.
 ביואתאנול צלולוזי הוא אתאנול המופק מחלקי צמח לא אכילים או גידולים שאינם ניתנים למאכל כמו עצים ועשבים. בתהליך הייצור של דלק זה מבצעים תהליך מקדים לתהליך התסיסה; תחילה יש צורך בפירוק של דופן התא על ידי אנזימים בשם צלולאזות – אנזימים המסוגלים לפרק את סיבי הצלולוז המרכיבים את דופן התא למולקולות גלוקוז פשוטות וזמינות לתסיסה. הקושי העיקרי בתהליך הייצור של דלק זה הוא הפרדת הצלולוז ממרכיב הליגנין שבדופן התא, ליגנין היא תרכובת מורכבת שאינה ניתנת לפירוק בקלות ולא ניתן להפיק ממנה דלק בתהליך התסיסה.
 ביודיזל הוא דלק המופק משמנים צמחיים או משומן בעלי חיים. הדלק מיוצר בתהליך של טראנסאסטריפיקציה עם אלכוהול, לרוב אתאנול או מתאנול. כמו הביואתאנול, ניתן להשתמש בו כדלק במנועי הדיזל הקיימים בצורתו הפשוטה, אך לרוב משתמשים בו כתוסף לדיזל כדי להוריד את רמות הפליטה של חלקיקים, פחמן חד-חמצני CO ופחמימנים ברכבים המונעים על ידי מנוע דיזל. זהו הדלק הביולוגי הנפוץ ביותר בשימוש באירופה.

דלק ביולוגי בעולם
בשנת 2012 הייצור העולמי של ביואתאנול וביודיזל עמד על 113 מיליארד ליטרים לאחד ו-27 מיליארד ליטרים לשני . המחיר העולמי עמד על 85.36$ ל-100 ליטרים של ביואתאנול ו-152.75$ ל-100 ליטרים של ביודיזל, בממוצע.
נכון לשנת 2011, קיימים תקנים המחייבים שימוש בדלק ביולוגי כתערובת יחד עם בנזין או דיזל בתחנות הדלק ב-31 מדינות וב-29 מחוזות/פרובינציות ברחבי העולם. לפי הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה (International Energy Agency) עד לשנת 2050 דלק ביולוגי יוכל לספק יותר מרבע מהדרישה העולמית לדלק לתחבורה.

דלק לתחבורה
רוב הדלק המשמש לתחבורה הוא דלק נוזלי, היות שרכבים דורשים צפיפות אנרגיה גבוהה, כזו שמצויה בחומר נוזל או מוצק. כדי לקבל צפיפות הספק גבוהה משתמשים ברוב כלי הרכב במנוע בערה פנימית, מנועים אלו דורשים דלק נקי כדי לשמור על ניקיון המנוע וכדי להקטין את זיהום האוויר. הדלק שניתן לשרוף בצורה הנקייה ביותר הוא בדרך כלל בצורת נוזל או גז. לכן, דלק נוזלי (או גזים שניתן לאחסן אותם בצורתם הנוזלית) עומדים הן בדרישות של ניידות יחד עם תהליך שרפה נקי ופחות מזהם. בנוסף, גז או נוזל ניתן לשאוב בצורה פשוטה ונוחה, כך שהשימוש בהם ידידותי לצרכן ופחות מייגע.

דלק ביולוגי מדור ראשון
הכוונה בדלק ביולוגי מדור ראשון או דלק ביולוגים קובנציונלי היא למעשה סוגי דלק המופקים מסוכר, עמילן ושמן צמחי. סוגי דלק אלו (ביודיזל, ביואתאנול וביוגז) מאופיינים או על ידי אפשרות השימוש שלהם בתערובת עם דלק מבוסס בנזין, שרפה במנועי בערה פנימית קיימים והפצה דרך התשתיות הקיימות או על ידי אפשרות השימוש בהם בטכנולוגיות כלי רכב אלטרנטיביות קיימות כמו רכבים מונעים בגז או Flexible-fuel vehicle. סוגי דלק מדור ראשון נמצאים בשימוש מסחרי, עם קצב ייצור של כ-50 מיליארד ליטרים בשנה.

דלק מבוססי אלכוהול

סוגי דלק אלכוהולי, כגון אתאנול, פרופאנול ובוטאנול, מיוצרים על ידי מיקרואוגניזמים ואנזימים שונים בתהליך תסיסה, בה אלכוהול מתקבל מסוכרים פשוטים או עמילנים. במקרה של ביואתאנול צלולוזי, סיבי הצלולוז מפורקים בתהליך אנזימטי מקדים, לקבלת סוכרים זמינים לתסיסה מיקרוביאלית.

האלכוהול הנפוץ ביותר שמשמש כדלק הוא הביואתאנול, במיוחד בברזיל. הדלק האלכוהולי מיוצר בעיקר מתסיסה של סוכרים שמקורם בחיטה, תירס, קנה סוכר, סלק סוכר, דבשה וכל מקור סוכרי או עמילני אחר שניתן להפיק ממנו משקאות אלכוהוליים (כמו תפוחי אדמה, שאריות משדה חקלאי וכדומה). שרשרת הייצור כוללת פירוק אנזימטי של מולקולות הסוכר המורכבות לסוכרים פשוטים וזמינים לתסיסה, תסיסה מיקרוביאלית של הסוכרים (בדרך כלל על ידי שמרים), זיקוק וייבוש. תהליך הזיקוק מצריך שימוש באנרגיה רבה בצורה של חום, שמקורה לרוב ממקורות לא מתחדשים כמו דלק פוסילי וגז טבעי. ביומסה צלולוזית, המתקבלת כתוצר לוואי לאחר תהליך מחיצת קני סוכר למיצוי המיץ, יכולה לשמש גם היא כחומר גלם לבערה והפקת חום בתהליך שנחשב מתחדש ובר קיימא.

יתרונו של הביואתאנול הוא בכך שניתן להשתמש בו במנועי בנזין כתחליף מלא או כתוסף לבנזין. רוב מנועי כלי הרכב הקיימים העובדים על בנזין יכולים לפעול על תערובות בשיעור של עד 15% ביואתאנול. הסיבה לשימוש בתערובת היא שלאתאנול צפיפות אנרגיה נמוכה יותר משל בנזין, כלומר דרוש יותר דלק (מבחינה משקלית ונפחית) כדי לייצר את אותה כמות עבודה במנוע כלי הרכב. גם באתאנול טהור יש רק כשני שלישים מתכולת האנרגיה ליחידת נפח בהשוואה לבנזין, כך שדרוש מכל דלק כבד/גדול יותר כדי לעבור את אותו המרחק, או שתידרשנה יותר עצירות תדלוק. ללא סובסידיות ממשלתיות, עלות השימוש בדלק לק"מ נסיעה גבוהה יותר בהשוואה לדלק הקונבנציונלי.

לאתאנול מספר אוקטן גבוה יותר מאשר לדלק נטול אתאנול, משמעות הדבר היא עלייה ביחס הדחיסה של המנוע, שמתבטא בהגדלת היעילות התרמית של המנוע. באזורים גבוהים, בהם האוויר דליל, ישנן מדינות המחייבות שימוש בתערובת בנזין-אתאנול כמחמצן בחורף, כדי להפחית את שיעור הפליטות המזהמות לאטמוספירה.

בנוסף להיותו דלק לתחבורה, אתאנול יכול לשמש גם כדלק לאח ביתית. אח כזו, שאינה דורשת ארובה או דלק קונבנציונלי, שימושית מאוד עבור בנייני מגורים חדשים ודירות נטולות ארובה מובנית. החיסרון באח כזו הוא שהחום המיוצר נמוך יותר מזה של אח המופעלת על ידי חשמל או גז.

כאשר מחשבים את הערך האנרגטי נטו של תהליך הייצור של ביואתאנול יש לקחת בחשבון את האנרגיה המושקעת בציוד חקלאי, עיבוד האדמה, זריעה, דישון, הדברה, מערכות השקיה, קציר, הובלת הגידול למפעל העיבוד, תהליך מקדים שעובר החומר הצמחי, תסיסה, זיקוק, ייבוש, הובלה למסופי תדלוק והפצה דרך משאבות קמעוניות. בנוסף, יש להתייחס לתכולת האנרגיה הנמוכה יותר של דלק אלכוהולי לעומת דלק פוסילי לתחבורה. ערך זה יכול לצאת חיובי או שלילי, כתלות בגידול עצמו ובאזור, בתהליך הייצור, בשיטות ההובלה וההפצה ועוד. מאידך, אם מחשיבים את התועלות המתקבלות משימוש באנרגיה מתחדשת (הפחתת הפליטות, הורדת זיהום האוויר, תרומה לבריאות הציבור הכללית ועוד), ערך זה עולה בוודאות.

להפקת ביואתאנול מתירס ומגידולים אחרים ישנם חסרונות בדמות של השפעה על מחירי המזון בעולם ומאזן אנרגיה (במונחים של כמות האנרגיה הסופית המסופקת לצרכן לעומת כמות האנרגיה מדלק פוסילי שהושקעה בגידול) מוגבל ונמוך, אם כי חיובי. לכן, הטכנולוגיה מתקדמת לעבר פיתוח של אתאנול צלולוזי. לפי מחקר משותף שנערך על ידי משרד האנרגיה האמריקני, יחס האנרגיה הפוסילית – Fossil Energy Ratio FER – לאתאנול צלולוזי, אתאנול מתירס ובנזין הוא 10.3, 1.36 ו- 0.81 בהתאמה.

מתאנול מיוצר מגז טבעי, שהוא דלק פוסילי לא מתחדש.

בוטאנול (C4H9OH) מיוצר בתהליך שנקרא "תסיסת ABE", שתוצריו הם אצטון, בוטאנול ואתאנול, שינויים ניסיוניים בתהליך התסיסה הראו רווח אנרגטי פוטנציאלי גבוה, עם בוטאנול כתוצר הנוזלי הסופי היחידי. בוטאנול יכול לייצר יותר אנרגיה ולכאורה יכול להישרף ישירות במנועי בנזין קיימים (ללא צורך בהתאמות של מנוע המכונית). כמו כן, הוא פחות קורוזיבי ופחות מסיס במים מאתאנול ולכן יהיה ניתן להפיץ אותו דרך התשתיות הקיימות. החברות DuPont ו-BP עובדות יחד בפיתוח טכנולוגיית הבוטאנול. גם חיידק מסוג E.Coli הונדס בהצלחה לייצור בוטאנול על ידי שינוי המטבוליזם של חומצות האמינו שלו.

ביו דיזל

ביו דיזל הוא הדלק הביולוגי הנפוץ ביותר באירופה. הוא מיוצר משמנים או שומנים בתהליך של טראנאסטריפיקציה והנוזל דומה בהרכבו לדיזל פוסילי/מינראלי. מבחינה כימית, הוא מורכב בעיקר ממתיל (או אתיל)-אסטרים של חומצות שומן (FAMEs). המקורות לביודיזל כוללים שומן בעלי חיים, שמן צמחי, סויה, קנולה, ג'טרופה, חרדל, חמניות, שמן דקלים, פשתן, קנאביס ואצות. ביודיזל טהור (B100) הוא דלק הדיזל בעל רמת הפליטות הנמוכה ביותר. אף על פי שלגז בנזין מנוזל ולמימן תהליך שרפה נקי יותר, הם משמשים לתדלוק של מנועי בנזין בעלי יעילות נמוכה ואינם זמינים ונפוצים כמו ביודיזל.

ניתן להשתמש בביודיזל בכל מנוע דיזל קיים, בתערובת עם דיזל מינראלי. במדינות אחדות היצרנים אף מעניקים אחריות לרכבים שלהם על שימוש ב-B100. ברוב המקרים, ביודיזל מתאים למנועי דיזל החל משנת ייצור 1994, שמשתמשים בגומי סינתטי מסוג "Viton" (של חברת DuPont) במערכות הזרקת הדלק שלהם. בעלי כלי רכב בהם מותקנות מערכות אלקטרוניות מהסוגים "common rail" ו-"unit injector" משנות התשעים המאוחרות מחויבים להשתמש בביודיזל מעורבב עם דלק דיזל קונבנציונלי. למנועים אלו מערכות הזרקה רגישות מאוד לצמיגות הדלק, B100 יכול להפוך לצמיג יותר בטמפרטורות נמוכות, תלוי במקור חומר הגלם שבו השתמשו. רבים ממנועי הדיזל החדשים מיוצרים כך שהם יכולים לעבוד על B100 מבלי שיהיה צורך בשינוי המנוע עצמו, למרות שהדבר תלוי בעיצוב הפנימי של המנוע. היות שביודיזל הוא ממס יעיל ומסוגל לנקות משקעים שנותרו משימוש בדיזל מינראלי, יש צורך בהחלפת מסנני המנוע בתכיפות רבה יותר היות שהדלק הביולוגי ממיס משקעים ישנים במכל הדלק ובצנרת. הדלק הביולוגי מנקה באופן יעיל את תא הבערה של המנוע ממשקעי פחמן, ובכך עוזר לשמור על יעילות המנוע. במדינות אירופה רבות, תערובת של 5% ביודיזל זמינה ונפוצה באלפי תחנות דלק שונות.

ביודיזל הוא למעשה דלק מחומצן, כלומר הוא מכיל כמות מופחתת של פחמן ותכולת מימן וחמצן גבוהה יותר מאשר דיזל פוסילי. עובדה זו משפרת את איכות השרפה של הדלק ומורידה את כמות החלקיקים הנפלטים מפחמן שאינו נשרף.
בנוסף, ביודיזל בטוח לשימוש ולהובלה היות שהוא מתכלה בדיוק כמו סוכר, פי 10 פחות רעיל ממלח שולחן ויש לו נקודת הבזק גבוהה של כ-c°148 בהשוואה לדלק דיזל מבוסס בנזין, שנקודת ההבזק שלו היא c°52 בלבד.

ברחבי ארצות הברית, יותר מ-80% מהמשאיות המסחריות והאוטובוסים העירוניים מונעים על ידי מנועי דיזל. שוק הביודיזל המתפתח שם מוערך בגידול של 200% משנת 2004 עד לשנת 2005.

דיזל ירוק
דיזל ירוק, שידוע גם כדיזל מתחדש, הוא צורה של דלק דיזל אשר מיוצר מגידולים מתחדשים במקום מחומר גלם פוסילי המשמש ליצירת רוב דלקי הדיזל. המקורות לדיזל ירוק רבים ומגוונים וכוללים שמנים כמו קנולה, אצות, יטרופה וסליקורניה. לייצור של דיזל ירוק משתמשים בזיקוק חלקי של השמנים, תהליך שונה מהפקת ביודיזל על ידי טראנאסטריפיקציה.
"דיזל ירוק" ידוע בעיקר באירלנד, ואין להתבלבל בינו לבין הדיזל הצבוע ירוק שנמכר בתעריף מס נמוך יותר למטרות חקלאיות. שימוש בצבע מאפשר פיקוח על השימוש בדלק מופחת המס הזה למטרות שאינן מוגדרות עבורו כגון לתחבורה פרטית או הובלה מסחרית.

שמן צמחי

שמן צמחי למאכל שלא עבר התאמות אינו משמש לרוב כדלק, אך שמן באיכות נמוכה יותר יכול לשמש למטרה זו. שמן צמחי משומש הופך יותר ויותר לביודיזל על ידי תהליכי עיבוד, או (במקרים נדירים יותר) מנוקה ממים ומחלקיקים ומשמש כדלק.

כמו במקרה של 100% ביודיזל (B100), כדי להבטיח הזרקת דלק בצורה מתאימה לשרפה יעילה, דלק משמן צמחי חייב להיות מחומם כדי להפחית את צמיגותו לדומה לשל דיזל. הדבר נעשה על ידי סלילים חשמליים או מחליפי חום. הדבר פשוט יותר באקלים חם או מתון. תאגידים גדולים כמו MAN B&W Diesel ,Wärtsilä, ו-Deutz AG וכמו כן, מספר חברות קטנות כמו Elsbett מציעות מנועים שמותאמים לשימוש בשמן צמחי באופן ישיר, ללא צורך בשינויים שלאחר הקנייה. הודות לעיצוב תא השרפה במנועי הזרקה בלתי ישירה, מנועים אלו הם הטובים ביותר לשימוש בשמן צמחי.
שמנים ושומנים יכולים לעבור הידרוגנציה כדי לקבל תחליף לדיזל. התוצר המתקבל היא שרשרת פחמימנית שאינה מכילה חמצן. שמנים מבוססי מימן אלו יכולה להיות מעורבבים עם דיזל בכל יחס שהוא. לשמנים אלו מספר יתרונות על פני ביודיזל, כולל ביצועים טובים בטמפרטורות נמוכות, יציבות באחסון והם אינם פגיעים להתקפה מיקרוביאלית.

ביואתרים
ביואתר (ידוע גם כדלק אתארי או דלק מחומצן) היא תרכובת חסכונית המשמשת כתוסף לשיפור "מספר האוקטאן". ביואתרים משמשים גם כמשפרי ביצועים של המנוע, מפחיתים שחיקת מנוע ומפחיתים פליטות רעילות. תרומתם העיקרית היא בשיפור איכות האוויר אותו אנו נושמים, על ידי הפחתה משמעותית של כמות האוזון הנפלטת בסמוך לקרקע.

סינגז

סינגז, תערובת של פחמן חד-חמצני, מימן ופחמימנים נוספים, מיוצר על ידי דחיסה חלקית של ביומסה. הכוונה היא לשרפה בנוכחות נמוכה של חמצן, בכמות כזו שאינה מספיקה להמיר לחלוטין את כל הביומסה לפחמן דו-חמצני ומים. לפני תהליך השרפה החלקי, הביומסה עוברת ייבוש ולפעמים גם פירוליזה. תערובת הגזים הנוצרת, סינגז, יעילה יותר מאשר התוצר המתקבל משרפה ישירה של הדלק הביולוגי המקורי, כלומר יותר מהאנרגיה האצורה בדלק משתחררת.
• ניתן להשתמש בסינגז ישירות במנוע בערה פנימית, טורבינות ותאי דלק בטמפרטורות גבוהות.
• ניתן להשתמש בסינגז כדי לייצר מתאנול, DME ומימן, או ניתן להמירו בתהליך פישר-טרופ ולייצר תחליף דיזל או תערובת של אלכוהוליים שיכולים להיות מוסבים לבנזין.

דלק ביולוגי מוצק

הדוגמאות הנפוצות הן עצים, נסורת, גזם דשא, אשפה ביתית, פסולת חקלאית, גידולי אנרגיה לא אכילים וזבל יבש.

כאשר הביומסה הגולמית נמצאת כבר בצורה מתאימה (כמו במקרה של עצים), ניתן לשרוף אותה ישירות בתנורים כדי לספק חום או כדי לייצר קיטור. כאשר הביומסה אינה נמצאת בצורה נוחה (כגון נסורת, שבבי עץ, עשבים, פסולת עירונית או חקלאית), היא עוברת תהליך דחיסה להגדלת הצפיפות. תחילה טוחנים את הביומסה הגולמית לחלקיקים בגודל מתאים, כתלות בצפיפות הרצויה – מ1 עד 3 ס"מ. חלקיקים אלו נדחסים לקבלת תוצר המשמש כדלק. סוגי התוצרים הקיימים הם דסקיות עץ (wood pellets), קוביות או פלטות. תהליך ייצור הדסקיות הוא הנפוץ ביותר באירופה והוא לרוב מהווה מוצר עץ טהור. סוגי הדחיסה האחרים מפיקים מוצרים סופיים גדולים יותר בהשוואה לדסקיות ומתאימים למגוון רחב של חומרי גלם. התוצר המתקבל קל יותר להובלה ולהזנה למערכות גנרטורים כגון דוד קיטור.

אחד היתרונות של סוגי דלק מביומסה יבשה הוא שהם לרוב תוצר לוואי, שארית או פסולת סופית של תהליכים אחרים בתעשיות שונות, כמו חקלאות, בעלי חיים או יערות. בתאוריה הדבר אומר כי שימוש בדלק ביולוגי מוצק לא יוצר תחרות בין ייצור דלק למזון, למרות שלא כך תמיד המקרה.

הבעיה העיקרית עם שרפה של ביומסה גולמית היא שהדבר משחרר כמויות משמעותיות של מזהמים כגון חלקיקי חומר ו- PAH (טבעות ארומטיות של הידרוקרבונים). אפילו דודי קיטור מודרניים המוזנים על ידי דסקיות עץ מייצרים הרבה יותר מזהמים מאשר דוודים של גז טבעי או שמן.

למרות האמור לעיל, מספר מחקרים הראו שלדלק מביומסה יש פחות השפעה סביבתית באופן מובהק בהשוואה לדלק פוסילי. ניתן בהקשר זה לציין מחקר שבוצע עבור משרד האנרגיה האמריקני אשר השווה אז המאזן האנרגטי, פליטות גזי החממה והכדאיות כלכלית של דלק ביולוגיים בהשוואה לדלק הפוסילי, עם וללא פילטר ללכידת פחמן דו-חמצני. תחנות כוח משחררות כמויות משמעותיות של גזי חממה, בעיקר פחמן דו-חמצני CO2. לכידה של פחמן דו-חמצני באמצעות מסננים המותקנים על ארובות תחנת הכוח יכולה להפחית את שיעור הפליטות של גזי החממה באופן ניכר, אך זוהי לא התמונה הכוללת. לכידה וסילוק של CO2 הוא תהליך הצורך אנרגיה נוספת ובכך מוריד את יעילות התחנה. כדי לפצות על הפחתת היעילות יש לצרוך יותר דלק פוסילי - כלומר אנו נתקלים בבעיית "התרנגולת והביצה".

בהתחשב באמור לעיל, פוטנציאל ההתחממות הגלובלית, שמורכב מפליטות של פחמן דו-חמצני CO2, מתאן CH4 ותחמוצת החנקן N2O יחד עם המאזן האנרגטי של המערכת צריך להיות מוערך על ידי שימוש בערכה של כל מחזור החיים - שיטה בשם life-cycle assessment. שיטה זו לוקחת בחשבון את התהליכים המקדימים שנותרים קבועים לאחר לכידת הפחמן הדו-חמצני, כמו כן את הצעדים הדרושים ליצירת כוח נוסף. שריפת ביומסה במקום פחם הובילה ל-148% הפחתה בפוטנציאל ההתחממות הגלובלית.

דלק ביולוגי מדור ראשון אמנם מציע מספר תועלות בדמות הפחתת רמות הפחמן דו-חמצני והגברת הביטחון האנרגטי, אך מעורר דאגות לגבי הגידולים מהם מופקים הדלק, בעיקר בתחום שימושי הקרקע, שמירה על המגוון הביולוגי ותחרות עם גידולים למזון.

דלק ביולוגי מדור שני
כמו הדלק מהדור הראשון, גם דלק ביולוגי מדור שני הם סוגי דלק המיוצרים מחומרי גלם ברי קיימא. הקיימות של חומר הגלם מוגדרת בין היתר על ידי זמינות חומר הגלם, השפעה על פליטות גזי חממה והשפעה על המגוון הביולוגי ושימושי הקרקע. סוגי הדלק הנמצאים תחת פיתוח הם אתאנול צלולוזי, דלק מאצות, ביומימן, ביומתאנול, DMF, BioDME, פישר-טרופש דיזל, דיזל ביו-מימני, תערובת אלכוהוליים ודיזל המופק מעצים.

בייצור ביואתאנול צלולוזי משתמשים בגידולים שאינם למאכל או תוצרי לוואי לא אכילים של תעשיות חקלאיות, יתרונו העיקרי של דלק זה הוא בכך שהוא אינו מתחרה ישירות עם מזון לבני אדם או לבעלי חיים. "ליגנוצלולוז" הוא חומר המבנה ה"עצי" של צמחים ומתאר את 3 המרכיבים העיקריים המצויים כרשת סבוכה בדופן התא הצמחי: צלולוז, המיצלולוז וליגנין. צלולוז הוא החומר הנפוץ והשכיח ביותר על פני כדור הארץ, ובחלק מהמקרים (למשל במקרים של נסורת וקליפות הדרים) מהווה בעצמו פסולת בעייתית שיש להיפטר ממנה. יתרון נוסף לדלק זה הוא הפחתה של 86% בפליטות גזי החממה (בהשוואה לבנזין) בעת שריפתו.
ייצור של אתאנול מצלולוז מהווה בעיה טכנולוגית קשה לפתרון. בטבע, בעלי חיים מעלי גרה (כמו בקר) ניזונים מעשבים וצמחים ומשתמשים בתהליכי עיכול אנזימטיים איטיים כדי לפרק את דופן התא לסוכר (גלוקוז). במעבדות השוקדות על פיתוח אתאנול צלולוזי מפתחים מספר תהליכים ניסיוניים המנסים לחקות את פעולת אנזימי העיכול של מעלי הגרה בטבע, כדי לפרק את החומר הצמחי לסוכרים פשוטים. הסוכרים המשתחררים בתהליך יכולים להמשיך לתהליך תסיסה ליצירת דלק אתאנולי. מדענים רבים ברחבי העולם משתמשים ב"ביולוגיה סינתטית" לפיתוח וייצור של אנזימים קטאליטים מפטריות אשר מסוגלים לפרק באופן יעיל צלולוז לסוכרים פשוטים בטמפרטורות גבוהות. השימוש בטמפרטורות גבוהות זוהה כגורם חשוב בשיפור היעילות הכלכלית הכללית של תעשיית הדלק הביולוגי, כך שבידוד אנזימים המסוגלים לעבוד ולהישאר יציבים בטמפרטורות קיצוניות הוא תחום מחקר פעיל וחשוב. בנוסף, המחקר מתמקד בפיתוח זני שמרים המסוגלים ליצור אתאנול מסוכרים שונים מגלוקוז או ממקורות לא אכילים כגון קש וחציר.

דלק ביולוגי מדור שני נוסף הנמצא בתהליכי מחקר ופיתוח מואצים הוא דלק המופק מאצות. אצות הן מיקרואורגניזמים איאוקריוטיים פוטוסינתטיים, וניתן לייצר מהן ביודיזל ויש האומרים גם ביואתאנול. ישנם יתרונות רבים לשימוש באצות: האצות גדלות מהר יחסית, כל השנה, ואינן דורשות שדות חקלאיים ומים באיכות טובה. אפשר לגדלן גם במי קולחין, כך שלהבדיל מגידולים חקלאיים רגילים שמגדלים למטרות הפקת דלק ביולוגי (דוגמת סויה ותירס), גידולן אינו מתחרה בגידולים חקלאיים למזון. יבול האצות ליחידת שטח גידול גדול יותר, ואפשר לנצל את כל הביומסה הנוצרת, ולא רק את חלקה. עם זאת, הפקת דלק מאצות הוא תהליך יקר, הטכנולוגיה עדיין לא מפותחת לגמרי ונתקלת בקשיים ויש שטוענים כי גידול האצות בבריכות מייצר יותר גזי חממה ומוביל למאזן אנרגטי וסביבתי שלילי.

הגילוי החדשני של פטריה בשם Gliocladium roseum מוביל לקראת יצירה של מיקו-דיזל (דיזל המיוצר על ידי שימוש בפטריות) מצלולוז. יצור זה (שהתגלה ביערות הגשם של צפון פטגוניה) הוא בעל היכולת הייחודית של המרת צלולוז להידרוקארבונים באורך בינוני, כאלו שמצויים לרוב בדלק דיזל. מחקר רב מושקע גם בפיתוח יצורים מהונדסים גנטית על ידי שימוש בטכנולוגיות דנ"א רקומביננטי אשר יוכלו להעלות את פוטנציאל השימוש בדלק ביולוגי.

מדענים העובדים עם חברה ניו זילנדית בשם Lanzatech הצליחו לפתח טכנולוגיה לשימוש בפסולת גזית תעשייתית הנפלטת ממפעלי פלדה, כמו פחמן חד-חמצני CO, כחומר גלם לתהליך תסיסה מיקרוביאלית לשם ייצור אתאנול. באוקטובר 2011 חברת Virgin Atlantic הודיעה שהיא חוברת ל Lanzatech להקמה של מפעל הדגמה בשאנגחאי שיוכל לייצר דלק למטוסים מפסולת גזית מתעשיית הפלדה.
מדענים ממינסוטה פיתחו זנים של חיידקי Shewanella ו- Synechococcus המסוגלים לייצר שרשראות הידרוקארבוניות ארוכות בצורה ישירה ממים, פחמן דו-חמצני ואור שמש.

סוגיות בנוגע לייצור ושימוש בדלק ביולוגי
מדינות רבות ברחבי העולם מטמיעות יעדים לשימוש באנרגיות מתחדשות ודלק ביולוגי מהווה חלק עיקרי בהשגת מטרות אלו. אולם, לשימוש בדלק ביולוגי יתרונות וחסרונות שיש לקחת בחשבון כאשר דנים בנושא זה. למרות שהמעבר מדלק פוסילים מזהמים לניצול אנרגיות מתחדשות הוא רצוי ומיטיב, יש להתחשב גם בחסרונות הנובעים משימוש רחב היקף בסוגי דלק אלו. דלק ביולוגי, ככל סוג אחר של דלק, אינו חף מבעיות, והשימוש בו מעלה סוגיות חברתיות, כלכליות, סביבתיות וטכנולוגיות, אשר מוצגות לעיתים תכופות בירחונים מדעיים ובכלי התקשורת.

יתרונות
 שימוש בביומסה צמחית כמקור להפקת הדלק, זהו חומר גלם "ירוק", מתחדש ומתכלה.
 מקור האנרגיה שאוב מאנרגיית השמש - אנרגיה "ירוקה", מתחדשת וניתנת לניצול בכל העולם.
 ניתן להשתמש בתשתיות הקיימות להפצה, חלוקה ותדלוק (שינויים מזעריים לעומת המעבר לשימוש ברכבים חשמליים למשל).
 בייצור הדלק מתרחש סילוק של פחמן דו-חמצני מהאטמוספירה (על ידי הגידולים המשמשים להפקת הדלק), ובמקביל האוויר מועשר בחמצן. להפחתה ברמות ה CO2 יתרון בהקשר אפקט החממה, ההתחממות הגלובלית והשלכות בריאותיות. שימוש בדלק ביולוגי מדור ראשון יכול להפחית את פליטות גזי החממה ב-60% ואילו דלק מדור שני (ביואתאנול צלולוזי) בעלי יכולת הפחתה של 86% מהפליטות, בהשוואה לשימוש בדלק פוסילי.
 אין צורך בהחלפת צי הרכבים הקיים, ברוב המקרים (ביואתאנול, ביודיזל) ניתן לערבב את הדלק הביולוגי עם הדלק הפוסילי לשימוש בכל מנועי כלי הרכב הקיימים
 הפחתת התלות בנפט והשגת ביטחון אנרגטי. ניתן לייצר דלק ביולוגי בקנה מידה גדול או קטן, מגוון המקורות רחב, כך שכל מדינה יכולה לייצר בעצמה ולספק לתושביה מקור אנרגיה לפי צרכיה, האקלים ותנאי הגידול הקיימים בה
 טכנולוגיה בפיתוח תאפשר הפקת דלק ביולוגי מאצות, מיקרואורגניזמים, עשבים ומקורות אחרים, שאינם מתחרים עם מזון
 ייצור דלק ביולוגי יכול לעודד פיתוח אזורים כפריים ומדינות מתפתחות על ידי הגדלת השטחים החקלאיים בהן

חסרונות
 הסטת גידולים כמו תירס וקנה סוכר לטובת ייצור דלק ביולוגי עלולה להשפיע על מחירי המזון. לפי מחקר משנת 2008 העוסק בהשפעות ייצור דלק ביולוגי וגורמי היצע וביקוש נוספים על עליית מחירי המזון, ייצור של דלק ביולוגי היה אחראי ל-3–30 אחוזים מעליית מחירי המזון בשנת 2008. מחקר נוסף שנערך עבור המרכז הבינלאומי למסחר ופיתוח בר קיימא הראה שהרחבת שוק האתאנול בארצות הברית העלתה את מחירי התירס ב-21% בשנת 2009 בהשוואה למחירים הצפויים אילו ייצור של ביואתאנול היה מוגבל לרמות של שנת 2004. מחקרים אלו ודומיהם ממריצים חוקרים לפתח גידולי אנרגיה וטכנולוגיות שיפחיתו את ההשפעה של תעשיית הדלק הביולוגי המתפתחת על ייצור ועלויות של מזון
 השימוש הנרחב במדשנים וקוטלי עשבים עלול לגרום למאזן אנרגטי סופי שלילי עבור הדלק הביולוים, היות שבתהליך הייצור שלהם נעשה שימוש רב בדלק פוסילי
 הגדלת היקף הייצור עלול לשנות משמעותית את שימושי הקרקע במדינות השונות. לשינוי שימוש הקרקע או העדפת גידול מסוים על פני האחרים עלולות להיות השלכות בנושא שימור המגוון הביולוגי וסחף קרקע. צעד אחד בדרך להתגבר על מכשולים אלו הוא פיתוח של גידולי אנרגיה שמותאמים בצורה הטובה ביותר לכל אזור בעולם באופן ספציפי. אם כל אזור ישתמש בגידול מסוים המותאם לסביבה ולאקלים בו, הצורך בשימוש בדים פוסילי כדי להוביל את הדלק למקומות אחרים לשם עיבוד נוסף וצריכה יופחת. כמו כן, אזורים מסוימים בעולם אינם מתאימים לייצור גידולים הדורשים כמויות גדולות של מים וקרקע עשירה במינראלים. לכן, גידולי הדלק הביולוגי הנוכחים כמו תירס אינם אפשריים לניצול באזורים סביבתיים שונים בעולם
 שרפה של דלק ביולוגי אינה נקייה ב-100%, עדיין ישנן פליטות של גזי חממה בעת השרפה במנוע בערה פנימית
 עלות הייצור של דלק ביולוגי מדור שני יקרה בהרבה ואינה כדאית מבחינה כלכלית. גם תהליך הפקת ביואתאנול צלולוזי עדיין יקר בהשוואה לדלק הפוסילם ולדלק מדור ראשון, עקב השימוש באנזימים ומיקרואורגניזמים בעלות ייצור גבוהה. יש צורף בהמשך פיתוח טכנולוגי כדי להפחית את עלויות הייצור
 גידול הצמחים דורש ששטחים נרחבים ושימוש רב במים להשקיה. בירוא יערות או הסבת שטחי מרעה לטובת שטחי גידול לגידולי אנרגיה עלולה לפגוע במינים רבים של בעלי חיים ולפליטה נוספת של גזי חממה. מדענים וחוקרים מתמקדים בפיתוח זני גידולים בעלי תפוקת יבול גבוהה יחסית לשטח, או גידולים בעלי דרישת מים מופחתת או שימוש באדמות לא חקלאיות

פאנל המשאבים הבינלאומי (International Resource Panel), אשר מספק הערכה מדעית בלתי תלויה ומעניק חוות דעת מקצועית במגוון נושאים הקשורים במשאבים סביבתיים, סקר את הנושאים הקשורים בשימוש בדלק ביולוגי בדו"ח בשם Towards sustainable production and use of resources: Assessing Biofuels45. דו"ח זה מתווה את הגורמים הרבים (הקשורים זה בזה) שיש לשקול כאשר קובעים את הכדאיות היחסית של בחירה בסוג מסוים של דלק ביולוגי על פני האחרים. הדו"ח מסכם כי לא כל סוגי הדלק הביולוגים בעלי ביצועים שווים בהקשר להשפעתם על האקלים, ביטחון אנרגטי ומערכות אקולוגיות, והציע כי השפעות חברתיות וסביבתיות צריכות להיבחן לאורך כל מחזור החיים של הדלק.

למרות שישנן סוגיות רבות בהקשר של ייצור ושימוש בדלק ביולוגי, הפיתוח של גידולי אנרגיה חדשים ודלק ביולוגי מדור שני מנסה לעקוף מחסומים אלו. חוקרים ומדענים רבים עובדים על פיתוח גידולי אנרגיה שדורשים פחות אדמה ושימוש מופחת במשאבים, כמו מים, לעומת הגידולים הקיימים. מחקר עדכני העוסק באצות מדגיש כי שימוש באצות לייצור דלק ביולוגי יכול לתרום לניצול אדמות שאינן בשימוש ומי שופכין מתעשיות שונות. אצות יכולות לגדול במי שפכים, כך שהן לא מתחרות על אדמות ומים טריים הדרושים לייצור נוכחי של מזון וגידולי אנרגיה. בנוסף, אצות הן לא חלק עיקרי בשרשרת המזון של בני האדם, כך שהן לא מסיטות מקורות מזון מבני אדם לטובת שימושים אחרים.

השאלה עד כמה יש להשקיע במחקר בנושאים הקשורים לייצור ושימוש בדלק ביולוגי נמצא במחלוקת. ישנם הטוענים שיש להעדיף את הדלק הביולוגי על פני צורות אחרות של אנרגיה ירוקה, מכיוון שדלק ביולוגי הוא התחליף הסביר ביותר לנפט ותוצריו, ולשיטתם יש חשיבות בניתוק מהיר של התלות ביצרניות הנפט. לעומתם טוענים שייצור דלק ביולוגי לא יוכל להגיע לממדים הנדרשים להחליף את הנפט וייצורו אינו כלכלי, בא על חשבון ייצור מזון, וגורם לעליית מחירי המזון בעולם. לשיטת המתנגדים להשקעה בדלק ביולוגי, הפתרון לאנרגיה לתחבורה הוא בשימוש ברכבים חשמליים .

פליטות גזי חממה
לפי המרכז הבריטי לגידולים לא אכילים, סך כל החסכון משימוש בביו דיזל מדור ראשון כדלק לתחבורה נע בין 25-82% (כתלות בגידול בו השתמשו להפקת הדלק), בהשוואה לדיזל המופק משמן פוסילי. מאידך, חתן פרס נובל פול קרואצן מצא שהפליטות של תחמוצות החנקן עקב דשנים מבוססי חנקן דווקא מוגדלות, ומטות את המאזן כך שרוב סוגי הדלק הביולגי מייצרים יותר גזי חממה בעת גידולם מאשר סוגי הדלק הפוסילי אותם הם נועדו להחליף. ייצור של דלק ליגנוצלולוזי מציע הפחתת פליטות גזי חממה משמעותית יותר מזו המתאפשרת על ידי שימוש בדלק ביולוגי מדור ראשון. לפי תחזיות 1CONCAWE (גוף מתעשיית השמן) דלק ליגנוצלולוזי צפוי להוריד את רמת הפליטות של גזי חממה בכ-90% בהשוואה לבנזין פוסילי, בניגוד לסוגי דלק מדור ראשון שנמצאו כמפחיתים את הפליטות ב-20 עד 70%.

מספר מדענים הביעו דאגה בנוגע לשינויים בשימושי הקרקע בתגובה להגדלת הביקוש לגידולים המשמשים להפקת דלק ביולוגי וכתוצאה מכך הגדלת כמות הפליטות. הזמן שייקח לסוגי דלק ביולוגי להחזיר את "חוב הפחמן" שהם חייבים עקב שינויי קרקע מוערך בכ-100–1,000 שנים, כתלות במקרה ספציפי והמיקום של שינוי הקרקע. אולם, שיטות חקלאיות מתקדמות יכולות להקטין זמן זה ל-3 שנים במקרה של המרת קרקע לגידול עשבים או ל-14 שנים עבור המרה ליער. סוגי דלק ביולוגי המיוצרים משאריות ביומסה או מביומסה הגדלה על שטחים חקלאיים נטושים יוצרים חוב פחמן נמוך או אינם מייצרים חוב כזה כלל.

דלק ביולוגי בישראל
במדינת ישראל עדיין לא הוחל בפרויקטים גדולים להפקת דלק ביולוגי לשימוש עצמי או ליצוא. עם זאת, הנושא נמצא תחת מחקר אינטנסיבי ברבים ממכוני המחקר המתקדמים בארץ.
החלטת הממשלה משנת 2009 קבעה יעד מנחה לייצור חשמל מאנרגיה מתחדשת בהיקף של 10% מצורכי האנרגיה בחשמל של המדינה בשנת 2020. על פי החלטה זו, אנרגיה מתחדשת מוגדרת כאנרגיה שמקורה בניצול חום וקרינת שמש, רוח, ביוגז וביומסה או מקור לא מתכלה אחר שאינו דלק פוסילי.
מנהל החשמל, משרד התשתיות הלאומיות פרסם בשנת 2010 לאומדני עלויות ייצור בטכנולוגיות מתחדשות, כאשר ביוגז נכלל כדלק הביולוגי היחידי. על פי הערכה זו, עלות ההקמה לייצור של 1MW היא 4.5 מיליוני דולרים ואילו עלות התפעול השנתית היא 0.022 מיליון דולר. האומדן לייצור השנתי עומד על 6570 מגהוואט שעה, ואורך חיי המתקן חזוי ל20 שנה. האומדן לשטח הנדרש עומד על 1.7 דונם.

ראו גם
 אנרגיה מתחדשת
 ביומסה
 ביו דיזל
 ביוגז

קישורים חיצוניים

 
 משרד האנרגיה והמים הישראלי
 מערך לרישום פליטות גזי חממה בישראל - תהליך עיצוב המערך ושיטות הדיווח
 
 
 
 יפתח ואקנין קינן, גידולים חקלאיים כמקור בר-קיימא לדלקים ביולוגיים באזורים יובשניים – חדשנות ישראלית, אקולוגיה וסביבה, אוקטובר 2015
 אלוארו ישראל, אהרון גדנקן, מרדכי שכטר, אביגדור אבלסון, שירי שמיר-צמח, ליאור קורזן, נמרוד קרופניק, אנדי קרי ויואב פלד, היבטים שונים בהפקת ביו-אתנול ממָקרו-אצות בישראל, אקולוגיה וסביבה, אוקטובר 2015
 דריה פלדמן, עודד ירדן ויצחק הדר, איתור גנים מפטריות לשיפור הפקת דלק ביולוגי, אקולוגיה וסביבה, אוקטובר 2015

הערות שוליים

אנרגיה מתחדשת
דלק
ישראל: דלק
תחבורה בת קיימא