Sweet sorghum : opportunities for a new, renewable fuel and food industry in Australia

Sweet sorghum is receiving significant global interest as an agro-industrial crop because of its capacity to co-produce energy, food, and feed products in integrated biorefineries. This report assesses the opportunities to develop a sweet sorghum industry in Australia, reports on research demonstrating the production of energy, food, and feed products, and assesses the potential economic and sustainability benefits of sweet sorghum biorefineries in the Australian context.

Implications of local lifecycle analyses and low carbon fuel standard design on gasohol transportation fuels

State and regional policies, such as low carbon fuel standards (LCFSs), increasingly mandate that transportation fuels be examined according to their greenhouse gas (GHG) emissions. We investigate whether such policies benefit from determining fuel carbon intensities (FCIs) locally to account for variations in fuel production and to stimulate improvements in FCI. In this study, we examine the FCI of transportation fuels on a lifecycle basis within a specific state, Minnesota, and compare the results to FCIs using national averages. Using data compiled from 18 refineries over an 11-year period, we find that ethanol production is highly variable, resulting in a 42% difference between carbon intensities. Historical data suggests that lower FCIs are possible through incremental improvements in refining efficiency and the use of biomass for processing heat. Stochastic modeling of the corn ethanol FCI shows that gains in certainty due to knowledge of specific refinery inputs are overwhelmed by uncertainty in parameters external to the refiner, including impacts of fertilization and land use change. The LCA results are incorporated into multiple policy scenarios to demonstrate the effect of policy configurations on the use of alternative fuels. These results provide a contrast between volumetric mandates and LCFSs. © 2011 Elsevier Ltd.

Biochemical Conversions of Lignocellulosic Biomass for Sustainable Fuel-Ethanol Production in the Upper Midwest

Biofuels are an increasingly important component of worldwide energy supply. This research aims to understand the pathways and impacts of biofuels production, and to improve these processes to make them more efficient. In Chapter 2, a life cycle assessment (LCA) is presented for cellulosic ethanol production from five potential feedstocks of regional importance to the upper Midwest - hybrid poplar, hybrid willow, switchgrass, diverse prairie grasses, and logging residues - according to the requirements of Renewable Fuel Standard (RFS). Direct land use change emissions are included for the conversion of abandoned agricultural land to feedstock production, and computer models of the conversion process are used in order to determine the effect of varying biomass composition on overall life cycle impacts. All scenarios analyzed here result in greater than 60% reduction in greenhouse gas emissions relative to petroleum gasoline. Land use change effects were found to contribute significantly to the overall emissions for the first 20 years after plantation establishment. Chapter 3 is an investigation of the effects of biomass mixtures on overall sugar recovery from the combined processes of dilute acid pretreatment and enzymatic hydrolysis. Biomass mixtures studied were aspen, a hardwood species well suited to biochemical processing; balsam, a high-lignin softwood species, and switchgrass, an herbaceous energy crop with high ash content. A matrix of three different dilute acid pretreatment severities and three different enzyme loading levels was used to characterize interactions between pretreatment and enzymatic hydrolysis. Maximum glucose yield for any species was 70% oftheoretical for switchgrass, and maximum xylose yield was 99.7% of theoretical for aspen. Supplemental β-glucosidase increased glucose yield from enzymatic hydrolysis by an average of 15%, and total sugar recoveries for mixtures could be predicted to within 4% by linear interpolation of the pure species results. Chapter 4 is an evaluation of the potential for producing Trichoderma reesei cellulose hydrolases in the Kluyveromyces lactis yeast expression system. The exoglucanases Cel6A and Cel7A, and the endoglucanase Cel7B were inserted separately into the K. lactis and the enzymes were analyzed for activity on various substrates. Recombinant Cel7B was found to be active on carboxymethyl cellulose and Avicel powdered cellulose substrates. Recombinant Cel6A was also found to be active on Avicel. Recombinant Cel7A was produced, but no enzymatic activity was detected on any substrate. Chapter 5 presents a new method for enzyme improvement studies using enzyme co-expression and yeast growth rate measurements as a potential high-throughput expression and screening system in K. lactis yeast. Two different K. lactis strains were evaluated for their usefulness in growth screening studies, one wild-type strain and one strain which has had the main galactose metabolic pathway disabled. Sequential transformation and co-expression of the exoglucanase Cel6A and endoglucanase Cel7B was performed, and improved hydrolysis rates on Avicel were detectable in the cell culture supernatant. Future work should focus on hydrolysis of natural substrates, developing the growth screening method, and utilizing the K. lactis expression system for directed evolution of enzymes.

Análisis de la incidencia de la producción de biocombustibles a través de cultivos transgénicos en la seguridad alimentaria. Estudio de caso: Cultivos de soja transgénica en Argentina

La búsqueda de los Estados por mitigar su dependencia energética de las fuentes fósiles, ha traído consigo la búsqueda de energías alternativas, desencadenando en el uso y producción de biocombustibles. A su vez, la producción de estos últimos a través de cultivos transgénicos ha ido cobrando importancia en el escenario internacional. Esta opción se ha considerado como una salida al dilema de utilización de tierras "Biocombustible vs. Alimentos". En este contexto, el caso de Argentina, como uno de los mayores productores de cultivos transgénicos del mundo, entre los cuales se destaca la soja, se analiza en esta investigación por ser importante para determinar cuál es el impacto de los biocombustibles producidos a través de cultivos transgénicos en la seguridad alimentaria de la población.

Etanol celulósico : um estudo de viabilidade econômico-financeira

A rápida expansão da cultura da cana-de-açúcar, essencialmente ocorrida a partir de 2004, tanto no Estado de São Paulo, um dos mais tradicionais e mais bem localizado do país, em termos de logística e proximidade de grandes centros consumidores, bem como em outros não tão privilegiados, levantou diversas discussões sobre a sustentabilidade do setor e eventual avanço em terras que, direta e indiretamente, prejudicariam a produção de alimentos no país. Esse evento desencadeou uma rápida reorganização do setor, através de sua principal entidade representativa, a UNICA, e, fundamentalmente, iniciou um processo irreversível de profissionalização e consolidação de grandes grupos com o intuito de crescimento e fortalecimento para fazer frente aos desafios da “comoditização” integral de seus produtos: o açúcar e o etanol. Nesse âmbito, após implementações de projetos como o “Protocolo Etanol Verde” e o “Zoneamento Agroambiental para o Setor Sucroalcooleiro do Estado de São Paulo”, e posteriormente o “Zoneamento Agro-Ecológico da Cana-de-Açúcar”, no Brasil, e divulgação da “RFS2 – Renewable Fuel Standard 2”, nos Estados Unidos, os quais podem ser considerados pontos fundamentais para a indicação de que o setor deveria evoluir, seja via sócio-ambiental, ou através da oportunidade de crescimento do mercado externo (EUA), sem esquecer a crescente frota de veículos flex-fuel no Brasil, e tenta evoluir a passos largos, evidentemente que com maior enfoque e investimento tecnológico nos Estados Unidos, no sentido de obter maior produtividade industrial, com a mesma quantidade de área de cana plantada, o que atenderia aos dois apelos: o de sustentabilidade e o de abertura de mercado. O etanol de segunda geração é o assunto central, e de maior expectativa atualmente, para a esperada evolução de um dos setores de maior crescimento e participação na economia brasileira. As pesquisas de laboratório demonstram viabilidade produtiva do etanol de segunda geração, através da hidrólise do material celulósico, mas os grandes problemas estão relacionados à ausência de plantas com escala de produção comercial, elevado tempo de processamento (hidrólise enzimática) e deterioração de equipamentos envolvidos no processo (hidrólise ácida), além da necessidade de melhores estudos, para entendimento da substituição do bagaço pela palha da cana-de-açúcar, no processo de geração de energia elétrica nas unidades industriais. Este trabalho demonstrou, considerando suas limitações e parâmetros, que a viabilidade econômica para o etanol de segunda geração está um pouco distante de ser atingida e depende do preço futuro do etanol. O rendimento adicional de 85% (oitenta e cinco por cento) de litros de etanol, por tonelada de cana processada, e o preço de R$ 800 (oitocentos reais) o metro cúbico, são dados de entrada em tese factíveis de serem obtidos para geração de lucro líquido, mas não para o VPL. As incógnitas são a velocidade do desenvolvimento da planta de grande escala de produção e comportamento de preços diante das perspectivas analisadas. Diante dos resultados obtidos e do exposto, há a clara possibilidade de autoafirmação do setor que, após décadas de insucessos, como o do Proálcool, e críticas às suas políticas de sustentabilidade (sócio-ambiental), vislumbra um cenário promissor para a perpetuação de sua hegemonia e vanguarda na produção de biocombustível (etanol), alimento (açúcar) e energia elétrica.

Criação de mercado de créditos de biocombustível avançado para geração de economia financeira e ambiental no comércio de etanol entre Brasil e Estados Unidos

O comércio de etanol entre Brasil e Estados Unidos é fortemente guiado por uma assimetria regulatória, que agrega valor ao etanol brasileiro ao gerar uma de-manda americana pelo produto derivado da cana de açúcar. A demanda advém dos mandatos de consumo de biocombustíveis estabelecidos no programa americano conhecido como Renewable Fuel Standard (RFS). A assimetria emerge pelo fato de RFS dar ao etanol brasileiro a classificação de Biocombustível Avançado, tornando-o para os Estados Unidos um produto mais nobre que o etanol derivado do amido de milho produzido domesticamente. Apesar dos processos produtivos tornarem os dois produtos diferenciados quanto ao teor de emissão de CO2 em seus ciclos de vida, o produto final é o mesmo: etanol anidro combustível. Portanto, quando a aquisição de etanol brasileiro pelos Estados Unidos é tal que torna o balanço do-méstico de oferta e demanda deficitário no Brasil, faz-se necessária a importação brasileira de etanol americano. Esse vai e vem do produto ocorre de forma simultâ-nea e, por isso, considera-se a existência de um fluxo redundante de etanol, geran-do custos logísticos, transacionais e emissões de CO2 que poderiam ser evitados. Dado que o objeto do interesse americano pelo produto brasileiro é o baixo índice de emissões de CO2 no ciclo de vida do etanol de cana de açúcar, o fluxo redun-dante de etanol pode ser substituído por transações de Créditos de Biocombustível Avançado, uma nova ideia que é desenvolvida ao longo deste trabalho. Para cada Crédito transacionado, os Estados Unidos contabilizarão em seu balanço a emissão de CO2 correspondente ao volume equivalente de etanol de cana de açúcar, trans-ferindo para o Brasil as emissões correspondentes ao mesmo volume de etanol de-rivado do amido de milho. A substituição do fluxo físico pela transação de contratos é a fonte de economia proposta no título deste trabalho.

EXHAUST EMISSIONS OF LOW LEVEL BLEND ALCOHOL FUELS FROM TWO-STROKE AND FOUR-STROKE MARINE ENGINES

The U.S. Renewable Fuel Standard mandates that by 2022, 36 billion gallons of renewable fuels must be produced on a yearly basis. Ethanol production is capped at 15 billion gallons, meaning 21 billion gallons must come from different alternative fuel sources. A viable alternative to reach the remainder of this mandate is iso-butanol. Unlike ethanol, iso-butanol does not phase separate when mixed with water, meaning it can be transported using traditional pipeline methods. Iso-butanol also has a lower oxygen content by mass, meaning it can displace more petroleum while maintaining the same oxygen concentration in the fuel blend. This research focused on studying the effects of low level alcohol fuels on marine engine emissions to assess the possibility of using iso-butanol as a replacement for ethanol. Three marine engines were used in this study, representing a wide range of what is currently in service in the United States. Two four-stroke engine and one two-stroke engine powered boats were tested in the tributaries of the Chesapeake Bay, near Annapolis, Maryland over the course of two rounds of weeklong testing in May and September. The engines were tested using a standard test cycle and emissions were sampled using constant volume sampling techniques. Specific emissions for two-stroke and four-stroke engines were compared to the baseline indolene tests. Because of the nature of the field testing, limited engine parameters were recorded. Therefore, the engine parameters analyzed aside from emissions were the operating relative air-to-fuel ratio and engine speed. Emissions trends from the baseline test to each alcohol fuel for the four-stroke engines were consistent, when analyzing a single round of testing. The same trends were not consistent when comparing separate rounds because of uncontrolled weather conditions and because the four-stroke engines operate without fuel control feedback during full load conditions. Emissions trends from the baseline test to each alcohol fuel for the two-stroke engine were consistent for all rounds of testing. This is due to the fact the engine operates open-loop, and does not provide fueling compensation when fuel composition changes. Changes in emissions with respect to the baseline for iso-butanol were consistent with changes for ethanol. It was determined iso-butanol would make a viable replacement for ethanol.

Parametric combustion modeling for ethanol-gasoline fuelled spark ignition engines

Ethanol-gasoline fuel blends are increasingly being used in spark ignition (SI) engines due to continued growth in renewable fuels as part of a growing renewable portfolio standard (RPS). This leads to the need for a simple and accurate ethanol-gasoline blends combustion model that is applicable to one-dimensional engine simulation. A parametric combustion model has been developed, integrated into an engine simulation tool, and validated using SI engine experimental data. The parametric combustion model was built inside a user compound in GT-Power. In this model, selected burn durations were computed using correlations as functions of physically based non-dimensional groups that have been developed using the experimental engine database over a wide range of ethanol-gasoline blends, engine geometries, and operating conditions. A coefficient of variance (COV) of gross indicated mean effective pressure (IMEP) correlation was also added to the parametric combustion model. This correlation enables the cycle combustion variation modeling as a function of engine geometry and operating conditions. The computed burn durations were then used to fit single and double Wiebe functions. The single-Wiebe parametric combustion compound used the least squares method to compute the single-Wiebe parameters, while the double-Wiebe parametric combustion compound used an analytical solution to compute the double-Wiebe parameters. These compounds were then integrated into the engine model in GT-Power through the multi-Wiebe combustion template in which the values of Wiebe parameters (single-Wiebe or double-Wiebe) were sensed via RLT-dependence. The parametric combustion models were validated by overlaying the simulated pressure trace from GT-Power on to experimentally measured pressure traces. A thermodynamic engine model was also developed to study the effect of fuel blends, engine geometries and operating conditions on both the burn durations and COV of gross IMEP simulation results.

Determinação de teor de biodieseis de algodão e pinhão manso em misturas com diesel usando espectroscopia no infravermelho médio e quadrados mínimos parciais

Biodiesel is a renewable fuel derived from vegetable oils or animal fats, which can be a total or partial substitute for diesel. Since 2005, this fuel was introduced in the Brazilian energy matrix through Law 11.097 that determines the percentage of biodiesel added to diesel oil as well as monitoring the insertion of this fuel in market. The National Agency of Petroleum, Natural Gas and Biofuels (ANP) establish the obligation of adding 7% (v/v) of biodiesel to diesel commercialized in the country, making crucial the analytical control of this content. Therefore, in this study were developed and validated methodologies based on the use of Mid Infrared Spectroscopy (MIR) and Multivariate Calibration by Partial Least Squares (PLS) to quantify the methyl and ethyl biodiesels content of cotton and jatropha in binary blends with diesel at concentration range from 1.00 to 30.00% (v/v), since this is the range specified in standard ABNT NBR 15568. The biodiesels were produced from two routes, using ethanol or methanol, and evaluated according to the parameters: oxidative stability, water content, kinematic viscosity and density, presenting results according to ANP Resolution No. 45/2014. The built PLS models were validated on the basis of ASTM E1655-05 for Infrared Spectroscopy and Multivariate Calibration and ABNT NBR 15568, with satisfactory results due to RMSEP (Root Mean Square Error of Prediction) values below 0.08% (<0.1%), correlation coefficients (R) above 0.9997 and the absence of systematic error (bias). Therefore, the methodologies developed can be a promising alternative in the quality control of this fuel.

Influence of iodine value on combustion and NOx emission characteristics of a DI diesel engine

Biodiesel is a renewable fuel that has been shown to reduce many exhaust emissions, except oxides of nitrogen (NOx), in diesel engine cars. This is of special concern in inner urban areas that are subject to strict environmental regulations, such as EURO norms. Also, the use of pure biodiesel (B100) is inhibited because of its higher NOx emissions compared to petroleum diesel fuel. The aim of this present work is to investigate the effect of the iodine value and cetane number of various biodiesel fuels obtained from different feed stocks on the combustion and NOx emission characteristics of a direct injection (DI) diesel engine. The biodiesel fuels were chosen from various feed stocks such as coconut, palm kernel, mahua (Madhuca indica), pongamia pinnata, jatropha curcas, rice bran, and sesame seed oils. The experimental results show an approximately linear relationship between iodine value and NOx emissions. The biodiesels obtained from coconut and palm kernel showed lower NOx levels than diesel, but other biodiesels showed an increase in NOx. It was observed that the nature of the fatty acids of the biodiesel fuels had a significant influence on the NOx emissions. Also, the cetane numbers of the biodiesel fuels are affected both premixed combustion and the combustion rate, which further affected the amount of NOx formation. It was concluded that NOx emissions are influenced by many parameters of biodiesel fuels, particularly the iodine value and cetane number.

Fermentação alcoólica de hidrolisado de farelo de mandioca usando levedura Saccharomyces cerevisiae álcool resistente

A matriz energética mundial é baseada em fontes fósseis e renováveis. No Brasil, o bioetanol é gerado principalmente a partir da cana-de-açúcar. Resíduos agroindustriais (fontes celulósicas ou amiláceas) despontam como biomassas alternativas à cana-de-açúcar, para aumentar a competitividade deste combustível renovável frente aos de origem fóssil e também favorecer a sustentabilidade e a segurança alimentar e energética, pois são ricos em polissacarídeos não diretamente fermentescíveis, abundantes (problema ambiental) e apresentam baixo valor comercial. O farelo de mandioca é um exemplo de resíduo sólido gerado na produção de fécula (amido) e farinha de mandioca que ainda contém, em média, 75% de amido. Consequentemente, deve ser previamente hidrolisado e posteriormente fermentado por leveduras do gênero Saccharomyces para gerar etanol. O objetivo deste estudo foi produzir bioetanol a partir de hidrolisados enzimáticos de farelo de mandioca, usando levedura álcool resistente (AR). Primeiramente, a concentração de açúcares obtida a partir da hidrólise enzimática foi verificada através de um planejamento fatorial completo (24), com triplicata no ponto central, a fim de investigar a influência dos seguintes fatores na hidrólise: concentração de α-amilase (Termamyl 2X), tempo de liquefação, concentração de glucoamilase (AMG 300L) e o tempo sacarificação. A condição de hidrólise mais favorável foi a do ensaio com 0,517 mL de AMG/g amido, 0,270 mL de Termamyl/g amido, 1h de tempo de liquefação e 2h de tempo de sacarificação. O caldo resultante da condição escolhida alcançou altas concentrações de glicose (160 g/L). Os ensaios de fermentação alcoólica foram realizados em duplicata em biorreator de 3L, em regime de batelada, a 30C, 100 rpm e pH 5,5. Cerca de 3 g/L (massa seca) de uma linhagem de levedura álcool tolerante, Saccharomyces cerevisiae Hansen BY4741, crescida por 12h em meio YEDP (2% de glicose) foram usados como inóculo. O mosto consistiu de um litro de hidrolisado (160 g/L de glicose) fortificado com extrato de levedura (1%) e peptona de carne (1%), além da adição de um antiespumante (Tween 80) na concentração de 0,05% (m/v). Em 30 horas de fermentação, a média da concentração de etanol obtida foi de 65 g/L. A eficiência foi de 87,6% e o rendimento e a produtividade foram 0,448 e 2,16 g/L.h, respectivamente. Os resultados indicaram a aplicabilidade do farelo de mandioca como matéria-prima para a produção de bioetanol

Cost of wind energy: comparing distant wind resources to local resources in the midwestern United States.

The best wind sites in the United States are often located far from electricity demand centers and lack transmission access. Local sites that have lower quality wind resources but do not require as much power transmission capacity are an alternative to distant wind resources. In this paper, we explore the trade-offs between developing new wind generation at local sites and installing wind farms at remote sites. We first examine the general relationship between the high capital costs required for local wind development and the relatively lower capital costs required to install a wind farm capable of generating the same electrical output at a remote site,with the results representing the maximum amount an investor should be willing to pay for transmission access. We suggest that this analysis can be used as a first step in comparing potential wind resources to meet a state renewable portfolio standard (RPS). To illustrate, we compare the cost of local wind (∼50 km from the load) to the cost of distant wind requiring new transmission (∼550-750 km from the load) to meet the Illinois RPS. We find that local, lower capacity factor wind sites are the lowest cost option for meeting the Illinois RPS if new long distance transmission is required to access distant, higher capacity factor wind resources. If higher capacity wind sites can be connected to the existing grid at minimal cost, in many cases they will have lower costs.

Estudo de viabilidade técnico-económica da instalação de caldeiras a biomassa para o aquecimento central do ISEP

Neste projeto pretende-se utilizar uma fonte energética renovável (nomeadamente a biomassa), no âmbito da produção de água quente para aquecimento central das instalações do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP). O objetivo principal remete para a avaliação técnico-económica da substituição das quinze caldeiras existentes, alimentadas a gás natural, por seis caldeiras alimentadas a biomassa, nomeadamente a pellets. Desta forma, permite-se apostar na biomassa como uma alternativa para reduzir a dependência dos combustíveis fósseis. Neste trabalho apresenta-se uma comparação realista do sistema de aquecimento existente face ao novo a implementar, alimentado por um combustível renovável utilizando caldeiras a pellets de 85% de rendimento. Para realizar esta comparação, usou-se as faturas energéticas de gás natural do ISEP, o custo da quantidade equivalente necessária de pellets, os custos de manutenção dos dois tipos de caldeiras e, os custos do consumo de energia elétrica por parte de ambas as caldeiras. Com este estudo, estimou-se uma poupança anual de 84.100,76 €/ano. Determinaram-se experimentalmente, em laboratório, os parâmetros essenciais de uma amostra de pellets, que foram usados para calcular as necessidades energéticas em biomassa no ISEP, bem como a produção de cinzas gerada por parte das caldeiras. Foi proposto um destino ambientalmente adequado para os 788,5 kg/ano de cinzas obtidas – a utilização na compostagem, após tratamento e aprovação de ensaios ecotoxicológicos realizados pela empresa que fará a sua recolha. As caldeiras a pellets terão um consumo mínimo teórico de 16,47 kgpellets/h, consumindo previsivelmente 197,13 tpellets/ano. Para este efeito, serão usadas caldeiras Quioto de 150 kW da marca Zantia. Para comparar distintas possibilidades de investimento para o projeto, avaliaram-se dois cenários: um foi escolhido de forma a cobrir o somatório da potência instalada das caldeiras atuais e o outro de forma a responder aos consumos energéticos em aquecimento atuais. Além disso, avaliaram-se cenários de financiamento do investimento distintos: um dos cenários corresponde ao pagamento do investimento total do projeto no momento da aquisição das caldeiras, enquanto o outro cenário, mais provável de ser escolhido, refere-se ao pedido de um empréstimo ao banco, no valor de 75% do investimento total. Para o cenário mais provável de investimento, obteve-se um VAL de 291.364,93 €/ano, com taxa interna de rentabilidade (TIR) de 17 %, um índice de rentabilidade (IR) de 1,85 e um período de retorno (PBP) de 5 anos. Todos os cenários avaliados registam rentabilidade do projeto de investimento, sem risco para o projeto.