ZOBACZ część 1 - Wyższa Szkoła Ekonomii i Administracji w Bytomiu

ZOBACZ część 1 - Wyższa Szkoła Ekonomii i Administracji w Bytomiu

Prof. dr hab. inż. Włodzimierz Kotowski
Wyższa Szkoła Ekonomii i Administracji w Bytomiu
ROZWÓJ PRODUKCJI BIOPALIW W UNII EUROPEJSKIEJ
Rozwój produkcji biopaliw bywa nie tylko stymulowany rosnącymi cenami oraz
szybko malejącymi zasobami nieodnawialnych nośników energii, ale również pokaźną
– i stale zwiększającą się – wytwórczością różnorakiej biomasy, którą w relatywnie
prosty sposób przetwarza się do etanolu, ekologicznego oleju napędowego –
powszechnie określanego jako biodiesel – oraz do syntetycznej ropy. Dodatkowym
czynnikiem rozwoju tych procesów jest ograniczenie emisji do atmosfery gazów
cieplarnianych wraz z innymi zanieczyszczeniami, a nawet truciznami.
Biopaliwa są definiowane jako odnawialne nośniki energii, uzyskiwane z
biomasy, którą traktuje się jako składową organicznych materiałów ekosystemu.
Alternatywne składniki oraz bazy surowcowe wytwarzania biopaliw
Dla silników Otta oraz Diesla istnieją różnorakie opcje paliwowe [1-4]. Obok
bazy nieodnawialnych surowców: gaz ziemny, który wg procesu Fischera-Tropscha
przetwarza się obecnie do syntetycznej ropy (Gtl-Gas-to-Liguid), czy węgiel (Gtl-Coalto-Liguid), są biopaliwa, które można również wytwarzać z biomasy na tej samej
drodze technologicznej (Btl-Biomass-to-Liguid) [5].
Obecnie istnieją następujące opcje wytwarzania biopaliw o rozmaitych
możliwościach stosowania:
-
Biodiesel, bywa wytwarzany na drodze katalitycznej reestryfikacji olejów
roślinnych z metanolem. W tym procesie wydziela się z surowca około 10%
mas. gliceryny, którą zastępuje metanol. Tak powstają estry metylowe kwasów
tłuszczowych. W Europie wśród olejów roślinnych dominuje olej rzepakowy,
który można zastąpić tłuszczami zwierzęcymi oraz przepracowanymi olejami
roślinnymi.
Gęstość produktu wynosi 0,88 kg/l, a ciepło spalania 32,65 MJ/l (37,1 MJ/kg),
które jest niższe od oleju napędowego ropy. 1 litr biodiesla wg wartości spalania
zastępuje 0,91 l oleju napędowego.
1
Oba te paliwa można mieszać z sobą w dowolnej proporcji i każde z nich bywa
stosowane również samodzielnie w silnikach Diesla (jeśli wytwórcy aut zezwalają
na stosowanie samego biodiesla). Najczęściej tankowane są mieszanki 5,5% obj.
biodiesla w oleju napedowym z ropy, co zapewnia pełne spalanie (bez tworzenia
się sadzy) tego drugiego.
Produkcja biodiesla w Unii Europejskiej charakteryzuje się pokaźną dynamiką
rozwojową w latach 1992-2005, co demonstruje rys. 1, a dla wybranych krajów
UE ilustruje rys. 2. Natomiast kształtowanie się kosztów wytwarzania biodiesla w
większości krajów Europy w roku 2005 ujęto rys.3.
-
Oleje roślinne są nie tylko surowcem dla wytwórczości biodiesla, ale mogą
być zastosowane
bezpośrednio do napędu wolnoobrotowych silników
pojazdów i maszyn w rolnictwie oraz w przemyśle budowlano-montażowym.
Konieczne są niewielkie uzupełnienia w aucie – między innymi drugi zbiornik
paliwa, ogrzewany spalinami do około 130-150°C dla uzyskania optymalnej
lepkości wtryskiwanego do cylindrów oleju.
Gęstość oleju roślinnego wynosi 0,92 kg/l, a ciepło spalania 34,59 MJ/l (37,6
MJ/kg). Porównując te wartości z olejem napędowym z ropy, trzeba 1 litr
pierwszego, jako ekwiwalentu 0,96 litra drugiego.
Różnice w cenach między biopaliwem a olejem napędowym z ropy czynią koszty
koniecznych przeróbek w aucie – w ostatecznym bilansie opłacalnymi.
-
Etanol bywa nie tylko wytwarzany z surowców, zawierających cukier czy
krochmal (zboże, kartofle), ale również lignocelulozę (drewno, słomę, trawę i
odpady organiczne). Gęstość produktu wynosi 0,79 kg/l, a wartość opałowa
21,17 MJ/litr (26,8 MJ/kg). W odniesieniu do tej wartości opałowej 1 litr
etanolu równoważy 0,65 litra benzyny.
Wg norm europejskich dopuszcza się dodawanie 5% etanolu do benzyn,
aczkolwiek istniejące konstrukcje silników Otta dopuszczają 10-procentowy
udział tego biopaliwa w tym, pochodzącym z przerobu ropy.
Etanol bywa również stosowany do produkcji etylowego eteru tertbutylowego na jonitowym katalizatorze w temperaturze otoczenia wg reakcji:
CH3- CH2-OH + CH2 = CH-CH2-CH3
CH3-CH2-O- CH-CH2-CH3
CH3
2
Proces jest silnie egzotermiczny i dla zapewnienia efektywnego chłodzenia strefy
syntezy przebiega w kilku reaktorach z intensywnym chłodzeniem, co ilustruje
rys. 5, obejmujący następujące węzły:
-
Trójstopniowy węzeł reakcyjny z dwoma równolegle pracującymi
reaktorami rurkowymi w pierwszym stopniu, a potem dwoma
szeregowymi reaktorami zbiornikowymi.
-
Kolumna rektyfikacyjna z dolnym odbiorem eteru etylo-tertbutylowego (EETB).
-
Odzysk etanolu z kolumną ekstrakcyjną przy użyciu wody.
-
Oczyszczanie frakcji C4 od związków tlenowych na drodze odsorpcji
oraz destylacji stripingowej.
Ilość dodawanego etanolu do benzyn w wybranych krajach Unii Europejskiej w
2004 roku ujmuje poniższa tabela:
1
Niemcy
210 000 ton
2
Francja
80 887 ton
3
Polska
38 000 ton
4
Szwecja
200 000 ton
5
Hiszpania
152 000 ton
6
Czechy
7
Litwa
47 000 ton
2 000 ton
Razem
729 887 ton
Koszty produkcji etanolu w krajach Unii Europejskiej w 2004 roku ilustruje rys. 4
z uwzględnieniem buraków cukrowych i pszenicy jako surowców.
-
Syntetyczna ropa, zwana w skali międzynarodowej Sun-Fuel, obejmuje
węglowodory w konfiguracji łańcuchowej. Wytwarza się ją na drodze
tlenowo-parowego zgazowania, przede wszystkim
drewna i słomy z
możliwością dodawania do powyższych odpadów organicznych (łącznie z
wyselekcjonowanymi odpadami komunalnymi).
Wytworzony na tej drodze gaz syntezowy, zawieszający mieszaninę tlenku węgla
i
wodoru,
zostaje
z
udziałem
katalizatorów
(najczęściej
żelazowych)
przetworzony do syntetycznej ropy metodą Fischera-Tropscha. Uzyskany produkt
charakteryzuje się gęstością w granicach 0,76-0,79 kg/l oraz ciepłem spalania
33,45 MJ/l (43,9 MJ/kg). Wg tego ostatniego parametru 1 litr tak wytworzonej
3
syntetycznej ropy jest ekwiwalentem 0,97 litra oleju napędowego z ropy
neutralnej.
Istnieje kilka technologii przetwarzania biomasy do ropy syntetycznej, ale
najbardziej dojrzałą badawczo-wdrożeniowo jest niemiecka wersja pod nazwą
„CHOREN”. Opracowano ją na uniwersytecie technicznym, w akademii górniczej
we Freibergu. Jest to wysoce efektywny proces, tym znamienny, że z 1 ha uprawy
roślin energetycznych – przykładowo wierzby krzaczastej – uzyskuje się aż 4 tony
paliw silnikowych. Tymczasem w przypadku uprawy rzepaku, z 1 ha można
uzyskać jedynie jedną tonę biodiesla.
Schemat procesowy wytwarzania syntetycznej ropy z biomasy metodą
„CHOREN” ilustrują rys. 6a-b. Wg rys. 6-a zrębki drewna poddaje się pirolizie w
temperaturze 550-600°C, a uzyskane opary, gaz z węglem drzewnym poddaje się
następnie tlenowo-parowemu zgazowaniu. Znamiennym w tej operacji jest
wdmuchiwanie rozpylonego węgla drzewnego do płomienia zgazowania. Tu
bowiem powstający ubocznie ditlenek węgla reaguje z węglem drzewnym wg
reakcji Boudourda
CO2 + C
─►
2CO
Dzięki czemu odpadowy składnik procesu zgazowania zostaje przemieniony w
główny komponent procesu syntezy Fischera-Tropscha, biegnący wg reakcji
H
2CO + H2
kat. Fe
C
+ CO 2
H
co już ilustruje rys. 5-b.
Wytwarzanie składników syntetycznej ropy można z mieszaniny
CO + H2
przeprowadzić w rozmaitych reaktorach i na różnych katalizatorach. Dziś
dominują katalizatory żelazowe. Ich preparatyką można w znacznych granicach
regulować stosunek wytwarzanej benzyny do oleju napędowego. Na tym rysunku
przedstawiono reaktor z fluoidalnym złożem katalizatora. Proces syntezy
Fischera-Tropscha jest silnie egzotermiczny, co wymusza montaż kotła wodnoparowego w reaktorze. Pylisty katalizator jest w obiegu i reaktywowany
wypalaniem osadzającego się na nim koksu.
Na podkreślenie zasługuje fakt, że olej napędowy z tej syntezy ma liczbę
cetanową powyżej 70 jednostek, podczas gdy uzyskany z ropy utrzymuje ten
parametr poniżej 57 jednostek.
4
W warunkach RFN omawiany proces będzie konkurencyjny do naturalnej ropy
przy jej cenie 73-75 USD/baryłkę.
W zakończeniu należy podkreślić, że w skali pilotowej opanowano bezpośrednią
przemianę biomasy do gazu wysokowodorowego dla ogniw paliwowych na drodze
zgazowania powyższej samą parą wodną o parametrach nadkrytycznych w granicach
780-850°C. Pierwszą instalację tego typu uruchomili w 2004 roku Austriacy w
miejscowości Güssing [6].
Poza tym opanowano wydzielanie czystego metanu z wiejsko-gminnych biogazowni,
przetwarzających na drodze beztlenowej fermentacji odpady przemysłu rolnospożywczego. Metan ten, o czystości 98% obj. nadaje się jako paliwo do silników
spalinowych [7]. Oba te procesy są obecnie na etapie pojedynczych wdrożeń
przemysłowych i w bilansie paliw silnikowych nie zajmują żadnych znaczących
pozycji.
W średnim oraz dłuższym horyzoncie czasowym powstaną nowe, wielce
obiecujące opcje procesowe wytwarzania paliw silnikowych z biomasy oraz
różnorakich odpadów organicznych – tak komunalnych, jak i przemysłowych. Rozmiar
tych działań badawczo-wdrożeniowych będzie jednak zależał od rozmiarów wsparcia
przez parlamenty i rządy przede wszystkim krajów wysokorozwiniętych.
SUMMARY
The determinant factors were presented for rapid growth in the production of biofuels.
Not only was conversion of vegetable oils to the environmentally-friendly diesel oil
shown but also the possibility of using the neat vegetable oil as a fuel for Diesel engines
was described. Also, the processes were characterised for the production of ethanol
from specific feeds, and so was the production of synthetic petroleum by the FischerTropsch method – based on gasification of biofuels. Principal European producers of
ethanol-containing gasoline grades were specified.
5
LITERATURA
[1]
Gülzow V., Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe, RFN, 2006, s. 74.
[2]
Evers D., Europäischer Biodieselverband, European Biodiesel Board, RFN, 2005,
s. 56
[3]
Schmitz N., Biokraftstoffe – eine vergleichende Analyse; Bundesministerium für
Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz, RFN, 2006.
[4]
USDA, Gain report – E35058, IE-Studie, RFN, 2005, s. 251
[5]
Baitz M., Vergleichende Ökokbilanz von SunDiesel (Choren-Verfahren) und
konventionellem Dieselkraftstoff, Volkswagen AG und DaimlerChrysler AG, RFN,
2004, s. 187
[6]
Kotowski W., Przemysł Chemiczny, 2006, s. 1284
[7]
Kotowski W., Gigawat Energia, 2006, t 25, s. 82
6