Streszczenie Abstract - Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony

Archives of Waste Management
Archiwum Gospodarki Odpadami
and Environmental Protection
http://ago.helion.pl
ISSN 1733-4381, Vol. 9 (2008), p-01-10
Rozwój produkcji biopaliw w Polsce i na świecie
Klecan R.
Instytut Materiałów Ogniotrwałych - Gliwice
ul. . Toszecka 99, 44-100 Gliwice
tel. +48 32 32 2701965, fax +48 32 2701934,
e-mail [email protected]
Streszczenie
Przedstawiono rozwój produkcji klasycznych biopaliw (biodiesla i bioetanolu) w Polasce
i na świecie oraz dylematy surowcowe związane z tym rozwojem. Zwrócono uwagę na
potrzebę uruchomienia produkcji nowej generacji biopaliw, co wiąże się z problemem
zagospodarowania gliceryny stanowiącej produkt uboczny w procesie transestryfikacji.
Prace nad wykorzystaniem gliceryny są stale prowadzone i uzyskiwane są pewne sukcesy
na tym polu, ale nadprodukcja gliceryny stanowi ciągle poważny problem, który
podwyższa koszty produkcji klasycznych biopaliw. Pominięcie etapu wytwarzania
gliceryny, dzięki opracowaniu nowych technologii prowadzi do biopaliw nowej generacji.
Efektem tych prac jest zastąpienie surowców stanowiących źródło żywności człowieka
biomasą z odpadów roślinnych oraz zmniejszenie emisji CO2, która jest konsekwencją
karczowania i palenia lasów tropikalnych pod zakładanie plantacji palmowców. Łączy się z
tym także poprawa własności użytkowych biopaliw oraz zwiększenie potencjału paliw
alternatywnych dla paliw pochodzenia naftowego.
Abstract
The development of biofuels production in Poland and in the World
The development of conventional biofuels (biodiesel and bioethanol) production and
dilemmas connected with raw materials used for this production were presented. Special
attention was paid to the production of new generation biofuels, which is connected with
the management of glycerine –the main by-product of transestrification process.
Investigations on the utilization of this by-product are continued but glyceryne
overproduction is still a serious problem, increasing the costs of conventional biofuels
production. The elimination of glyceryne production stage by applying new technologies
leads to new generation biofuels. As a result it is possible to substitute raw materials from
food industry by plant waste biomass and to limit CO2 emission due to the destruction of
tropical forests for establishing palm-tree plantation. Moreover new technologies enable
improving the properties of new biofuels and increasing the economic potential of
alternative fuels for standard oil-based fuels.
2
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 9(2008)
1. Wstęp
Biopaliwa to biodiesel i bioetanol. Biodiesel to estry metylowe, rzadziej etylowe wyższych
kwasów tłuszczowych otrzymywane w drodze transestryfikacji metanolem lub etanolem
olejów roślinnych, np. oleju rzepakowego, sojowego, słonecznikowego lub palmowego.
Olej roślinny to triglicerydy. Cząsteczka triglicerydu zbudowana jest z trzech reszt
kwasowych kwasów tłuszczowych oraz jednej cząsteczki gliceryny. W reakcji
transestryfikacji trigliceryd reaguje z alkoholem najczęściej w obecności katalizatora
zasadowego, w wyniku czego powstają trzy cząsteczki estrów kwasów tłuszczowych
(zwykle są to estry metylowe lub etylowe kwasów tłuszczowych) oraz jedna cząsteczka
gliceryny (1).
Reakcja ta zachodzi w następujący sposób:
(1.1.)
Na przebieg i efektywność transestryfikacji mają wpływ następujące parametry: stosunek
molowy alkoholu do oleju roślinnego, ilość i rodzaj katalizatora, temperatura i czas reakcji,
obecność wolnych kwasów tłuszczowych (WKT) oraz woda. W procesie tym stosuje się
katalizatory zasadowe bądź kwasowe lub enzymy. Transestryfikacja z użyciem katalizatora
zasadowego KOH lub NaOH w ilości 1,4% to obecnie podstawowa metoda otrzymywania
estrów. Najważniejszym parametrem w procesie transestryfikacji jest stosunek molowy
reagentów (alkoholu do oleju roślinnego). Zgodnie ze stechiometrią przedstawionego
powyżej równania, stosunek ten powinien wynosić 3:1, jednak w rzeczywistości potrzebny
jest nadmiar alkoholu, zwykle 6:1 lub więcej, w zależności od stosowanego oleju, aby
uzyskać zadowalający stopień konwersji. Ważnym czynnikiem jest też temperatura reakcji,
która dla procesu na skalę przemysłową zalecana jest na poziomie temperatury pokojowej.
Prowadzi się też reakcje w temperaturze podwyższonej (30, 45 i 600C). Reakcja przebiega
wówczas w krótszym czasie, jednak powyżej 500C następuje spadek wydajności reakcji ze
względu na negatywne oddziaływanie takiej temperatury na katalizator i zachodzące
zmydlanie się tłuszczów. Także czas reakcji to ważny parametr. Uwzględnia się tu jednak
nie tylko samą reakcję transestryfikacji, ale również czas potrzebny na rozdzielenie się
warstwy glicerynowej i warstwy estrowej. Katalizatora zasadowego używa się znacznie
mniej niż kwasowego. Ten ostatni może prowadzić do korozji. Lepszym katalizatorem od
NaOH jest KOH, reakcja trwa w jego obecności tylko 1 godzinę w temperaturze
pokojowej, podczas gdy NaOH wymaga 14 godzin. Metanol stosowany w reakcji daje
znacznie lepsze rezultaty od etanolu.
Reakcja alkoholizy z metanolem przebiega w krótszym czasie i z lepszą konwersją niż dla
etanolu. W przypadku katalizatora kwasowego potrzebny jest znacznie większy nadmiar
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 9(2008)
3
alkoholu do oleju niż w transestryfikacji zasadowej. Stosunek molowy reagentów waha się
nawet w granicach od 30:1 do 300:1.
Ważne są też temperatura reakcji – podwyższona w granicach 600C oraz jej czas – dłuższy
niż dla transestryfikacji zasadowej, wynoszący ponad dwie godziny. Do najczęściej
stosowanych katalizatorów kwasowych należy kwas siarkowy, fosforowy, solny i niektóre
kwasy organiczne. W transestryfikacji kwasowej obecność WKT nie jest czynnikiem
przeszkadzającym. Jest tu też większa tolerancja na obecność wody w porównaniu
z transestryfikacją zasadową. Transestryfikacja enzymatyczna (stosuje się zwykle enzym –
lipazę) jest porównywalna, jeśli chodzi o konwersję, z wynikami otrzymywanymi
z transestryfikacji zasadowej czy kwasowej. Omija się natomiast konieczność usuwania
katalizatora z produktu oraz przeszkadzających w procesie WKT i wody. Największą wadą
tego procesu jest relatywnie wysoki koszt [2].
Bioetanol jest odwodnionym alkoholem etylowym ze spirytusu surowego. Produkcja
spirytusu prowadzonego w gorzelniach opiera się na przeróbce surowców roślinnych
bogatych w węglowodany np. zboża, ziemniaki, buraki cukrowe. Bioetanol jako paliwo
znajduje zastosowanie w silnikach benzynowych jako 5%-owy dodatek do benzyny. Taką
ilość dopuszcza krajowa i europejska norma dotycząca jakości benzyn EN 228.
W Polsce rafinerie mają możliwość stosowania 5%-owego dodatku bioetanolu od 1993,
ale wcześniej bo już w 1991 roku prowadzone były próby wprowadzania alkoholu
etylowego do benzyny silnikowej, początkowo do benzyny silnikowej zawierającej
czteroetylek ołowiu, a od roku 1996 także do benzyny silnikowej bezołowiowej. W roku
1998 dwie trzecie wytworzonego bioetanolu zostało wprowadzone do benzyny, a jedynie
jedna trzecia dla celów spożywczych.
2. Aktualny stan produkcji biopaliw w Polsce i na świecie
Biopaliwa stanowią pożyteczne uzupełnienie rynku paliw ropopochodnych. Do 2010 roku
udział ich ma sięgnąć 5,75%. W polskich warunkach wydaje się to jednak nierealne.
Jedynie PKN Orlen dysponuje dużą nowoczesną instalacją do produkcji estrów
rzepakowych w Rafinerii Trzebinia o wydajności 100 tys. ton/rok [3]. Budowana jest druga
instalacja przez grupę LOTOS S.A. o identycznej wydajności w Rafinerii Czechowice wg
technologii niemieckiej dr Connemanna (Process CD). Głównymi surowcami będą olej
rzepakowy i metanol. Planuje się też stosowanie innych olejów dostępnych na rynku np.
oleju palmowego lun sojowego. Proces produkcyjny polega na reakcji transestryfikacji
zasadowej wg (1.1) (2.1). Proces estryfikacji kwasów tłuszczowych prowadzony jest
w temperaturze 60-800C, pod ciśnieniem atmosferycznym, w nadmiarze metanolu, na
katalizatorze kwasowym (np. H2SO4) wg reakcji:
R-COOH + CH3OH
katalizator
> R-COOCH3 + H2O
kwasowy
kwas metanol biodiesel woda
tłuszczowy
(2.1)
4
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 9(2008)
Instalacja do ciągłej produkcji biodiesla składa się z sześciu węzłów technologicznych,
których podstawowym celem jest odśluzowanie (usunięcie związków fosforu
i zanieczyszczeń), neutralizacja alkoholem (neutralizacja WKT), transestryfikacja
(otrzymywanie biodiesla), odzysk metanolu i wydzielenie WKT, estryfikacja kwasowa
(poprawia efektywność instalacji) oraz odparowanie gliceryny (otrzymywanie gliceryny
surowej). Technologia CD ma wiele zalet. Odśluzowanie prowadzone jest w procesie
jednostopniowym (z nasterowaniem specjalnej wirówki), co pozwala na zmniejszenie
zużycia energii elektrycznej. Olej nie wymaga suszenia, dzięki czemu proces jest przyjazny
dla środowiska. Integracja cieplna układu ester – surowy olej pozwala na wyeliminowanie
konieczności stosowania kotła cieplnego. Węzeł neutralizacji alkoholowej pozwala na
wielokrotne zastosowanie wodorotlenku sodu, który działa jako katalizator w procesie
transestryfikacji oraz neutralizuje WKT. W rezultacie jego zużycie ilość zanieczyszczeń
(soli) są mniejsze. Odwadnianie jest prowadzone przez chłonący wilgoć metanol zamiast
suszenia. Dokładne usunięcie śluzów eliminuje problemy związane z tworzeniem emulsji
i poprawia uzysk biodiesla. Istotną zaletą technologii CD jest możliwość konwersji
wytworzonych w procesie i dodatkowych kupowanych na rynku tanich kwasów
tłuszczowych do biodiesla, co znacznie wpływa na poprawę wskaźników ekonomicznych
procesu. Technologia Connemanna jest stosowana w kilku państwach Europy, przede
wszystkim w Niemczech. Opierając się na tej technologii wybudowano instalacje o łącznej
wydajności ok. 600 tys. ton/rok. W najbliższych planach jest budowa następnych instalacji
w Europie o mocy prawie 900 tys. ton/rok i 650 tys. ton/rok w pozostałych częściach
świata. Na korzyść technologii CD Process przemawia jakość uzyskiwanych produktów.
Biodiesel produkowany wg tej technologii przewyższa wymagania normy EN 14214 m.in.
w zakresie zawartości wody, temperatury zapłonu, liczby kwasowej, zawartości gliceryny,
metanolu i zanieczyszczeń [4]. Mimo, że dodawanie biokomponentów zmniejsza
w oczywisty sposób nasze uzależnienie od importowanej ropy ciągle trwają uzgodnienia
międzyresortowe nad przyjętą już przez rząd ustawą o biokomponentach i biopaliwach
ciekłych, przygotowaną przez Ministerstwo Gospodarki. Jeśli od stycznia 2008 roku
wejdzie obligatoryjny nakaz stosowania biokomponentów istnieje obawa, że może ich
brakować. Mogłoby to podwyższyć ceny paliw, bo potrzebny byłby kosztowny import.
Promocja biopaliw to jeden z programów UE. W dyrektywie z 2003 roku UE zaleciła,
aby w 2005 roku paliwa silnikowe sprzedawane w państwach członkowskich zawierały 2%
biokomponentów. Komisja Europejska szacuje, że rzeczywiście paliwa zawierały najwyżej
1,4% biokomponentów. W wielu państwach UE np. w ogóle nie dolewa się etanolu do
benzyny. Częściej sprzedaje się olej napędowy z dodatkiem estrów. Wynika to
z popularności samochodów z silnikami Diesla – w niektórych państwach 70% udziału
w sprzedaży stanowią auta z tymi silnikami. Moda na diesle wywołała z kolei wielki
deficyt oleju napędowego. Np. Francja musi importować, aż jedną trzeci oleju napędowego.
Przez promocję oleju napędowego z dodatkiem estrów pragnie ograniczyć ten import. We
Francji w 2005 roku paliwa miały zawierać 2% biokomponentów. Kto nie spełnił tego
obowiązku, musiał zapłacić specjalny podatek. Najwięcej biokomponentów w krajach
europejskich dodawano do paliw w 2005 roku w Szwecji (3%). Rys. 2.1 przedstawia udział
biokomponentów w paliwach w niektórych krajach UE w 2005 roku.
Połowa francuskich stacji benzynowych sprzedaje olej napędowy z 5% dodatkiem estrów.
Aby udział biopaliw mógł osiągnąć na rynku francuskim poziom 5,75% w 2010 roku,
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 9(2008)
5
uprawy rzepaku muszą objąć we Francji areał 1 mln ha. Co zaś dotyczy etanolu, aby
osiągnąć cele wytyczone przez UE trzeba będzie wyprodukować we Francji w 2010 roku
7,5 mln hl etanolu. Wraz z powierzchniami przeznaczonymi pod uprawę rzepaku konieczne
będzie przeznaczenie we Francji pod uprawy roślin energetycznych ok. 1,3 mln ha,
tj. więcej niż pod uprawy na potrzeby przemysłów cukrowniczego i gorzelnianego.
W Niemczech już w 2009 roku benzyna ma zawierać 2% etanolu, a olej napędowy – 4,4%
estrów.
Premier Szwecji Göran Persson pod koniec 2005 roku oświadczył, że Szwecja w 2020 roku
ma być uniezależniona strategicznie od ropy naftowej. Realizację tej polityki rozpoczęto
od komunikacji miejskiej w Sztokholmie, gdzie pojawiły się autobusy przystosowane do
jazdy na 95%-owym bioetanolu. Coraz więcej samochodów osobowych jeździ na 85%owym bioetanolu. W Szwecji nie dyskutuje się, czy biopaliwa szkodzą samochodom, czy
nie, bo nie wlewa się ich do tradycyjnych silników. Potrzebne są nowe konstrukcje
silników przystosowane do tego typu paliw. Opracowano nowoczesne silniki
przystosowane do spalania bioetanolu i biogazu wytwarzanego przez lokalnych farmerów z
odpadów po produkcji rolniczej: gnojowicy lub obornika. W Polsce skorzystano ze wzorów
francuskich – we Francji autobusy jeżdżą na mieszance tradycyjnego diesla (70%) i
biodiesla (30%). We Wrocławiu przyjęto (w drodze eksperymentu), że autobusy miejskie
mogą korzystać z nowego paliwa bez konieczności zmian konstrukcyjnych. Podobną
tolerancję wykazano w samochodach ciężarowych. Maszyny rolnicze mają jeszcze niższe
wymagania i możliwa jest ich eksploatacja nawet na stuprocentowym oleju roślinnym.
W odniesieniu do samochodów samochodach osobowych stwierdzono, że możliwy jest
nawet 15%-owy udział bioetanolu, szczególnie dotyczy to starszych samochodów, nie
posiadających wrażliwych na zanieczyszczenie wtryskiwaczy. W czerwcu 2006 roku rząd
polski przyjął projekt ustawy o biokomponentach i biopaliwach ciekłych. Prawo to ma
obowiązywać od 1 stycznia 2008 roku. Na stacjach benzynowych mają być osobne
dystrybutory, których ciągle jest bardzo mało. Założeniem ustawy było, że paliwa
zawierające biokomponenty miały być tańsze. Rolnicy polscy już od stycznia 2007 roku
mogą produkować do 100 litrów biopaliw na hektar, ale tylko na własne potrzeby, pod
warunkiem, że minimum 50% biokomponentów będzie pochodziło z ich produkcji własnej.
Biopaliwa przede wszystkim mają być stosowane w rolnictwie, jest nimi zainteresowane
również wojsko. Pod koniec 2006 roku Ministerstwo Finansów zmniejszyło ulgi
podatkowe na biopaliwa. Z podatku całkowicie zwolnione są biokomponenty – etanol
dolewany do benzyny oraz estry dodawane do oleju napędowego. Obniżono natomiast ulgę
w podatku akcyzowym od paliwa z dodatkiem biokomponentów z 2,2 zł do 1 zł za litr
biopaliwa, a w przypadku benzyny do 1,5 zł. Ulga ta jest proporcjonalna do ilości
dodawanych biokomponentów. Promowane też są biopaliwa dopłatami do upraw roślin
energetycznych (45 euro za hektar z kasy unijnej oraz dodatkowo 176 zł na hektar).
W sumie rolnicy obsiali w Polsce rzepakiem 680 tys. hektarów. Zgodnie z dyrektywą
unijną biopaliwa do 2010 roku muszą stanowić przynajmniej 5,75% sprzedawanych paliw,
a do 2020 roku – do 20%. Minister Gospodarki Piotr Woźniak w lutym 2007 roku
stwierdził, że Polska jest w stanie zwiększyć znacząco udział odnawialnych źródeł energii,
ale poziom 20% w 2020 roku nie będzie osiągalny. Rys. 2.2. przedstawia prognozy udziału
biokomponentów w produkcji paliw w Polsce w latach 2004-2014. Podatek akcyzowy
w marcu 2007 roku został poddany „lekkiej modyfikacji”. Zamiast 1 zł za litr bioestru przy
6
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 9(2008)
produkcji oleju napędowego i 1,50 zł/litr przy bioetanolu – Resort Gospodarki zwiększył
nieznacznie ulgę odpowiednio do 1,048 zł i 1,565 zł. Resort Gospodarki zaproponował ulgę
w podatku dochodowym. Firmy wytwarzające biopaliwa będą mogły odliczyć od podatku
19% nadwyżki kosztów wytworzenia biokomponentów nad kosztami wytworzenia paliw
ciekłych o takiej samej wartości opałowej. Przewiduje się też dziesięciokrotne zwiększenie
kar dla tych producentów paliw, którzy nie będą dolewali biokomponentów do paliwa (25
gr za litr wyprodukowanego paliwa bez biodolewki).
3
Udział [%]
2,5
2
1,5
1
0,5
Da
ni
a
ęg
ry
W
an
ia
W
lk
.B
ry
t
Po
ls
ka
W
ło
ch
y
Ni
em
cy
Fr
an
cj
a
Sz
w
ec
ja
0
Rysunek 2.1 Udział biokomponentów w paliwach w UE, 2005 r. (Źródło: Komisja
Europejska [5])
8
7,55
6,65
5,75
Udział [%]
6
7,1
6,2
4,6
4
3,45
2
2,3
0,3
0,48
0
2004
2005
0,9
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
Rysunek 2.2 Prognozy udziału biokomponentów w produkcji paliw w Polsce w latach
2004-2014. Źródło: Ministerstwo Finansów [6]
W Europie wielkie koncerny inwestują w produkcję biopaliw. Np. Statoil uruchomił pod
koniec 2006 roku we wschodniej Norwegii pierwsze dystrybutory z 5%-biodieslem, a do
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 9(2008)
7
połowy 2007 roku już w blisko 200 stacjach w Norwegii. Ten sam koncern rozpoczął także
sprzedaż BIO-5 w Szwecji. ConocoPhilips rozpoczął produkcję biopaliw głównie z soi
w Irlandii. W Rafinerii Cork powstaje dziennie 150 tys. litrów biodiesla. BIO-5 dostępny
jest też na stacjach Total w Belgii. Ten sam Total stawia również na bioetanol. W Paryżu
i innych miastach Francji ma być uruchomionych 200 dystrybutorów BIO-85 (mieszanka
85% bioetanolu i 15% benzyny). Jeszcze dalej idzie fiński koncern Neste Oil, który
zbudował dużą wytwórnię biodiesla na terenie Rafinerii w Porvoo o wydajności 170 tys.
ton rocznie. Równocześnie rozpoczął budowę drugiej instalacji o takiej samej wydajności.
Miała być uruchomiona w lecie 2007 roku. Koncern podpisał umowy na import z Malezji
oleju palmowego, który ma być głównym surowcem w nowym zakładzie. Neste Oil chce
też rozwijać produkcję biopaliw w innych częściach Europy. W Francji z firmą Total, a w
Austrii z OMV. Zachętą są prognozy sprzedaży bioestrów w Europie, która z obecnych 2
mln ton rocznie ma w 2012 roku zwiększyć się do blisko 15 mln ton. Niemcy zapowiadają,
że już w 2007 roku wyprodukują 2 mln ton bioestrów i 1 mln ton bioetanolu. Światowym
liderem w produkcji biopaliw chce stać się Brazylia. W 2006 roku ponad połowa aut
osobowych sprzedawanych w tym kraju była przystosowana do spalania bioetanolu
z trzciny cukrowej. Aktualnie prawie 50% aut w tym kraju jeździ już na bioetanolu, a w
2011 roku nie będzie już aut benzynowych. Produkowany jest również w tym kraju w
wielkich ilościach biodiesel z oleju palmowego i sojowego, wkrótce także ze słonecznika,
orzechów, zużytych olejów spożywczych i tłuszczu zwierzęcego. W 2008 roku każdy litr
oleju dieslowego będzie zawierał 2% bioestrów, a w 2013 roku – co najmniej 5%.
Producenci wyprzedzają te plany, np. Koncern Naftowy Petrobras już od 2006 roku
sprzedaje na swoich stacjach w całym kraju olej dieslowy z 2% dodatkiem bioestrów.
Benzyna w Brazylii obowiązkowo zawiera już 23% etanolu. Jeszcze w 2007 roku rząd
brazylijski chce zwiększyć ten limit do 25%. W 2006 roku prezydent USA George Bush
oznajmił, że jego celem jest uniezależnienie Stanów Zjednoczonych od importu ropy
naftowej z krajów Bliskiego Wschodu i że w ciągu najbliższych 20 lat import ten ma
zmniejszyć się o 75%. W swym orędziu Bush obiecał zwiększenie funduszy rządowych na
prowadzenie badań nad alternatywnymi źródłami energii, wskazał na rolę produkcji
samochodów hybrydowych na wodór i na prąd oraz biopaliw nowej generacji. Bush
wyraźnie zaznaczył, że chodzi o bezpieczeństwo narodowe. W 2006 roku zaledwie 2,8%
paliwa spalanego przez amerykańskie auta pochodziło ze źródeł odnawialnych. Ale
amerykańscy producenci aut zobowiązali się, że już w 2012 roku połowa sprzedawanych w
USA pojazdów będzie przystosowana do spalania mieszanki 85% alkoholu i 15% benzyny
lub biodiesla. W USA rozpoczął się boom na biopaliwa, działa tu już 113 fabryk etanolu,
a kolejnych 78 jest w budowie. Amerykanie produkują to paliwo z subwencjonowanej
kukurydzy. Jej uprawy wymagają intensywnego nawożenia i używania pestycydów. Zbiór
i przerób kukurydzy jest bardzo energochłonny. Bilans ekologiczny amerykańskiego
etanolu jest więc mniej korzystny niż brazylijskiego alkoholu z trzciny cukrowej, wciąż
jednak lepszy niż zwykłej benzyny. Opracowywane są (np. w Kanadzie) nowe technologie
produkcji biopaliw ze słomy, drewna czy niektórych gatunków traw. Chodzi o zapobieżenie
zmniejszaniu powierzchni lasów w takich krajach jak Indonezja, Malezja czy Brazylia.
Na ich miejsce zakładane są obecnie plantacje palm, które dostarczają nasion lub miąższu
owoców do wytwarzania oleju palmowego do produkcji biopaliw. Olej ten uważany jest
aktualnie za najlepszy i najtańszy wyjściowy surowiec do otrzymania biopaliw. Naukowcy
8
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 9(2008)
holenderscy stwierdzili jednak, że każda tona oleju palmowego przyczynia się do emisji
dziesięciokrotnie większej ilości CO2 niż tradycyjny olej napędowy. Ten zaskakujący fakt
nie jest powszechnie znany tylko dlatego, że zwykle przy obliczeniach nie bierze się pod
uwagę zwiększonej emisji CO2, powstającej przy karczowaniu i paleniu dżungli. Rosnący
entuzjazm dla zahamowania efektu cieplarnianego poprzez stosowanie biopaliw prowadzi
więc niebezpiecznie do wyniszczania lasów na naszej planecie. Ekolodzy uważają,
że powinno się wprowadzić kilkuletnie moratorium na wszystkie ulgi podatkowe związane
z biopaliwami, dopóki nie powstaną nowe technologie pozwalające na produkcję biopaliw
ze słomy, drewna czy trawy znacznie mniejszym kosztem finansowym i ekologicznym.
3. Biopaliwa nowej generacji z odpadów
Prace nad nowymi technologiami już trwają, prowadzone są głównie w Kanadzie, a także w
Finlandii i Chinach. Najbardziej zaawansowana w rozwoju tych badań jest fińska firma
Fortum, działająca w ramach koncernu Neste Oil. Klasyczna technologia produkcji
biodiesla łączy się z powstawaniem dużych ilości gliceryny, która stanowi produkt uboczny
w procesie transestryfikacji olejów roślinnych i tłuszczów roślinnych do biopaliw. Szeroko
są prowadzone prace nad jej wykorzystaniem [7,8], ale skala problemu jest bardzo duża [9].
Nowy kierunek badań pozwala na uzyskiwanie węglowodorowych komponentów
paliwowych z tłuszczów, z pominięciem etapu wytwarzania gliceryny.
Kierunek ten prowadzi do biopaliw nowej generacji [10]. Oleje roślinne i zwierzęce
poddawane są procesowi hydrorafinacji, przy zastosowaniu wodoru w temperaturze 3504500C, przy ciśnieniu 5-15 MPa, wobec klasycznych katalizatorów hydrorafinacyjnych
Ni/Mo i Co/Mo, stosowanych w rafineriach ropy naftowej. W wyniku uzyskuje się frakcję
oleju napędowego, zawierającą głównie węglowodory parafinowe C15-C18, o liczbie
atomowej powyżej 100. Niektóre technologie zakładają stosowanie dodatkowo procesu
hydroizomeryzacji, któremu poddaje się produkt uzyskany w procesie hydrorafinacji.
Dzięki temu można uzyskać frakcje paliwowe o odpowiednio niskich temperaturach
krzepnięcia. Uzyskuje się produkt o właściwościach zbliżonych do syntetycznego paliwa
BTL, wytwarzanego z biomasy (biomass-to-liguid). Może to być słoma, odpady drewniane
oraz produkty z plantacji roślin energetycznych, wykorzystywanych w całości do produkcji
paliw. Najistotniejszym etapem procesu jest przetworzenie biomasy do odpowiedniej
jakości gazu syntezowego, a następnie poddanie go procesowi syntezy Fischera i Tropscha
(FT) do paliw węglowodorowych. Oczekuje się, że po dopracowaniu technologii, z jednego
hektara ziemi rolniczej można będzie wyprodukować do 4000 litrów paliwa BTL. Przy
założeniu, że w Europie w przyszłości można będzie przeznaczyć pod plantacje
energetyczne od 4 do 6 mln ha gruntu, paliwa BTL mogłyby zastąpić 20-25% paliw
mineralnych. Schemat typowego procesu BTL przedstawiono na rys. 3.1.
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 9(2008)
9
Rysunek 3.1. Schemat typowego procesu przerobu biomasy na paliwa płynne drogą
zgazowania i syntezy.
Ogromnym postępem w rozwoju paliw alternatywnych jest także opanowanie procesu
fermentacji surowców lignocelulozowych w kierunku bioetanolu. Wykorzystanie odpadów
drzewnych i innych roślin nie spożywczych do produkcji etanolu jako biopaliwa stwarza
znacznie większe możliwości dla rozwoju tego kierunku. Istota procesu polega na
hydrolizie (hemi)celulozy do cukrów C5 (ksylozy) i C6 (glukozy) oraz ich fermentacja do
bioetanolu. Schemat procesu otrzymywania bioetanolu z surowców lignocelulozowych
przedstawiono na rys. 3.2.
Bardzo ważnym etapem procesu jest obróbka wstępna biomasy, która ma za zadanie
ułatwienie dostępu do włókien lignocelulozy enzymom hydrolizy i właściwie
przygotowanie polimerów ligniny i (hemi) – celulozy do procesu rozkładu. O efektywności
procesu decyduje właściwe przygotowanie surowca. Jako obróbkę wstępną biomasy stosuje
się najczęściej działanie roztworami kwasów, zasad, wysokociśnieniową przegrzaną parą
wodną lub gorącą wodą. Ten etap procesu jest nadal przedmiotem intensywnych badań
i wydaje się decydować o ocenie uzyskiwanego w ten sposób bioetanolu. Obecnie
największym problemem w realizacji procesu jest doprowadzenie do równoczesnego
przebiegu fermentacji ksylozy i glukozy. Procesy te, jak dotąd, realizowane są
w rozdzielnych etapach technologicznych. W jeden etap połączono procesy hydrolizy
surowca oraz fermentacji glukozy. Fermentacja ksylozy oraz dobór właściwych dla tego
procesu drożdży są nadal przedmiotem intensywnych badań, a zintegrowanie wszystkich
etapów procesu i ich realizacja w jednym reaktorze to cel, do którego zmierzają
prowadzone badania.
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 9(2008)
10
Rysunek 3.2. Schemat procesu produkcji bioetanolu z biomasy celulozowej.
4. Podsumowanie
Utrzymywanie się wysokich cen ropy naftowej na poziomie 90 dolarów za baryłkę oraz
świadomość wyczerpywania się jej zasobów wpływa na rozwój produkcji biopaliw
(biodiesla i bioetanolu) w wielu krajach. W Europie największymi producentami biopaliw
są Niemcy, Francja, Włochy, Wielka Brytania i Austria. Ostatnio także Finlandia, Szwecja,
Irlandia. Na świecie duże osiągnięcia w tym zakresie mają Stany Zjednoczone i Brazylia.
Coraz większą uwagę skupia się na wykorzystaniu przepracowanych tłuszczów roślinnych
i odpadowych zwierzęcych, a także na opracowaniu metod produkcji biopaliw nowej
generacji z biomasy, w tym także biomasy celulozowej. Czekają na opracowanie tańsze
metody produkcji biopaliw ze słomy, odpadów drewnianych i niektórych gatunków traw.
Literatura
[1]. Walisiewicz-Niedbalska W., Kijeński J., Lipkowski A.W., Różyczki K.:Przemysł
Chemiczny 2006, 85, 1586
[2]. Wasiak W., Wawrzyniak R.: Czysta Energia 2006, 5, nr 1, 30
[3]. Klecan R.: Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska 2006, vol-3,
55
[4]. Lesisz M., Pindel M.: Przemysł Chemiczny 2006, 85, 1580
[5]. Informacja prasowa – Gazeta Wyborcza z dn. 8.05.2006
[6]. Informacja prasowa – Gazeta Wyborcza z dn. 4.04.2007
[7]. Miesiąc I.: Przemysł Chemiczny 2003, 82,1045
[8]. Klecan R.: Biopaliwo – Gliceryna – Pasza z rzepaku pod red. W. Podkówki
Wydawnictwo Uczelniane ATR. Bydgoszcz 2004
[9]. Gaca J.: Czysta Energia 2006, 5, nr 11, 34
[10].
Jęczmionek Ł., Oleksiak S., Skręt I., Marchut A.: Przemysł Chemiczny
2006, 85, 1570