Innowacyjne metody produkcji biopaliw

SEMINARIA
Innowacyjne metody produkcji biopaliw
IETU
Prof. dr hab. Stefan Godzik
Współorganizator
Przedsiębiorstwo Gospodarki Wodnej i Rekultywacji S.A. z Jastrzębia Zdroju
www.pgwir.pl
Plan seminarium
• Biomasa źródłem surowców do produkcji alkoholi oraz paliw
syntetycznych.
• Hodowla glonów jako źródło biodiesla (olej napędowy).
• Procesy fotosyntezy oraz acetogenezy jako źródło wodoru.
• Produkcja biopaliw z surowców, które są lub mogą stanowić
poŜywienie dla ludzi lub paszę dla zwierząt – nie będą
rozwaŜane.
www.ietu.katowice.pl
www.pgwir.pl
2
Dlaczego biopaliwa?
• 1. Wyczerpywanie się zasobów ropy naftowej i uwarunkowania
polityczne w jej dostawie zmuszają do działań długofalowych.
• 2. Państwa (rządy) dbają o wzrost bezpieczeństwa
energetycznego swoich krajów w zakresie transportu a
międzynarodowe koncerny paliwowe o ciągłość dochodów
(zysków).
• 3. Zapewnienie paliwa dla sektora transportu, w sytuacji
załamania dostaw ropy naftowej, jej wysokich cen, ma znaczenie
strategiczne.
• 4. Produkcja biopaliw jako jednego z odnawialnych źródeł energii
jest fragmentem tych działań.
• 5. Dla osiągnięcia zakładanych celów, niezbędne są intensywne
prace badawcze i wdroŜeniowe.
www.ietu.katowice.pl
www.pgwir.pl
3
BieŜące potrzeby energetyczne organizmu człowieka, zaspokajane
poŜywieniem, szacowane są na 100 Wat. Na utrzymanie stylu i
poziomu Ŝycia współczesny obywatel USA, a moŜna mniemać i
pewnej części krajów Europy, zuŜywa ponad sto razy więcej
(Logan, 2008).
• Zawartość węgla organicznego w biomasie róŜnych grup roślin
lądowych, które są wykorzystywane, lub proponowane do
wykorzystania jako odnawialne źródła energii, waha się od 49 % w
przypadku drewna wierzby wiciowej, drzew liściastych, traw oraz
słomy zbóŜ do 55 % w przypadku kory drzew liściastych.
• StęŜenie wodoru w biomasie tych samych grup roślin waha się
pomiędzy 6.1 a 6,3 % (Obernberger i wsp. 2006).
www.ietu.katowice.pl
www.pgwir.pl
4
Źródła surowców
www.ietu.katowice.pl
www.pgwir.pl
5
www.ietu.katowice.pl
www.pgwir.pl
6
Źródło: Schlegel, 2000.
www.ietu.katowice.pl
www.pgwir.pl
7
Zymomonas mobilis – bakteria beztlenowa, fermentacja soku z agawy (Ameryka środkowa).
W klasycznej fermentacji okresowej uzyskuje się wydajność rzędu 1.8-2.5 g etanolu z 1 litra
hodowli w ciągu godziny. Przy fermentacji ciągłej jednostopniowej moŜna uzyskać do 6g/l,h,
a w procesie wielostopniowym do 10 g/l.h. Przy zastosowaniu metod usuwania alkoholu –
wydajność moŜe wzrosnąć do 70-80 g/l.h. Zagęszczanie biomasy i immobilizacja – wzrost do
90-200 g/l.h.
www.ietu.katowice.pl
Źródło: Chmiel 1998
www.pgwir.pl
8
Rozkład biomasy roślin, a więc głównie celulozy, hemicelulozy oraz lignin
przebiega w środowisku przyrodniczym w sposób naturalny.
Szybciej i w stopniu znacznie bardziej intensywnym przebiega w przewodach
pokarmowych przeŜuwaczy oraz np. termitów. Dotyczy to równieŜ
drobnoustrojów (konsorcjów) występujących w składowiskach odpadów
komunalnych.
Poszukuje się drobnoustrojów, których produktami fermentacji są nie tylko
etanol, lecz takŜe butanol i aceton (np. Clostridium beijerincki).
Poszukuje się drobnoustrojów, które rozkładałyby lignocelulozę i były zdolne do
fermentacji
nie
tylko
heksoz,
lecz
równieŜ
pentoz
zawartych
w hemicelulozie.
www.ietu.katowice.pl
www.pgwir.pl
9
Warunkiem wykorzystania składników biomasy (celuloza,
hemicelulozy i ligniny) do produkcji alkoholi jako paliw
płynnych (etanolu, butanolu, i i.) jest moŜliwość scukrzania
celulozy i hemiceluloz.
Rozkład polisacharydów moŜna prowadzić na drodze
enzymatycznej lub metodami chemicznymi. Preparaty
enzymatyczne są drogie, a hydrolizaty uzyskane na drodze
chemicznej zawierają inhibitory dla fermentacji.
Rozwiązanie tego problemu przewidywano na lata 2012 – 2015.
Ostatnie publikacje przesuwają ten termin na rok 2030.
Jako źródło cukrów do fermentacji nie jest wykorzystywana
lignina.
Wartość energetyczna etanolu odpowiada 70% wartości
energetycznej benzyny (jednostki objętości).
www.ietu.katowice.pl
www.pgwir.pl
10
Podsumowanie
1.
Produkcja i przetwarzanie biomasy roślin (biokonwersja) na płynne
i/lub gazowe paliwa jest właściwie bezalternatywna, jeśli
uwzględnimi dłuŜszą perspektywę czasową.
2.
W upowszechnieniu etanolu jako biopaliwa przeszkodą moŜe być
konieczność tworzenia nowej sieci dystrybucji. Etanol, ze względu
na swoje właściwości, nie moŜe być rozprowadzany w tej samej sieci
co benzyny lub olej napędowy. Wartość energetyczna etanolu, to
70% wartości energetycznej benzyny (jednostki objętości).
3.
NaleŜy oczekiwać zwiększonego zainteresowania fermentacjami
mieszanymi, w wyniku których obok etanolu powstają aceton oraz
butanol.
4.
Ze względu na lepsze wykorzystanie biomasy roślin lądowych,
bardziej korzystną wydaje piroliza lub gazyfikacja biomasy i synteza
paliw typu benzyny oraz oleju napędowego. Wartość energetyczna
biodiesla jest niŜsza od wartości energetycznej oleju napędowego o
2 – 3%.
www.ietu.katowice.pl
www.pgwir.pl
11
Podsumowanie c.d.
5.
6.
Ze względu na produktywność oraz skład chemiczny, największe
potencjalnie, moŜliwości produkcji biopaliw stwarza hodowla i
wykorzystanie glonów.
6. Produkcja wodoru w celu wykorzystania jako biopaliwa w sektorze
transportu, wydaje się najmniej zaawansowana.
OstroŜność w formułowaniu zdecydowanych opinii jest
uzasadniona tym, iŜ wiele prognoz okazało się zbyt
optymistycznymi. Konieczne są badania określane jako
podstawowe. Rozwój inŜynierii genetycznej daje uzasadnione
nadzieje na osiągnięcie zakładanych celów w postaci wzrostu
bezpieczeństwa energetycznego.
www.ietu.katowice.pl
www.pgwir.pl
12
W przygotowaniu prezentacji wykorzystano materiały publikowane
głównie w latach 2008 i 2009.
Dodds D.R, R.A. Gross. Science 318,1251-1252,2007.
Kunkes E. L. et al.. Science 322,417-421,2008.
Ishida Y. et all.. Biomass and Bioenergy 33,8 -13,2009.
Lin C-Y. et all. Biomass and Bioenergy 32,1109-1115,2008.
Logan B. 2008. Nature 454, 943 - 944, 2008.
Mascarelli A.M.. Nature 461, 261 - 262, 2009.
Mervis J.. Science 325,926,2009.
National Academy Press. The hydrogen economy: opportunities, costs, barriers, and R&D needs. 2004.
National Science Foundation. A research roadmap for making lignocellulosic biofuels a practical reality. 2008.
Regalbuto J.R. Science 325,822 – 824,2009.
R.E.S. Science 325,1201,2009.
Service, R.F. Science 322,522-523,2008.
Service R.F.. Science 325,1200 – 1201,2009.
Sanderson K. Nature 461,328 – 329,2009.
Sanderson K. Nature 461,710 – 711,2009.
Tilman D. et all. Science 325,270 – 271,2009.
U.S. Department of Energy Biomass Program. National algal biofuels technology roadmap (draft report).
Wang L. et all. Biomass and Bioenergy 32,573 - 581,2008.
www.ietu.katowice.pl
www.pgwir.pl
13
Dane kontaktowe:
Kontakt
Prof. dr hab. Stefan Godzik
e-mail: [email protected]
[email protected]
www.ietu.katowice.pl
www.pgwir.pl
14