Biopaliwa - i

B i o p a l i w a
Dlaczego biopaliwa?
Biopaliwa wydają się nowością ale w rzeczywistości to
powrót do źródeł. Hitem wystawy światowej w Paryżu w roku
1900 był silnik wysokoprężny napędzany olejem z orzechów
arachidowych, dzieło Rudolfa Diesla. Sam wynalazca
stwierdził wówczas, że w przyszłości oleje roślinne będą
równie ważne jak ropa naftowa...
Wprowadzenie paliw roślinnych jest bardzo istotne nie tylko
z uwagi na rosnące ceny i malejące zasoby ropy naftowej i
gazu. W porównaniu z ropopochodnym olejem napędowym,
ich spaliny praktycznie nie zawierają siarki, mają też mniej
cząsteczek stałych, tlenku węgla i węglowodorów. Dlatego biodiesle powinny być
stosowane przede wszystkim do napędu pojazdów jeżdżących w dużych
aglomeracjach , uzdrowiskach, obszarach objętych ochroną. Powszechne ich
zastosowanie pozwoli ograniczyć kwaśne deszcze i efekt cieplarniany.
Wyemitowane do powietrza zanieczyszczenia mogą wraz z masami powietrza ulec
przetransportowaniu, zarówno na małe odległości w skali lokalnej, jak i poza granice
państw, na duże odległości, szczególnie jeśli ich emisja pochodzi np. z wysokich
kominów.
Najistotniejszą przyczyną zanieczyszczenia atmosfery w Polsce są procesy spalania
paliw konwencjonalnych, dla wytwarzania energii.
W Polsce głównym źródłem dwutlenku siarki w atmosferze jest spalanie paliw
zanieczyszczonych siarką, dla celów energetycznych. Wynika to głownie z tego, iż w
polskiej gospodarce wykorzystywane są głównie paliwa stałe.
Spalanie paliw jest również główną przyczyną emisji tlenków azotu. Ponad 1/3 to
produkty spalania benzyn i olejów napędowych w najróżniejszych rodzajach silników
spalinowych.
Natomiast tlenek węgla obecny w polskim powietrzu, jest wynikiem głównie
nieefektownego efektu spalania w małych, niewydajnych, przestarzałych, oraz
wyeksploatowanych kotłowniach.
Dość istotnym związkiem jest także amoniak, który wytwarza niemal wyłącznie
rolnictwo w procesach hodowli zwierząt gospodarskich oraz w skutek stosowania
nawozów azotowych.
Zapylenie atmosfery wiąże się również z procesami spalania paliw stałych. Pyły
jednak zawierają metale ciężkie, gdyż bardzo często paliwa są nimi
zanieczyszczone. Jest to emisja głównie ołowiu, kadmu oraz rtęci.
W krajach europejskich paliwo z oleju rzepakowego stosowane jest nie tylko do
napędu samochodów osobowych z silnikami Diesla. Z powodzeniem stosuje się je
również w autobusach, pojazdach ciężarowych, ciągnikach, kombajnach zbożowych i
ciężkim sprzęcie do prac ziemnych i przeładunkowych, zwłaszcza nad brzegami rzek
i zbiorników wodnych oraz napędzie statków śródlądowych, jachtów i promów.
Unia Europejska przygotowuje przepisy, które zobowiążą koncerny paliwowe do
stosowania w benzynie i oleju napędowym domieszek biopaliw, czyli substancji
napędowych uzyskiwanych z przetwarzania roślin, np. rzepaku czy buraków
cukrowych. Ma to zmniejszyć zawartość trujących substancji w spalinach i stanowić
wsparcie dla rolnictwa.
Bruksela zastanawia się nad wprowadzeniem ulg podatkowych i dopłat dla rolników
produkujących surowce do wytwarzania biopaliw.
Potencjał produkcji rzepaku w Polsce wynosi 2 mln ton. Z całości tego rzepaku
można by wyprodukować 583,28 mln litrów biopaliwa. Jest to 7% zapotrzebowania
na paliwo w skali kraju. Aby całkowicie zastąpić olej napędowy biopaliwem,
należałoby na ten cel przerobić 28, 823 mln ton rzepaku.
Obecnie kraje Europy Zachodniej, głównie Francja, Włochy i Niemcy, jak i niektóre
kraje Europy Wschodniej : Czechy, Słowacja Węgry, posiada zdolności do produkcji
1 mln ton biopaliwa rocznie. W świecie największym eksploatatorem biopaliwa jest
Brazylia, która w ten sposób zaspokaja potrzeby swojego rynku paliwowego w 40%.
Biodiesel
Estry metylowe wyższych kwasów tłuszczowych (pozyskiwany w wyniku przeróbki
olejów roślinnych, głównie z rzepaku).
Biodiesel jest biopaliwem otrzymywanym z olejów
roślinnych bądź tłuszczów zwierzęcych. Nadaje się on do
stosowania w silnikach diesla, przy czym jego spalanie
jest znacznie bardziej przyjazne środowisku - w jego
trakcie emitowanych jest mniej szkodliwych substancji
chemicznych niż przy spalaniu oleju napędowego.
Biodiesel może być stosowany jako paliwo dla
większości silników diesla. Może być mieszany z olejem
napędowym albo używany samodzielnie. Od kilkunastu
lat znane jest jednak niekorzystne oddziaływanie tego paliwa na gumowe węże i
przewody paliwowe w silnikach.
Biodiesel jest lepszym rozpuszczalnikiem niż olej napędowy, stąd pojawia się
tendencja do wypłukiwania przez to paliwo zanieczyszczeń z baków pojazdów
eksploatowanych wcześniej na oleju napędowym. Zanieczyszczenia te w
początkowym okresie korzystania z biodiesla osadzają się na filtrach paliwa co może
powodować ich zatykanie.
Biodiesel blokuje zimny filtr paliwa w temperaturze wyższej niż dzieje się to w
przypadku stosowania oleju napędowego.
Olej roślinny można stosować do zasilania silnika diesla na jeden z trzech sposobów:
po przerobieniu na biodiesel jako samodzielne paliwo lub mieszając z biodieslem lub
olejem napędowym. W każdym wypadku parametry silnika, tj. moc, moment
obrotowy, zużycie paliwa, pozostają praktycznie takie same jak przy zwykłym paliwie.
Alkohole
Metanol jako paliwo silnikowe
stosowany jest w ograniczonym
zakresie. Wynika to z tego, że trudniej
jest go zapalić niż benzynę. Nie
zmienia to jednak faktu, że niektóre
silniki sportowe (np. do motocykli
żużlowych i modelarskie) korzystają z
paliw składających się głównie z
metanolu.
Metanol spala się w bardzo czysty
sposób, produktami jego spalania są
jedynie para wodna i dwutlenek węgla.
Płomień jest praktycznie
przezroczysty.
Jednym z powodów, dla których metanol nie jest często używany jako paliwo
silnikowe jest jego wysoka korozyjność, np. w stosunku do aluminium. Choć jest
jedynie lekko kwaśny, reaguje z utlenionym aluminium na powierzchni metalu.
Metanol jest bardzo lotny, w powietrzu (i w wątrobie) utlenia się do postaci kwasu
mrówkowego i formaldehydu. Z tego względu długotrwały kontakt z tą substancją
może być przyczyną uszczerbku na zdrowiu, włączając w to utratę wzroku. Te
substancje emitowane są również do atmosfery w ciągu kilku pierwszych
kilometrów pracy silnika spalinowego, dopóki katalizator się nie rozgrzeje.
Warto wspomnieć, że dziś metanol jest produkowany głównie z gazu ziemnego, co
nie pozwala na określanie go mianem biopaliwa. Można go jednak wytwarzać z
gazu drzewnego!
W 1872 gdy Otto opracował pierwszy silnik spalinowy, nie znano jeszcze ropy
naftowej i technologii jej rafinacji. Dlatego paliwem dla jego silnika był właśnie 9095% spirytus. Silnik forda T przewidziany był do pracy na benzynie, spirytusie lub
ich mieszance. Okazuje się, że alkohol jest bardzo dobrym paliwem do silników
benzynowych a nawet silników diesla.
W dzisiejszych czasach zastosowanie alkoholu etylowego (etanolu) jako paliwa
silnikowego jest bardzo mało popularne, głównie ze względu na relatywnie niskie
ceny ropy naftowej i jej pochodnych. Wynikają one między innymi z tego, że do
wytworzenia litra spirytusu konieczne jest zużycie od 8400 do 11200 kJ energii.
Wartość opałowa czystego alkoholu etylowego to tylko 60% wartości opałowej
benzyny. To kolejny powód, dla którego alkohol nie jest popularnym paliwem
silnikowym.
Alkohol może być również paliwem do silnika diesla, o ile zapewni się właściwe
smarowanie dysz wtryskiwaczy, na przykład poprzez mieszanie alkoholu z
niewielką (5-20%) ilością oleju roślinnego lub innego.
Alkohol można wykorzystywać samodzielnie ale również mieszać go z innymi
paliwami. O ile jednak w sytuacji stosowania go do domieszek należy wykorzystać
alkohol etylowy pozbawiony wody (spirytus min. 99,5%), to zawartość kilku procent
wody nie jest szkodliwa w żaden sposób, gdy alkohol jest jedynym paliwem. W
wyniku destylacji można otrzymać mieszaninę o zawartości alkoholu maksimum
96%, resztę wody trzeba usunąć innymi metodami, na przykład przy zastosowaniu
wapna (CaO tworzy z wodą nierozpuszczalny w alkoholu Ca(OH)2).
Pellet
Pelet, pellet jest to nowoczesne, ekologiczne paliwo, które wyglądem przypomina
karmę np. dla chomika - małe granulki w kształcie walca o długości 10-30 mm i
średnicy 6-10 mm.
Do produkcji peletu (pelletu) wykorzystywane są odpady drzewne, tj. trociny, wióry,
zrzyny, słoma zbóż, słoma rzepaku, rośliny energetyczne. W wyniku działania pras
o bardzo dużym ciśnieniu zgniatania, półprodukty te są sprasowywane i tworzą
granulat.
Dzięki temu energia z pierwotnego produktu zostaje silnie
zagęszczona, a my otrzymujemy doskonałe paliwo o bardzo
dobrych własnościach energetycznych, które cechuje się
dodatkowo niską zawartością wilgoci 8-12 % oraz jest bardzo
przyjazne dla środowiska. Emisja CO2 podczas spalania jest
emisją tła (zerowa emisja CO2), co znaczy, że ilość dwutlenku
węgla wyemitowana do atmosfery będzie równoważna z
ilością dwutlenku węgla pochłonianego w czasie wzrostu
przez roślinę! Ponadto popiół uzyskany ze spalania granulatu
drzewnego może być wykorzystywany jako nawóz.
Wyższość granulatu z odpadów drzewnych nad olejem, węglem czy gazem jest
oczywista. Pelet (pellet) dominuje zarówno pod względami ekonomicznymi, jak i
środowiskowym - nieporównywalnie mniejsze emisje gazów i pyłów. Obecnie pelet
jest wykorzystywany do ogrzewaniach najczęściej w krajach wysoko rozwiniętych
takich jak: Szwajcaria, Dania, Austria, Włochy, Niemcy, ale sukcesywnie zdobywa
coraz więcej zwolenników, także u nas, w Polsce.
Zalety:
•
dobra alternatywa dla węgla, oleju czy gazu ze względu na bilans
energetyczny;
•
możliwość automatycznego zadawania paliwa do pieca (jedyną czynnością,
jaką musi wykonać użytkownik, jest napełnienie zasobnika z paliwem raz,
dwa razy na sezon);
•
cena porównywalna z ceną węgla, ale dzięki większej sprawności spalania
jest od niego niemal dwukrotnie wydajniejszy;
•
ceny pelletu nie zależą od aktualnej sytuacji politycznej i nie podlegają
silnym wahaniom, jak ceny ropy czy gazu;
•
pelet (pellet) jest dość ciężki, dlatego zajmuje mało miejsca. Do
przechowania całorocznego zapasu tego paliwa dla typowego domku
wystarczy zasobnik lub boks o obj. ok. 5-6 m3;
Plantacje energetyczne
Plantacja jest celową i zorganizowaną,
towarową produkcją rolną lub leśną. Głównym
przeznaczeniem produktu takiej plantacji jest
produkcja energii cieplnej i elektrycznej, a także
paliwa gazowego lub ciekłego. Uprawa
produktów żywnościowych, również posiada
pewne cechy upraw energetycznych, głównie ze
względu na dużą ilość biomasy, o charakterze
odpadu np. słoma, nać ziemniaczana, produkty
żywnościowe, które nie spełniają norm
jakościowych, więc nie są dopuszczane do konsumpcji przez ludzi, czy też
zwierzęta.
Zarówno Europa Zachodnia, jak i Polska boryka się z problemem, który jest jednak
istotnym czynnikiem dla rozwoju plantacji energetycznych. Problem ten to
nadprodukcja żywności, która bezpośrednio skutkuje bardzo małą opłacalnością
upraw spożywczych. Alternatywę w tym wypadku stanowią rośliny energetyczne.
Także, gdy mamy do czynienia z gruntami zdegradowanymi o przeznaczeniu
rolniczym, uprawy energetyczne są doskonałym sposobem na ich wykorzystanie
oraz rekultywację. Rolnictwo boryka się ponadto z rosnącą ilością gruntów
ugorowanych i odłogowanych, a także ziem mało urodzajnych lub skażonych.
Plantacje dają możliwość wykorzystania tych gleb pod uprawę, umożliwiając
jednocześnie utylizację osadów ściekowych, na terenie tychże plantacji.
Niewątpliwymi zaletami tych upraw są niskie koszty pozyskania biomasy i jej
wysoka wartość opałowa. Ponadto niezwykle istotna jest niska emisja
zanieczyszczeń gazowych oraz wysoka zdolność do absorpcji szkodliwych
związków w przypadku rekultywacji gruntów. [11]
W ostatnich latach w Polsce zauważalne jest rosnące zainteresowanie uprawami
roślin energetycznych, dlatego też plantacje energetyczne stają się coraz
popularniejsze. Zwłaszcza tam, gdzie tradycyjne uprawy polowe są coraz mniej
opłacalne z powodu zarówno niskich plonów, jak i coraz niższych cen skupu
zbiorów. Najpopularniejszą rośliną energetyczną na terenie Polski, jest wierzba z
rodziny Salix sp.[12]
Czynnikiem, który sprzyja rozwojowi plantacji energetycznych, jest również
wprowadzony obowiązek, dotyczący wytwarzania „zielonej” energii, oraz ciepła ze
źródeł odnawialnych. Dlatego też wytwórcy energii (elektrownie, elektrociepłownie
węglowe), poszukują biomasy, aby wykorzystać ją do procesów np. współspalania
z węglem.[13]
Biogaz
Biogaz powstaje w procesie beztlenowej fermentacji odpadów organicznych.
W trakcie tego procesu substancje organiczne są rozkładane przez bakterie do
poziomu związków prostych. Proces fermentacji pozwala na zamianę w biogaz
około 60% substancji organicznej.
Biogaz, który można wykorzystywać dla celów energetycznych powstaje z
udziałem: odpadów organicznych składowanych na wysypiskach śmieci, odpadów
zwierzęcych, pochodzących z gospodarstw rolnych, oraz osadów ściekowych,
pochodzących z oczyszczalni ścieków.[18]
Na terenie Polski znajduje się obecnie około 700 czynnych składowisk odpadów.
Należy jednak zaznaczyć, iż na większości z nich nie ma dostatecznej kontroli nad
emisją gazu wysypiskowego, który z kolei trafiając do środowiska, wpływa na
pogłębienie efektu cieplarnianego, a także stanowi zagrożenie dla zdrowia ludności.
Polski potencjał gazu ,,wysypiskowego” związany jest z około 100 największymi
wysypiskami. Niestety braki w odpowiednim uszczelnieniu masy wysypiskowej
powodują, iż możemy wykorzystać tylko 30-45% ich całkowitego potencjału
energetycznego.
Bardzo wysoki jest natomiast potencjał techniczny biogazu pochodzącego z
oczyszczalni ścieków. Najlepiej, jeśli są to oczyszczalnie biologiczne, które
stosowane są zarówno w oczyszczalniach ścieków komunalnych, jak i
przemysłowych. Ponieważ każda taka placówka wykazuje wysokie
zapotrzebowanie na energię cieplną i elektryczną, więc wykorzystanie biogazu z
fermentacji osadów może w znacznym stopniu podnieść ich rentowność.
Biogazownie komunalne, które wykorzystują osady ściekowe, stanowią w Polsce 29
instalacji o łącznej mocy około 40 MW, w tym 72 GWh energii elektrycznej.
Ogromnym źródłem biogazu jest natomiast rolnictwo, a ściślej gospodarstwa
hodowlane, które produkują duże ilości odchodów zwierzęcych. Zwykle są one
używane jako nawóz lub też składowane na wysypiskach. Obie metody stanowią
zagrożenie dla środowiska w postaci skażenia rzek i wód podziemnych. Dlatego
idealnym rozwiązaniem jest wykorzystywanie biogazu, pochodzącego z fermentacji
tychże odpadów. Od połowy lat 80-tych zrealizowano około 10 takich projektów
Biogaz można produkować sztucznie, poprzez doprowadzanie do fermentacji
biodegradowalnego wsadu w środowisku beztlenowym (bez dostępu powietrza), w
tzw. komorze fermentacyjnej. Jest ona przygotowana tak, by wytrzymała wzrost
ciśnienia spowodowany produkcją biogazu i zapewniał właściwe warunki dla
rozwoju bakterii. Biogazownie zazwyczaj buduje się w pobliżu miejsc, w których
produkowany jest wsad, np. w gospodarstwach rolnych produkujących duże ilości
biomasy (np. słomy) lub odchodów zwierzęcych. Celem ich budowy jest produkcja
biogazu albo...utylizacja odpadów.
Przy wilgotności wsadu poniżej 15% albo przy dostępie powietrza produkcja
biogazu zostaje zatrzymana. Na szczęście w naszych warunkach klimatycznych
wilgotność rzadko spada poniżej 15%. Im większa wilgotność, tym lepiej. Tlen
wstrzymuje proces fermentacji metanowej, więc nie wolno dopuszczać powietrza do
reagującego materiału.
Ilość i jakość biogazu zależy w dużej mierze od wsadu, tzn. od składu materiału
wsadowego do procesu. Jego wartość opałowa jest około dwukrotnie niższa niż
gazu ziemnego, co wynika z dwukrotnie niższej zawartości metanu.
Spaliny ze spalania biogazu są znacznie bardziej czyste niż spaliny z węgla czy oleju
opałowego i mniej uciążliwe dla klimatu, bo zawierają mniej dwutlenku węgla a więcej
pary wodnej. Inna sprawa, że biogaz produkowany z biomasy roślinnej emituje tylko
tyle CO2 ile wcześniej rośliny wyciągnęły z atmosfery.
Sprężony i oczyszczony biogaz może zastąpić CNG (sprężony gaz ziemny) jako
paliwo dla pojazdów, wykorzystywany w silnikach spalinowych lub ogniwach
paliwowych. Może też być wprowadzany do sieci jako zastępczy gaz ziemny -Substitute Natural Gas.