biopaliwa - Chemikalni

BIOPALIWA
Wiadomości zebrała Anna Szymańska-Węckowska
Wstęp
Rozwój alternatywnych rozwiązań dla typowych paliw pochodzących z tzw. źródeł
nieodnawialnych, jaki obserwujemy w ostatnich latach, spowodowany jest głównie przez
malejące zasoby nieodnawialnych nośników energii, ale również dzięki stale rosnącej ilości
wytwarzanej różnego rodzaju biomasy, którą trzeba w jakiś sposób zagospodarować,
a z której powstające nośniki przy spalaniu wydzielają mniejsze ilości gazów cieplarnianych
niż konwencjonalne nośniki takie jak benzyna, ropa naftowa czy gaz ziemny.
Biopaliwa to nic innego jak odnawialne źródła energii, pochodzące z surowców
naturalnych, czyli biomasy, którą stanowią szczątki organiczne lub produkty przemiany
materii roślin, zwierząt i mikroorganizmów.
Do produkcji biopaliw w Europie stosuje się głównie len i rzepak, natomiast w USA –
kukurydzę i soję. Dosyć popularne są też konopie. Do produkcji biopaliw mogą posłużyć
również odpady: słoma, odpadowe drewno, osady ściekowe, kompost czy nawet śmieci.
Jedną z zalet biopaliw jest fakt, że związana w nich energia może być przechowywana
tak długo, jak jest to konieczne i nie powoduje to żadnych dodatkowych zagrożeń czy
niedogodności. Szacuje się też, że użycie biopaliw spowoduje obniżenie o 50% emisji gazów
cieplarnianych z silników spalinowych.
W opracowaniu tym skupię się tylko na kilku najpopularniejszych przykładach biopaliw.
Biodiesel
Biodiesel najczęściej wytwarzany jest przez katalityczną reestryfikację olejów
roślinnych lub tłuszczów zwierzęcych z metanolem. W procesie tym wytwarzanych jest 10%
masowych gliceryny, a ostatecznie powstają estry metylowe kwasów tłuszczowych. Reakcja
katalizowana jest przez silne zasady jak np. KOH. Do produkcji 1l biodiesla potrzeba
niewiele ponad 1 l oleju oraz 0,1 l metanolu. Produkt ostateczny ma gęstość 0,88 kg/l, a jego
ciepło spalania wynosi 32,65 MJ/l czyli 37,1 MJ/kg. Jeden litr biodiesla zastępuje ok. 0,9 l
oleju napędowego. Przy czym warto wspomnieć, że biodiesel może być mieszany z olejem
napędowym w różnych proporcjach. Najczęstsze mieszanki zawierają 5,5% objętościowych
biodiesla, co zapewnia pełne spalanie – bez powstawania sadzy - oleju napędowego w takim
paliwie.
Należy tutaj jednak wspomnieć, że biodiesel niekorzystnie wpływa na gumowe części
układów paliwowych, ale dzięki temu, że jest dobrym rozpuszczalnikiem dla oleju
napędowego, ma właściwości czyszczące układy, w których wcześniej stosowany był sam
olej. Pamiętać trzeba, że ta ostatnia cecha w początkowym okresie stosowania mieszanki
z biodieslem może spowodować szybkie zatykanie filtru paliwa.
Oleje roślinne
Oleje roślinne, oprócz przekształcania je w biodiesela, mogą same stanowić paliwo lub
być stosowane jako domieszka do oleju napędowego.
Aby olej roślinny mógł być stosowany jako samodzielne paliwo, konieczne są pewne
modyfikacje w pojazdach. Przed spaleniem olej musi być podgrzany do temperatury
minimum 70°C. Natomiast najbardziej optymalną temperaturą pracy dla olejów roślinnych
1
jest przedział 130-150°C, w którym gęstość oleju pozwala na najbardziej optymalne
wtryskiwanie oleju do cylindrów. Oznacza to, że pojazd zasilany olejem roślinnym, powinien
posiadać dwa zbiorniki na paliwo. W jednym z nich powinno znajdować się inne paliwo.
Ogrzewanie zbiornika z olejem roślinnym spalinami ze zbiornika z innym paliwem umożliwia
w ogóle rozruch pojazdu oraz ogrzanie oleju roślinnego do optymalnej temperatury pracy.
Oprócz drugiego zbiornika na paliwo w pojazdach napędzanych na olej roślinny powinny
znajdować się podgrzewacze i elektrozawory, które umożliwiają utrzymanie drożności
przewodów paliwowych. Pamiętać też należy, że wyłączenie silnika powinno się odbywać na
paliwie innym niż olej roślinny, aby zapobiec zaleganiu tego ostatniego w przewodach, co
może utrudnić, a nawet uniemożliwić, kolejny rozruch.
Średnia gęstość oleju roślinnego to 0,92 kg/l, a ciepło spalania wynosi 34,59 MJ/l czyli
37,6 MJ/kg. Jeden litr oleju roślinnego stanowi równowartość dla 0,96 l oleju napędowego.
Etanol
Bezwodny etanol okazał się być dobrym paliwem zarówno dla silników benzynowych
jak i diesla. W drugim przypadku należy jedynie zapewnić dobre smarowanie dysz, co można
uzyskać przez dodatek do alkoholu 5-20% np. oleju roślinnego. Natomiast przeróbki
pojazdów benzynowych polegają jedynie na powiększeniu dysz gaźnika oraz na zwiększeniu
kąta wyprzedzenia zapłonu. Wynika to z faktu, że etanol spala się lepiej niż zwykła benzyna
i wymaga dostarczania mniejszej ilości powietrza do mieszanki. Jedyną wadą stosowania
etanolu jako paliwa jest możliwość rozpuszczania uszczelek układu paliwowego przez
alkohol.
Etanol produkowany jest nie tylko z cukrów, ale również ze zbóż, ziemniaków, a także
celulozy: drewno, słoma, trawa czy odpady organiczne. Do zasilania silników tylko etanolem
wystarczy etanol uzyskiwany w wyniku destylacji, czyli 96%. Natomiast kiedy jest on jedynie
domieszką do innych paliw, trzeba go odwodnić. Można to zrobić przy użyciu np. CaO, który
reaguje z wodą dając nierozpuszczalny w alkoholu Ca(OH)2.
Gęstość etanolu wynosi 0,79 kg/l, a ciepło spalania 21,17 MJ/l czyli 26,8 MJ/kg. Zatem
1 litr etanolu równoważy 0,65 litra benzyny.
ETBE
Alkohol etylowy po odwodnieniu może być stosowany do procesu produkcji eteru
etylowo-tert-butylowego (ETBE). Reakcja ta zachodzi następująco:
CH3─CH2─OH + CH2═CH─CH2─CH3 → CH3─CH2─O─C(CH3)3
Proces ten jest silnie egzotermiczny i musi przebiegać z silnym chłodzeniem reaktorów.
ETBE (oraz bezwodny etanol) jest tlenowym biokomponentem benzyn, wykazuje
właściwości przeciwstukowe, dlatego dodawany jest do benzyn jako substancja
zwiększająca liczbę oktanową.
Syntetyczna ropa
Ropa syntetyczna, zwana również Sun-Fuel, uzyskiwana jest na drodze tlenowoparowego zgazowania drewna i słomy, do których można również dodać różnego rodzaju
odpady organiczne, w tym komunalne. Wytworzony w ten sposób gaz syntezowy zostaje
przetworzony do ropy wg metody Fischera-Tropscha, a odbywa się to na katalizatorach
głównie żelazowych. Uzyskany tak produkt ma gęstość 0,76 – 0,79 kg/l, a jego ciepło
spalania wynosi 33,45 MJ/l czyli 43,9 MJ/kg. 1 litr tak uzyskanej ropy syntetycznej jest
ekwiwalentem 0,97 litra oleju napędowego z ropy naftowej.
2
Innym sposobem uzyskiwania syntetycznej ropy jest tzw. metoda CHOREN. Polega
ona na poddawaniu drewna pirolizie w temperaturze 550 - 600°C, co prowadzi do uzyskania
gazu, który wraz z węglem drzewnym poddawany jest tlenowo-parowemu zgazowaniu. Co
jest istotne dla tego procesu, to fakt, że rozpylony węgiel drzewny wdmuchiwany jest do
płomienia zgazowania. Prowadzi to do powstania ubocznego dwutlenku węgla, który
następnie dzięki obecności węgla przeprowadzany jest w główny surowiec reakcji FischeraTropscha, czyli w tlenek węgla:
CO2 + C → 2CO
Kolejnym etapem jest przeprowadzenie zwykłej reakcji Fischera-Tropscha:
2CO + H2 → ─CH2─ + CO2
Reakcja ta przebiega oczywiście na katalizatorze żelazowym.
Synteza Fischera-Tropscha jest reakcją silne egzotermiczną,
przeprowadzanie jej w reaktorach z możliwością wymiany ciepła.
co
wymusza
Proces syntezy Fischera-Tropscha przedstawia schemat podany poniżej.
Rys. Schemat syntezy węglowodorów metodą Fischera-Tropscha w fluidalnej warstwie
katalizatora żelazowego.
Czy biopaliwa są rzeczywiście „BIO”?
Powyższe biopaliwa są jedynie wybranymi przeze mnie przykładami, które mają
obrazować ideę produkcji i zastosowania biopaliw. Czy jednak paliwa te rzeczywiście
ograniczają emisję gazów cieplarnianych? Pomimo, że procesy otrzymywania biopaliw są
nam dobrze znane i coraz lepiej dopracowywane, to jednak są one ciągle bardzo
energochłonne. Niejednokrotnie energia potrzebna do wyprodukowania paliw ze źródeł
nieodnawialnych jest mniejsza niż do produkcji ich odpowiedników ze źródeł odnawialnych.
3
Co za tym idzie: emisja gazów cieplarnianych przy produkcji i użytkowaniu paliw
konwencjonalnych jest porównywalna z emisją tych gazów przy produkcji i użytkowaniu
biopaliw. Dlatego też dopóki nie znajdziemy innych sposobów pozyskiwania energii niż
stosowane obecnie, to paliwa te w dalszym ciągu nie będą ani ekologiczne, ani tanie. Jednak
w produkcji biopaliw ważny jest jeszcze jeden aspekt. Jest nim alternatywa dla paliw ze
źródeł nieodnawialnych, kiedy już źródła te zupełnie „wyschną”. Myślę, że wtedy nikt nie
będzie patrzył na ich oddziaływanie na środowisko, ponieważ nie będzie możliwości
stosowania już innych paliw. A i sama energia, paradoksalnie najczęściej uzyskiwana
właśnie z paliw ze źródeł nieodnawialnych, będzie musiała pochodzić z innych źródeł.
Literatura:
1. „Zasilanie silników wysokoprężnych paliwami węglowodorowymi i roślinnymi.
Zagadnienia wybrane” W. Lotko, WNT, Warszawa 1997;
2. „Technologia podstawowych syntez organicznych” Tom 2, E. Grzywa, J. Molenda,
WNT, Warszawa 2000;
3. „Rynek Chemiczny” 12/2006, artykuł pt.: Biopaliwowy boom”;
4. „Chemical Review” 01/2007, artykuł pt.: Biopaliwa – tendencje rozwojowe, bazy
surowcowe”;
5. „Chemical Review” 03/2007, artykuł pt.: “Biopaliwa i farmacja napędzają rynek
enzymów”;
6. „Świat Nauki” 11/2007, artykuł pt.: „Czy etanol ma przyszłość?”;
7. www.drewnozamiastbenzyny.pl.
4