IX. PROJEKT EUROPEJSKI HYVOLUTION JAKO SZANSA OTWARCIA NOWYCH MOŻLIWOŚCI DLA PRZEDSIĘBIORSTW SEKTORA ROLNO- SPOŻYWCZEGO W POLSCE

Transkrypt

1 Krzysztof Urbaniec Robert Grabarczyk IX. PROJEKT EUROPEJSKI HYVOLUTION JAKO SZANSA OTWARCIA NOWYCH MOŻLIWOŚCI DLA PRZEDSIĘBIORSTW SEKTORA ROLNO- SPOŻYWCZEGO W POLSCE Wprowadzenie Polityka energetyczna Unii Europejskiej zakłada ciągły wzrost wykorzystania tzw. zielonej energii. Przyjęto, że w 2020 roku 20% energii będzie produkowane w oparciu o zasoby odnawialne 1, przy znaczącej roli biomasy 2. Oznacza to konieczność rozwijania istniejących oraz tworzenia nowych technologii energetycznych bazujących na źródłach odnawialnych. Jedna z nowych technologii będzie produkcja wodoru z biomasy metodą fermentacyjną. Opracowywana jest ona w ramach projektu europejskiego Hyvolution, w którym uczestniczy Politechnika Warszawska w Płocku. 1. Idea projektu Hyvolution Hyvolution nietermiczna produkcja czystego wodoru z biomasy to pełna nazwa projektu badawczego, współfinansowanego przez Komisję Europejską z Szóstego Programu Ramowego Badań i Rozwoju Unii Europejskiej. 60-miesięczny okres realizacji prac zaplanowano na lata W skład konsorcjum wykonawczego wchodzą 22 jednostki z Unii Europejskiej, Rosji, Turcji i Republiki Południowej Afryki. Celem projektu jest stworzenie dokumentacji technicznej dla pilotowej instalacji do produkcji wodoru metodą fermentacyjną, o zdolności produkcyjnej 60 kg wodoru na godzinę. Docelowo wodór ma być produkowany w zdecentralizowanym systemie małych wytwórni, zlokalizowanych w pobliżu źródeł biomasy Claassen PAM, de Vrije T. Non-thermal production of pure hydrogen from biomass: HYVOLUTION. International Journal of Hydrogen Energy 2007; 41:

2 1.1. Fermentacja wodorowa W projekcie Hyvolution zakłada się wykorzystanie dwustopniowego procesu składającego się z fermentacji termofilnej (nazywanej również fermentacją ciemną) i następującej po niej fotofermentacji 4, według schematu przedstawionego na Rysunku 1. W fermentacji termofilnej odpowiednie bakterie przetwarzają cukry takie jak sacharoza, glukoza itp. do wodoru, dwutlenku węgla i kwasów organicznych. W fotofermentacji, gdzie potrzebne są inne bakterie mające zdolność czerpania energii ze światła słonecznego, kwasy organiczne są ostatecznie przetwarzane do wodoru i dwutlenku węgla. H 2 CO 2 Wzbogacanie gazu H 2 + CO 2 H 2 + CO 2 światło Biomasa Obróbka wstępna biomasy Fermentacja termofilna Fotofermentacja Frakcja stała Pozostałość pofermentacyjna Rys. 1. Koncepcja dwustopniowej fermentacji wodorowej Cukry proste niezbędne do fermentacji termofilnej pozyskuje się na etapie obróbki wstępnej biomasy. Sposób, w jaki prowadzona jest obróbka wstępna, zależy od rodzaju biomasy 5, którą można podzielić na 3 grupy: biomasa cukrowa, skrobiowa i lignocelulozowa 6. Należy podkreślić, że surowcami do produkcji wodoru mogą być zarówno uprawy energetyczne, zboża, rośliny okopowe jak również odpady i produkty uboczne pochodzące z przemysłu rolno-spożywczego. Objaśnienie podziału surowców podano w Tabeli 1. 4 Claassen PAM, de Vrije T, Grabarczyk R, Urbaniec K. Development of fermentation based process for biomass conversion to hydrogen gas. PRES 06 Conference. Praga, Republika Czeska; Urbaniec K, Grabarczyk R. Przygotowanie biomasy do procesu fermentacji wodorowej. Wybrane Problemy Inżynierii Mechanicznej, Płock Urbaniec K, Grabarczyk R. Raw materials for fermentative hydrogen production. Journal of Cleaner Production 2009; 10:

3 Wyprodukowany gaz wodorowy musi być wzbogacony celem usunięcia zanieczyszczeń i osiągnięcia czystości wodoru, wymaganej w zależności od jego dalszego przeznaczenia. Otrzymane w wyniku przetwarzania biomasy frakcja stała oraz pozostałość pofermentacyjna mogą być wykorzystane np. jako nawóz organiczny lub pasza dla zwierząt. Tabela 1. Klasyfikacja surowców do fermentacji wodorowej Typ surowca cukrowy skrobiowy lignocelulozowy Rośliny - buraki cukrowe - ziemniaki - ziarna zbóż - kukurydza - miskant - drewno - trawa Produkty uboczne rolno-spożywcze - melas - obierki ziemniaczane - wysłodki buraczane - słoma - łodygi kukurydzy - młóto browarniane - otręby pszenne 1.2. Struktura projektu Hyvolution Koordynatorem prac projektu Hyvolution jest holenderski instytut badawczy Agrotechnology & Food Innovations funkcjonujący przy Uniwersytecie w Wageningen. Szeroki zakres rozpatrywanych zagadnień wymusił podział prac na siedem głównych pakietów roboczych: Biomasa, Fermentacja termofilna, Fotofermentacja, Wzbogacanie gazu wodorowego, Integracja procesu produkcyjnego, Integracja społeczno-gospodarcza oraz Szkolenia 7. W każdym pakiecie określono lidera, który jest odpowiedzialny za realizację zaplanowanego odpowiednio wcześniej harmonogramu prac. Uczestnicy pierwszych pięciu pakietów zajmują się zagadnieniami technicznymi. W pakiecie Biomasa, którego liderem jest Politechnika w Atenach rozpatrywane są zagadnienia pozyskiwania biomasy wraz z identyfikacją oraz oceną techniczną i ekonomiczną poszczególnych surowców. Opracowywane są najkorzystniejsze metody przygotowania poszczególnych typów surowców do fermentacji termofilnej, a także wzorce logistyki i zapewnienia dostaw surowca do przyszłych wytwórni wodoru. 7

4 Głównym zadaniem pakietów roboczych Fermentacja termofilna i Fotofermentacja jest opracowanie konstrukcji bioreaktorów z określeniem optymalnych warunków ich pracy. Pracami pierwszego z nich kieruje Uniwersytet w Lund natomiast drugiego Uniwersytet Bliskiego Wschodu w Ankarze. Pakiet czwarty, Wzbogacanie gazu wodorowego, kierowany przez Politechnikę w Aachen podejmuje problemy oczyszczania wytworzonego gazu wodorowego oraz magazynowania oczyszczonego wodoru. Wymienione wyżej pakiety robocze zajmują się rozpatrywaniem i analizowaniem oddzielnie kolejnych etapów przetwarzania biomasy do wodoru. Z kolei pakiet piąty, Integracja procesu produkcyjnego, którego liderem jest Politechnika w Wiedniu, ukierunkowany jest na scalenie wyników prac czterech pierwszych pakietów. Tworzone są modele matematyczne poszczególnych etapów procesu produkcyjnego po to, by symulować pracę całej instalacji. Badane są bilanse energetyczne przyszłej wytwórni jak również koszty wytwarzania wodoru, z uwzględnieniem bezpieczeństwa pracy i ochrony środowiska. Wyniki prac pakietu piątego określą możliwości bezpośredniego zastosowania oraz warunków opłacalności fermentacyjnej konwersji biomasy do wodoru. Pakiet szósty, Integracja społeczno-gospodarcza, kierowany przez austriacką firmę Profactor, ma na celu m.in. rozpowszechnianie informacji o projekcie i zwiększenie świadomości społeczeństwa odnośnie zastosowania i wdrażania przyszłych technologii wodorowych. Badane są społeczne i gospodarcze uwarunkowania produkcji wodoru z biomasy z uwzględnieniem wpływu na środowisko naturalne, przy wykorzystaniu tzw. analizy pełnego cyklu życia (LCA). Pakiet szósty jest płaszczyzną kontaktu konsorcjum projektu z przemysłem, gdyż do wdrożenia technologii fermentacyjnej produkcji wodoru niezbędne jest zainteresowanie i czynny udział przedsiębiorstw przemysłowych. W tym celu utworzono tzw. Grupę Zainteresowanych Przedsiębiorstw (IIG Industrial Interest Group). Formalne istnienie IIG zainicjowano na wystawie H2Expo, poświęconej technologiom wodorowym, która odbyła się w Hamburgu w październiku 2008 roku 8. Każda jednostka przemysłowa, która jest zainteresowana fermentacyjną produkcją wodoru, może w każdej chwili dołączyć do IIG i uzyskać dostęp do spotkań informacyjnych oraz szkoleń organizowanych przez konsorcjum projektu. W siódmym pakiecie roboczym Szkolenia, opracowywane są odpowiednie materiały informacyjne zarówno o samej metodzie fermentacyjnej, jak i innych metodach produkcji wodoru, jego magazynowaniu i późniejszym wykorzystaniu. Liderem pakietu jest 8

5 Politechnika w Wiedniu. Materiały szkoleniowe są adresowane nie tylko do członków IIG, lecz również do innych jednostek, jak np. uczelni wyższych i instytutów badawczych niezwiązanych z projektem Hyvolution. Organizowane są również regularne szkolenia dla samych uczestników konsorcjum, co zapewnia lepszą wymianę informacji i zwiększa efektywność realizacji projektu. 2. Projekt Hyvolution a przemysł rolno-spożywczy w Polsce Przemysł rolno-spożywczy należy do najszybciej rozwijających się dziedzin polskiej gospodarki 9. Utrzymujący się od kilku lat wysoki poziom inwestycji skutkuje widoczną poprawą stanu technicznego i technologicznego zakładów przetwórczych. W podpunkcie 2.1 wymieniono kilka przykładów produktów ubocznych i odpadów pochodzących z przemysłu rolno-spożywczego, które potencjalnie mogą być surowcami do produkcji wodoru. W związku ze zmianami strukturalnymi zachodzącymi w polskim rolnictwie oraz redukcją hodowli bydła, trzody chlewnej, owiec i koni, nadwyżka produkcji słomy wynosi wg Kusia 6.5 miliona ton rocznie 10. Część nadwyżki jest formowana w pelety bądź prasowana w bele i przeznaczona do spalania w kotłach ciepłowniczych, jednak większość nadwyżki stosowana jest jako nawóz organiczny poprzez rozdrobnienie i przyoranie 11. Innym potencjalnym surowcem do produkcji wodoru jest młóto browarniane produkt uboczny procesu wytwarzania piwa. Produkcja piwa w Polsce w 2008 roku wynosiła niespełna 37 milionów hektolitrów 12, co daje blisko 740 tysięcy ton młóta browarnianego, które jako pasza jest sprzedawane hodowcom bydła, owiec i trzody chlewnej 13. Podobna sytuacja występuje z otrębami otrzymywanymi na etapie przetwarzania zboża i produkcji mąki. Ważną gałęzią polskiego przemysłu spożywczego jest cukrownictwo. Zarówno same buraki cukrowe jak i produkty uboczne wytwarzania cukru (zwłaszcza melas) są uważane za surowce dla początkowej fazy wdrażania fermentacyjnej produkcji wodoru. Ich zaletą jest metoda obróbki wstępnej, mniej skomplikowana niż w przypadku surowców skrobiowych i 9 Wojnarowska A. Przemysł spożywczy w Polsce - relacja z konferencji. AgroPrzemysł 2008; 3: Kuś J. Produkcja biomasy rolniczej na cele energetyczne - możliwości i problemy. Rola biomasy w produkcji energii. Białowieża Purta J. Rolnicze i energetyczne wykorzystanie słomy. Energetyczne wykorzystanie biomasy pochodzenia rolniczego. Łosiów

6 lignocelulozowych 14. Innym ważnym czynnikiem przemawiającym za stosowaniem buraków cukrowych do produkcji wodoru jest reforma europejskiego przemysłu cukrowniczego, mająca na celu redukcję ilości produkowanego cukru 15. Wskutek reformy tylko w 2008 roku zamknięto 10 polskich cukrowni a produkcja cukru spadła z 1930 tysięcy ton w kampanii 2007/2008 do 1300 tysięcy ton w kampanii 2008/ Teoretycznie, zamykane zakłady cukrownicze można zaadaptować na potrzeby przyszłych wytwórni wodoru. W podobnej sytuacji znajduje się polski przemysł ziemniaczano skrobiowy. Wynegocjowana i zapisana w Traktacie Akcesyjnym kwota produkcji skrobi była zbyt niska w stosunku do możliwości produkcyjnych, surowcowych oraz zapotrzebowania rynku 17. Prowadzone w projekcie Hyvolution analizy pokazały, że przyłączenie wytwórni wodoru do cukrowni bądź zakładu skrobiowego niesie za sobą korzyści zarówno od strony energetycznej 18, jak i ekonomicznej. Przy odpowiedniej polityce rolnej i cenowej, poprzez wdrożenie technologii fermentacyjnej, byłoby możliwe utrzymanie produkcji buraków cukrowych oraz ziemniaków skrobiowych na dotychczasowym poziomie. 3. Podsumowanie Europejska Platforma Technologiczna Wodoru i Ogniw Paliwowych przewiduje sukcesywne wprowadzanie technologii wodorowych w Europie 19. Technologia fermentacyjna, opracowywana w projekcie Hyvolution, ma szanse szerszego stosowania po 2020 roku. Oznacza to, że już dzisiaj konieczne jest prowadzenie analiz mających na celu dokładne rozpoznanie zasobów surowcowych również w Polsce. Wykorzystanie odpadów i produktów ubocznych sektora rolno-spożywczego do produkcji wodoru stwarza perspektywę różnorodnych korzyści, w tym: Uniknięcia konfliktu występującego pomiędzy produkcją żywności a produkcją energii. 14 Bakker R. Hyvolution Deliverable 1.3. Pretreatment-hydrolysis process configuration for most promising feedstocks. 15 Mucha M. Stan i perspektywy branży cukrowniczej w Polsce. Przyczyny i konsekwencje zmian w reformie unijnego rynku cukru. Pokampanijna konferencja surowcowo-techniczna. Wyniki techniczno-produkcyjne kampanii 2007/08. Warszawa Świetlicki S. Wyniki techniczno-produkcyjne polskich cukrowni w kampanii cukrowniczej 2008/2009. Wyniki techniczno-produkcyjne kampanii 2008/09. Warszawa Dzwonkowski W. Rynek skrobi ziemniaczanej w Polsce i w Unii Europejskiej. Instytut Ekonomiki Rolnictwa i Gospodarki Żywnościowej. Państwowy Instytut Badawczy. Warszawa Markowski M, Budek A, Urbaniec K, Wukovits W, Friedl A, Ljunggren M, Zacchi G. Heat integration of a plant to process biomass to hydrogen. PRES 08 Conference. Praga, Republika Czeska;

7 Otwarcia nowego rynku zbytu dla przemysłu rolno-spożywczego. Zwiększenia dywersyfikacji źródeł energii, co ma szczególne znaczenie dla zrównoważonego rozwoju gospodarczego. Podziękowania Praca współfinansowana z następujących źródeł: Projekt Hyvolution, kontrakt , Europejski Fundusz Społeczny, projekt Program Rozwojowy Politechniki Warszawskiej, Zintegrowany Program Operacyjny Rozwoju Regionalnego, Mazowieckie Stypendium Doktoranckie.