ROZWÓJ PRODUKCJI BIOPALIW W UNII EUROPEJSKIEJ

Transkrypt

1 Prof. dr hab. inż. Włodzimierz Kotowski Wyższa Szkoła Ekonomii i Administracji w Bytomiu ROZWÓJ PRODUKCJI BIOPALIW W UNII EUROPEJSKIEJ Rozwój produkcji biopaliw bywa nie tylko stymulowany rosnącymi cenami oraz szybko malejącymi zasobami nieodnawialnych nośników energii, ale również pokaźną i stale zwiększającą się wytwórczością różnorakiej biomasy, którą w relatywnie prosty sposób przetwarza się do etanolu, ekologicznego oleju napędowego powszechnie określanego jako biodiesel oraz do syntetycznej ropy. Dodatkowym czynnikiem rozwoju tych procesów jest ograniczenie emisji do atmosfery gazów cieplarnianych wraz z innymi zanieczyszczeniami, a nawet truciznami. Biopaliwa są definiowane jako odnawialne nośniki energii, uzyskiwane z biomasy, którą traktuje się jako składową organicznych materiałów ekosystemu. Alternatywne składniki oraz bazy surowcowe wytwarzania biopaliw Dla silników Otta oraz Diesla istnieją różnorakie opcje paliwowe [1-4]. Obok bazy nieodnawialnych surowców: gaz ziemny, który wg procesu Fischera-Tropscha przetwarza się obecnie do syntetycznej ropy (Gtl-Gas-to-Liguid), czy węgiel (Gtl-Coalto-Liguid), są biopaliwa, które można również wytwarzać z biomasy na tej samej drodze technologicznej (Btl-Biomass-to-Liguid) [5]. Obecnie istnieją następujące opcje wytwarzania biopaliw o rozmaitych możliwościach stosowania: - Biodiesel, bywa wytwarzany na drodze katalitycznej reestryfikacji olejów roślinnych z metanolem. W tym procesie wydziela się z surowca około 10% mas. gliceryny, którą zastępuje metanol. Tak powstają estry metylowe kwasów tłuszczowych. W Europie wśród olejów roślinnych dominuje olej rzepakowy, który można zastąpić tłuszczami zwierzęcymi oraz przepracowanymi olejami roślinnymi. Gęstość produktu wynosi 0,88 kg/l, a ciepło spalania 32,65 MJ/l (37,1 MJ/kg), które jest niższe od oleju napędowego ropy. 1 litr biodiesla wg wartości spalania zastępuje 0,91 l oleju napędowego. 1

2 Oba te paliwa można mieszać z sobą w dowolnej proporcji i każde z nich bywa stosowane również samodzielnie w silnikach Diesla (jeśli wytwórcy aut zezwalają na stosowanie samego biodiesla). Najczęściej tankowane są mieszanki 5,5% obj. biodiesla w oleju napedowym z ropy, co zapewnia pełne spalanie (bez tworzenia się sadzy) tego drugiego. Produkcja biodiesla w Unii Europejskiej charakteryzuje się pokaźną dynamiką rozwojową w latach , co demonstruje rys. 1, a dla wybranych krajów UE ilustruje rys. 2. Natomiast kształtowanie się kosztów wytwarzania biodiesla w większości krajów Europy w roku 2005 ujęto rys.3. - Oleje roślinne są nie tylko surowcem dla wytwórczości biodiesla, ale mogą być zastosowane bezpośrednio do napędu wolnoobrotowych silników pojazdów i maszyn w rolnictwie oraz w przemyśle budowlano-montażowym. Konieczne są niewielkie uzupełnienia w aucie między innymi drugi zbiornik paliwa, ogrzewany spalinami do około C dla uzyskania optymalnej lepkości wtryskiwanego do cylindrów oleju. Gęstość oleju roślinnego wynosi 0,92 kg/l, a ciepło spalania 34,59 MJ/l (37,6 MJ/kg). Porównując te wartości z olejem napędowym z ropy, trzeba 1 litr pierwszego, jako ekwiwalentu 0,96 litra drugiego. Różnice w cenach między biopaliwem a olejem napędowym z ropy czynią koszty koniecznych przeróbek w aucie w ostatecznym bilansie opłacalnymi. - Etanol bywa nie tylko wytwarzany z surowców, zawierających cukier czy krochmal (zboże, kartofle), ale również lignocelulozę (drewno, słomę, trawę i odpady organiczne). Gęstość produktu wynosi 0,79 kg/l, a wartość opałowa 21,17 MJ/litr (26,8 MJ/kg). W odniesieniu do tej wartości opałowej 1 litr etanolu równoważy 0,65 litra benzyny. Wg norm europejskich dopuszcza się dodawanie 5% etanolu do benzyn, aczkolwiek istniejące konstrukcje silników Otta dopuszczają 10-procentowy udział tego biopaliwa w tym, pochodzącym z przerobu ropy. Etanol bywa również stosowany do produkcji etylowego eteru tertbutylowego na jonitowym katalizatorze w temperaturze otoczenia wg reakcji: CH 3 - CH 2 -OH + CH 2 = CH-CH 2 -CH 3 CH 3 -CH 2 -O- CH-CH 2 -CH 3 CH 3 2

3 Proces jest silnie egzotermiczny i dla zapewnienia efektywnego chłodzenia strefy syntezy przebiega w kilku reaktorach z intensywnym chłodzeniem, co ilustruje rys. 5, obejmujący następujące węzły: - Trójstopniowy węzeł reakcyjny z dwoma równolegle pracującymi reaktorami rurkowymi w pierwszym stopniu, a potem dwoma szeregowymi reaktorami zbiornikowymi. - Kolumna rektyfikacyjna z dolnym odbiorem eteru etylo-tertbutylowego (EETB). - Odzysk etanolu z kolumną ekstrakcyjną przy użyciu wody. - Oczyszczanie frakcji C 4 od związków tlenowych na drodze odsorpcji oraz destylacji stripingowej. Ilość dodawanego etanolu do benzyn w wybranych krajach Unii Europejskiej w 2004 roku ujmuje poniższa tabela: 1 Niemcy ton 2 Francja ton 3 Polska ton 4 Szwecja ton 5 Hiszpania ton 6 Czechy ton 7 Litwa ton Razem ton Koszty produkcji etanolu w krajach Unii Europejskiej w 2004 roku ilustruje rys. 4 z uwzględnieniem buraków cukrowych i pszenicy jako surowców. - Syntetyczna ropa, zwana w skali międzynarodowej Sun-Fuel, obejmuje węglowodory w konfiguracji łańcuchowej. Wytwarza się ją na drodze tlenowo-parowego zgazowania, przede wszystkim drewna i słomy z możliwością dodawania do powyższych odpadów organicznych (łącznie z wyselekcjonowanymi odpadami komunalnymi). Wytworzony na tej drodze gaz syntezowy, zawieszający mieszaninę tlenku węgla i wodoru, zostaje z udziałem katalizatorów (najczęściej żelazowych) przetworzony do syntetycznej ropy metodą Fischera-Tropscha. Uzyskany produkt charakteryzuje się gęstością w granicach 0,76-0,79 kg/l oraz ciepłem spalania 33,45 MJ/l (43,9 MJ/kg). Wg tego ostatniego parametru 1 litr tak wytworzonej 3

4 syntetycznej ropy jest ekwiwalentem 0,97 litra oleju napędowego z ropy neutralnej. Istnieje kilka technologii przetwarzania biomasy do ropy syntetycznej, ale najbardziej dojrzałą badawczo-wdrożeniowo jest niemiecka wersja pod nazwą CHOREN. Opracowano ją na uniwersytecie technicznym, w akademii górniczej we Freibergu. Jest to wysoce efektywny proces, tym znamienny, że z 1 ha uprawy roślin energetycznych przykładowo wierzby krzaczastej uzyskuje się aż 4 tony paliw silnikowych. Tymczasem w przypadku uprawy rzepaku, z 1 ha można uzyskać jedynie jedną tonę biodiesla. Schemat procesowy wytwarzania syntetycznej ropy z biomasy metodą CHOREN ilustrują rys. 6a-b. Wg rys. 6-a zrębki drewna poddaje się pirolizie w temperaturze C, a uzyskane opary, gaz z węglem drzewnym poddaje się następnie tlenowo-parowemu zgazowaniu. Znamiennym w tej operacji jest wdmuchiwanie rozpylonego węgla drzewnego do płomienia zgazowania. Tu bowiem powstający ubocznie ditlenek węgla reaguje z węglem drzewnym wg reakcji Boudourda CO 2 + C 2CO Dzięki czemu odpadowy składnik procesu zgazowania zostaje przemieniony w główny komponent procesu syntezy Fischera-Tropscha, biegnący wg reakcji H kat. Fe 2CO + H2 C + CO2 H co już ilustruje rys. 5-b. Wytwarzanie składników syntetycznej ropy można z mieszaniny CO + H 2 przeprowadzić w rozmaitych reaktorach i na różnych katalizatorach. Dziś dominują katalizatory żelazowe. Ich preparatyką można w znacznych granicach regulować stosunek wytwarzanej benzyny do oleju napędowego. Na tym rysunku przedstawiono reaktor z fluoidalnym złożem katalizatora. Proces syntezy Fischera-Tropscha jest silnie egzotermiczny, co wymusza montaż kotła wodnoparowego w reaktorze. Pylisty katalizator jest w obiegu i reaktywowany wypalaniem osadzającego się na nim koksu. Na podkreślenie zasługuje fakt, że olej napędowy z tej syntezy ma liczbę cetanową powyżej 70 jednostek, podczas gdy uzyskany z ropy utrzymuje ten parametr poniżej 57 jednostek. 4

5 W warunkach RFN omawiany proces będzie konkurencyjny do naturalnej ropy przy jej cenie USD/baryłkę. W zakończeniu należy podkreślić, że w skali pilotowej opanowano bezpośrednią przemianę biomasy do gazu wysokowodorowego dla ogniw paliwowych na drodze zgazowania powyższej samą parą wodną o parametrach nadkrytycznych w granicach C. Pierwszą instalację tego typu uruchomili w 2004 roku Austriacy w miejscowości Güssing [6]. Poza tym opanowano wydzielanie czystego metanu z wiejsko-gminnych biogazowni, przetwarzających na drodze beztlenowej fermentacji odpady przemysłu rolnospożywczego. Metan ten, o czystości 98% obj. nadaje się jako paliwo do silników spalinowych [7]. Oba te procesy są obecnie na etapie pojedynczych wdrożeń przemysłowych i w bilansie paliw silnikowych nie zajmują żadnych znaczących pozycji. W średnim oraz dłuższym horyzoncie czasowym powstaną nowe, wielce obiecujące opcje procesowe wytwarzania paliw silnikowych z biomasy oraz różnorakich odpadów organicznych tak komunalnych, jak i przemysłowych. Rozmiar tych działań badawczo-wdrożeniowych będzie jednak zależał od rozmiarów wsparcia przez parlamenty i rządy przede wszystkim krajów wysokorozwiniętych. SUMMARY The determinant factors were presented for rapid growth in the production of biofuels. Not only was conversion of vegetable oils to the environmentally-friendly diesel oil shown but also the possibility of using the neat vegetable oil as a fuel for Diesel engines was described. Also, the processes were characterised for the production of ethanol from specific feeds, and so was the production of synthetic petroleum by the Fischer- Tropsch method based on gasification of biofuels. Principal European producers of ethanol-containing gasoline grades were specified. 5

6 LITERATURA [1] Gülzow V., Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe, RFN, 2006, s. 74. [2] Evers D., Europäischer Biodieselverband, European Biodiesel Board, RFN, 2005, s. 56 [3] Schmitz N., Biokraftstoffe eine vergleichende Analyse; Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz, RFN, [4] USDA, Gain report E35058, IE-Studie, RFN, 2005, s. 251 [5] Baitz M., Vergleichende Ökokbilanz von SunDiesel (Choren-Verfahren) und konventionellem Dieselkraftstoff, Volkswagen AG und DaimlerChrysler AG, RFN, 2004, s. 187 [6] Kotowski W., Przemysł Chemiczny, 2006, s [7] Kotowski W., Gigawat Energia, 2006, t 25, s. 82 6