B i o p a l i w a. Dlaczego biopaliwa?

Transkrypt

1 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.

2 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

3 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!

4 W 1872 gdy Otto opracował pierwszy silnik spalinowy, nie znano jeszcze ropy naftowej i technologii jej rafinacji. Dlatego paliwem dla jego silnika był właśnie 90-95% 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 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 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.

5 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 CO 2 podczas spalania jest emisją tła (zerowa emisja CO 2 ), 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 m 3 ; 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.

6 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

7 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 CO 2 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.