Tłuszcz jako cenny surowiec energetyczny

Transkrypt

1 Marta Krajewska 1, Beata Ślaska-Grzywna 2, Dariusz Andrejko 3 Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie Tłuszcz jako cenny surowiec energetyczny Wstęp Kryzys paliwowy, który wystąpił w latach siedemdziesiątych XX wieku uzmysłowił światu, że zasoby surowców energetycznych są ograniczone i możliwe jest ryzyko wyczerpania zapasów paliw kopalnych. Z tego powodu zaczęto szukać alternatywnych rozwiązań, które ograniczą wydobycie paliw konwencjonalnych oraz zapewnią bezpieczeństwo energetyczne Polski i świata i ochronę środowiska naturalnego [3,7]. Odnawialne źródła energii (OŹE) dostarczają energii w formie ciepła, elektryczności oraz paliwa silnikowego nie zanieczyszczając środowiska. Zalicza się tu przede wszystkim energia słońca, wiatru, wód, energia geotermiczną oraz energia zgromadzoną w postaci biomasy, która jest największym i najbardziej ekologicznym potencjalnym źródłem [4]. Jednym z zastosowań biomasy jest przetwarzanie jej na paliwa ciekłe do napędów silników spalinowych. Wytwarza się je z olejów różnych roślin oleistych, w szczególności rzepaku, który daje największy plon tłuszczu z jednostki produkcji. Oleje rzepakowe zastępują paliwa na bazie ropy naftowej (benzyna, olej napędowy) co ma wpływ na ochronę środowiska, ponieważ tłuszcze rozkładają się w sposób biodegradowalny [3,7]. Najczęściej stosowanymi biopaliwami są: biodiesel, ester metylowy oleju rzepakowego oraz bioetanol. Tłuszcze są także surowcem do energetycznego spalania w kotłach grzewczych. W tym przypadku wykorzystuje się przede wszystkim tłuszcze posmażalnicze i inne tłuszcze nie nadające się do spożycia przez ludzi [6,7]. Wobec narastającego światowego kryzysu paliwowego podejmuje się poszukiwanie tanich i ekologicznych technologii produkcji źródeł energii wykorzystywanych zarówno w transporcie, jak i innych obszarach gospodarki. Jedną z takich technologii może być wykorzystanie tłuszczów roślinnych i zwierzęcych oraz ich pochodnych. Stąd też, celem pracy jest obszerna analiza wykorzystania tłuszczu jako odnawialnego źródła energii. Wykorzystanie tłuszczów jako biopaliwa Biopaliwo jest to paliwo wytwarzane z przetwórstwa biomasy czyli produktów pochodzenia organicznego. Może ono występować pod postaciami: stałą, ciekłą i gazową. Biopaliwo produkuje się z surowców, którymi są: oleje wytwarzane z przetwórstwa roślin oleistych, surowce pozyskiwane z roślin uprawnych (zboża, buraki cukrowe, ziemniaki), oleje roślin niejadalnych, drewno i jego odpady a także słoma. Powyższe surowce nazywane są biokomponentami. Mogą one być stosowane jako paliwa samoczynne lub jako domieszki do paliw pochodzenia mineralnego. Z roślin oleistych wytwarzane są one w procesie transestryfikacji w postaci estrów metylowych lub etylowych kwasu tłuszczowego. Z roślin uprawnych, a także słomy i odpadów drzewnych w procesie fermentacji i destylacji biomasy powstają biokomponenty w 1 mgr M. Krajewska, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Biologicznych Podstaw Technologii Żywności i Pasz 2 dr hab. B. Ślaska-Grzywna, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Biologicznych Podstaw Technologii Żywności i Pasz 3 prof. dr hab. D. Andrejko, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Biologicznych Podstaw Technologii Żywności i Pasz Logistyka 5/

2 postaci alkoholu etylowego. Biogaz powstaje w procesie zgazowania biomasy pochodzącej z odpadów komunalnych lub produktów ubocznych przemysłu rolno spożywczego. Ze względu na rodzaj surowca i technologię jego przetworzenia rozróżnia się następujące grupy biopaliw: 1. biopaliwa pierwszej generacji są to paliwa wytwarzane z biomasy. Można je także wykorzystywać do produkcji pożywienia i pasz. Powstają przy zastosowaniu metod konwencjonalnych (fermentacja, estryfikacja), które nie wymagają dużych nakładów energetycznych. Do tej grupy biopaliw zalicza się: bioetanol, czyste oleje roślinne, biodiesel oraz biogaz, 2. biopaliwa drugiej generacji są to paliwa wytwarzane z surowców celulozowych, takich jak drewno, słoma, wieloletnie trawy oraz odpadki przemysłu drzewnego. Do produkcji tych biopaliw używane są wszystkie części roślin, łącznie z łodygami, łupinami czy liśćmi. Wadą ich produkcji jest potrzeba wykonania procesu mająca na celu rozbicie struktury lignocelulozy i uwolnienie cukrów prostych [9], 3. biopaliwa trzeciej generacji są to paliwa wytwarzane z glonów morskich. Do tej grupy zalicza się: bioetanol, biowodór, biometanol i biobutanol. Oleje roślinne jako paliwo silnikowe po raz pierwszy zastosował w 1900 roku Rudolf Diesel. Do tego celu wykorzystał olej z orzeszków ziemnych. Badania na temat wykorzystania oleju rzepakowego do produkcji paliw przeprowadzono w Belgii. Pierwsze prace na ten temat zostały opublikowane w latach czterdziestych XX wieku przez G. Chavanne. Wykorzystał on w swoich badaniach estry etylowe oleju palmowego [1]. Kryzys energetyczny, który nastąpił w latach siedemdziesiątych i na początku osiemdziesiątych XX wieku uzmysłowił światu, że zasoby paliw konwencjonalnych, które mają największy udział w gospodarce energetycznej, nie są niewyczerpalne (rys.1). Z tego powodu ukazał się raport Sekretarza Generalnego ONZ U. Thanta, w którym zaapelowano o międzynarodową akcję ratowania środowiska naturalnego. Na jego skutek zaczęto poszukiwać alternatywnych rozwiązań w celu ograniczenia wydobycia surowców kopalnych, w tym zastosowania olejów roślinnych. Wprowadzone przepisy spowodowały stosowanie biopaliw, co przyczyniło się do znacznego wzrostu uprawy rzepaku [7]. 2,50% 6% 21,70% 7% 37,30% ropa naftowa węgiel gaz ziemny energia jądrowa energia wodna biomasa 25,50% Rys.1. Udział poszczególnych surowców energetycznych w ogólnym bilansie zużycia energii Źródło: Bocheński C. I., Powałka M., Bocheńska A Możliwość produkcji biodiesla w Polsce Biodiesel to paliwo wykorzystywane do napędzania silników wysokoprężnych. Składa się z estrów metylowych oleju rzepakowego (RME) oraz estrów metylowych i etylowych wyższych kwasów tłuszczowych innych roślin oleistych (odpowiednio FAME i FAEE). Może być stosowany w postaci czystej albo jako dodatek do oleju napędowego. Biodiesel otrzymuje się w procesie tłoczenia na zimno, ekstrakcji i transestryfikacji (rys.2), którą można przeprowadzić w fazie homogenicznej lub heterogenicznej. W procesie estryfikacji homogenicznej surowcami są świeże lub zużyte oleje roślinne, kwasy tłuszczowe, tłuszcze zwierzęce a także metanol oraz etanol [9]. 228 Logistyka 5/2015

3 Rys.2. Schemat technologiczny produkcji biodiesla Źródło: W procesie estryfikacji kwasów tłuszczowych otrzymuje się estry metylowe kwasów tłuszczowych, które mogą być komponowane do olejów napędowych lub po specjalnym uszlachetnieniu stosowane jako paliwo samoistne. Produktem ubocznym w procesie produkcji biodiesla jest gliceryna, którą można przeznaczyć na cele techniczne a także wykorzystać w przemyśle farmaceutycznym i spożywczym. W procesie estryfikacji heterogenicznej z zastosowaniem katalizatora w postaci tlenku cynku i tlenku glinu otrzymuje się estry metylowe kwasów tłuszczowych o wysokiej czystości. Otrzymana gliceryna jest wysokiej jakości i może być przeznaczona na cele farmaceutyczne [9]. Biopaliwo wytworzone z oleju rzepakowego jest ekologicznie bezpieczne, łatwiej biodegradowalne, wytwarza mniej zanieczyszczeń, dymu, CO, HC i S oraz nie zawiera metali ciężkich lecz charakteryzuje się nieco większą emisję tlenków azotu [3,7]. Przyczynia się to do ciągłego wzrostu uprawy rzepaku (w Polsce w roku 2002 zebrano 952,7 tys. ton rzepaku, a w 2012r. 1865,6 tys. ton) oraz produkcji oleju na cele energetyczne [8]. Głównym surowcem do produkcji biodiesla jest olej roślinny. Można go jednak zastąpić stosując do tego celu tłuszcze pochodzenia zwierzęcego, które ze względu na podobną budowę molekularną, mogą być alternatywnym surowcem do produkcji biopaliwa. Tłuszcze zwierzęce należy poddać estryfikacji w celu otrzymania biopaliwa o pożądanych właściwościach. Pierwsza w Europie rafineria przetwarzająca tłuszcze zwierzęce na biopaliwa powstała w Danii. Na podstawie przeprowadzonych w niej badań dowiedziono, że do wyprodukowania 1 dm3 biopaliwa należy przeznaczyć ok. 1,11 kg smalcu wieprzowego lub 1,07 kg smalcu wołowego. W tabeli 1 przedstawiono wielkość produkcji tłuszczu pochodzenia zwierzęcego w Polsce z uwzględnieniem poszczególnych województw [13]. Logistyka 5/

4 Tab.1. Produkcja tłuszczu w Polsce w 2006 roku Województwo Tłuszcz wołowy [tys. ton] Tłuszcz wieprzowy [tys. ton] Suma [tys. ton] Dolnośląskie 1,15 6,01 7,16 Kujawsko-Pomorskie 4,66 32,18 36,83 Lubelskie 3,24 20,95 24,18 Lubuskie 0,45 4,37 4,83 Łódzkie 5,66 34,56 40,24 Małopolskie 3,78 10,27 14,04 Mazowieckie 7,98 35,27 43,25 Opolskie 1,22 9,73 10,95 Podkarpackie 1,48 6,73 8,21 Podlaskie 4,73 13,94 18,67 Pomorskie 0,68 10,96 11,64 Śląskie 1,58 8,82 10,39 Świętokrzyskie 1,76 8,42 10,18 Warmińsko-Mazurskie 2,19 12,91 15,09 Wielkopolskie 9,29 82,76 92,04 Zachodniopomorskie 1,70 9,60 11,30 Razem 51,56 307,47 359,03 Źródło: Szulc R., Golimowski W Strategia i możliwości produkcji biopaliw z tłuszczów zwierzęcych w Polsce Na podstawie tabeli 1 można zauważyć, iż Polska posiada wysokie zasoby tłuszczów pochodzenia zwierzęcego, który z powodzeniem można przeznaczyć do produkcji biopaliwa. W związku z coraz większym zapotrzebowaniem na paliwa pochodzenia organicznego, uzasadnione są działania wykorzystujące do tego celu tłuszcze. Wykorzystanie tłuszczów zwierzęcych do produkcji biopaliwa pozwoli zmniejszyć powierzchnię uprawy rzepaku jako surowca energetycznego [13]. Ze względu na wysoki koszt produkcji oleju rzepakowego, konieczne jest poszukiwanie tańszych rozwiązań do produkcji biopaliwa. Takim rozwiązaniem może być wykorzystanie olejów odpadowych, jakimi są tłuszcze posmażalnicze. Niestety zastosowanie tłuszczów posmażalniczych wymaga ich wcześniejszego oczyszczenia, ponieważ charakteryzują się znaczną liczbą zanieczyszczeń takich jak: wolne kwasy tłuszczowe, woda oraz zanieczyszczenia stałe powodujących utrudnienie lub uniemożliwienie przeprowadzenia efektywnej transestryfikacji. Wśród procesów oczyszczania wyróżnia się: neutralizację alkaliczną, suszenie próżniowe, zastosowanie desykantów i adsorbentów. W ten sposób można pozbyć się niebezpiecznego odpadu i powtórnie go wykorzystać, a cena otrzymanego biopaliwa jest niższa niż produkcja paliwa o porównywalnych właściwościach [6,12,14]. Wykorzystanie tłuszczów jako paliwa do spalania w kotłach grzewczych Biodiesel został głównie stworzony, jako paliwo do pojazdów napędzanych silnikiem Diesla. Nadaje on się również, jako paliwo zastępcze lub dodatek do paliwa w piecach lub kotłach przeznaczonych do opalania olejem opałowym. Biodiesel, który jest wykorzystywany do ogrzewania nazywany jest biopaliwem lub olejem grzewczym [15]. Odpady poubojowe sklasyfikowane wyłącznie w kategorii III nie nadające się do spożycia przez ludzi, należy zutylizować. Produktami finalnymi tego procesu jest mączka mięsno kostna oraz tłuszcz techniczny (utylizacyjny). W celu powstania tłuszczu utylizacyjnego, odpadową tkankę zwierzęcą należy poddać obróbce termicznej w temp. do 132oC. Produkcja tłuszczu technicznego opiera się na następujących etapach: segregacja i rozdrabnianie surowca; suszenie surowca; sterylizacja; odseparowanie na prasach tłuszczu od wytłoków; mielenie i przesianie wytłoków na mączkę; hydroliza pierza i szczeciny (przeprowadza się metodą hydrotechniczną, z udziałem jedynie surowca, wody i energii cieplnej) [6]. Ponieważ istnieje zakaz stosowania w żywieniu zwierząt gospodarskich materiałów paszowych pochodzących z tkanek zwierzęcych I oraz II klasy należy przeprowadzić termiczne unieszkodliwianie poprzez 230 Logistyka 5/2015

5 spalenie w kotłach grzewczych w celu odzyskania entalpii chemicznej i odzysku energii zawartej w tłuszczu. Jest to odpad, który zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Ochrony Środowiska z dnia 27 września 2001 roku w sprawie katalogu odpadów sklasyfikowany jest w kategorii odpadów innych niż niebezpieczne [10]. W zgodzie z tym Rozporządzeniem może on być poddany termicznemu przekształceniu poprzez spalenie. Warunkiem przeprowadzenia tego procesu jest dotrzymanie parametrów procesu spalania w kotle zapewniających utrzymanie temperatury spalin powyżej 850oC przez co najmniej 2 sekundy. W Rozporządzeniu Ministra Środowiska z dnia 4 sierpnia 2003 roku o standardach emisyjnych z instalacji znajdują się wymagania co do emisji zanieczyszczeń pyłowo gazowych emitowanych do powietrza atmosferycznego, które proces spalania tłuszczu utylizacyjnego musi spełniać [6,11]. Zaletami korzystania z olejów grzewczych, wyprodukowanych z nowych i używanych tłuszczów roślinnych oraz tłuszczów zwierzęcych jest to, że te oleje są biodegradowalne, nietoksyczne a także pochodzą z tzw. odnawialnych źródeł energii [15]. Podsumowanie Wykorzystanie surowców odnawialnych na cele energetyczne nastąpiło w latach 70-tych XX wieku w celu ograniczenia wydobycia paliw konwencjonalnych. Obecnie w Polsce zastępowanie surowców mineralnych surowcami ekologicznymi ma coraz większe znaczenie. Zastępuje się je ze względu na ochronę środowiska naturalnego oraz coraz większe zapotrzebowanie przez rynek paliwowy. W energetyce tłuszcze stosuje się do produkcji biopaliwa oraz do spalania w kotłach grzewczych. Niesie to za sobą wiele korzyści dla środowiska naturalnego. Zaletami wykorzystania tłuszczów jako biopaliwa jest to, że rozkładają się w sposób biodegradowalny, są nietoksyczne, a także wytwarzają mniej szkodliwych spalin. Surowce do produkcji tłuszczów zarówno roślinnych jak i zwierzęcych są odnawialne. Na cele energetyczne możemy wykorzystywać tłuszcze: świeżo wyprodukowane, posmażalnicze, nie nadające się do spożycia oraz użyte już w innym celu. Wymagają one jednak wcześniejszej rafinacji, aby można było je ponownie użyć i by nie zagrażały środowisku naturalnemu oraz osobom, które będą miały styczność z otrzymanymi paliwami. Streszczenie W pracy zaprezentowano sposoby wykorzystania tłuszczu do celów energetycznych. W sposób szczegółowy opisano zastosowanie tłuszczów jako cennego surowca do napędu silników spalinowych oraz zasilania kotłów grzewczych. Na podstawie przeprowadzonej analizy tematu stwierdzono, że tłuszcze zarówno roślinne jak i zwierzęce, są cennym surowcem energetycznym, charakteryzującym się wieloma zaletami, tj. odnawialnością, biodegradalnością, nietoksycznością oraz mniejszą szkodliwością spalin w porównaniu do paliw kopalnych. FAT AS A VALUABLE SOURCE OF ENERGY Abstract The present work discusses different methods of using fat for energetic purposes. It includes a detailed discussion of using fats as a valuable material for driving combustion engines and boilers. On the basis of the analysis it was noted that both plant and animal fats provide a valuable energy sources presenting numerous qualities, such as renewability, biodegradability, non-toxicity and lower fume toxicity, as compared to fossil fuels. Literatura: [1] Bocheński C. I Biodiesel paliwo rolnicze. Wydawnictwo SGGW, Warszawa [2] Bocheński C. I., Powałka M., Bocheńska A Możliwość produkcji biodiesla w Polsce. Motorol, 2006, 8A, [3] Budzyński W., Bielski S Surowce energetyczne pochodzenia rolniczego cz. I. biokomponenty paliw płynnych (artykuł przeglądowy). Acta Scientiarum Polonorum, Agricultura 3(2) 2004, Logistyka 5/

6 [4] Grzybek A Kierunki zagospodarowania biomasy na cele energetyczne. Wieś Jutra, 9, [5] Mitek M., Słowiński M. (red.) Wybrane zagadnienia z technologii żywności. Wydawnictwo SGGW, Warszawa. [6] Orszulik E., Lenkiewicz D Zastosowanie tłuszczów utylizacyjnych jako paliwa do spalania w kotłach grzewczych. Energetyka i Ekologia, 12, [7] Radkowski S., Piętak A., Kruczyński S. W., Szewczyk K., Struś M Wieloaspektowa analiza stosowania paliw alternatywnych w Polsce ze szczególnym uwzględnieniem biopaliw. Politechnika Warszawska, Warszawa. [8] Rocznik statystyczny rolnictwa. Główny Urząd Statystyczny. Warszawa ISSN [9] Rostek E Biopaliwa pierwszej i drugiej generacji metody otrzymywania i właściwości. Logistyka, 6/2011, [10] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 27 września 2001 roku w sprawie katalogu odpadów. Dz.U [11] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 4 sierpnia 2003 roku w sprawie standardów emisyjnych z instalacji. Dz.U [12] Skrzyńska E., Kmieć K., Stankiewicz R Oczyszczane oleje posmażalnicze jako surowiec dla EMKT. Chemia. Czasopismo techniczne, 2 Ch/2011, Zeszyt 10, Rok 108. [13] Szulc R., Golimowski W Strategia i możliwości produkcji biopaliw z tłuszczów zwierzęcych w Polsce. Journal of Research and Applications in Agricultural Engineering, 55(2), [14] Tańska M., Rotkiewicz D., Bączek N Adsorpcyjne oczyszczanie tłuszczów posmażalniczych przeznaczonych do produkcji biodiesla. Nauka Przyroda Technologie, Tom 6, Zeszyt 4. [15] (dostęp maj 2015 r.) [16] (dostęp maj 2015 r.) 232 Logistyka 5/2015