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-Coal-
to-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
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 1992-2005, 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 130-150°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 tert-
butylowego na jonitowym katalizatorze w temperaturze otoczenia wg reakcji:
CH3- CH2-OH + CH2 = CH-CH2-CH3 CH3-CH2-O- CH-CH2-CH3
CH3
2
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-tert-
butylowego (EETB).
-
Odzysk etanolu z kolumną ekstrakcyjną przy użyciu wody.
-
Oczyszczanie frakcji C4 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
210 000 ton
2
Francja
80 887 ton
3
Polska
38 000 ton
4
Szwecja
200 000 ton
5
Hiszpania
152 000 ton
6
Czechy
47 000 ton
7
Litwa
2 000 ton
Razem
729 887 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
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 550-600°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
CO2 + C ─► 2CO
Dzięki czemu odpadowy składnik procesu zgazowania zostaje przemieniony w
główny komponent procesu syntezy Fischera-Tropscha, biegnący wg reakcji
H
2CO + H
kat. Fe
2
C
+ CO2
H
co już ilustruje rys. 5-b.
Wytwarzanie składników syntetycznej ropy można z mieszaniny CO + H2
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 wodno-
parowego 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
W warunkach RFN omawiany proces będzie konkurencyjny do naturalnej ropy
przy jej cenie 73-75 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
780-850°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 rolno-
spożywczego. 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
[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, 2006.
[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. 1284
[7] Kotowski W., Gigawat Energia, 2006, t 25, s. 82
6