Dlaczego produkować biopaliwa?

Przyspieszone zmniejszanie się zasobów kopalnych spowodowane sukcesywnie wzrastającym zapotrzebowaniem na energię to problem ostatnich lat w Europie i na świecie. Obecnie paliwa kopalne w skali świata zaspokajają około 95% zapotrzebowania na energię. Szacunkowe prognozy wskazują, że zasoby paliw konwencjonalnych pozwolą na pokrycie rosnącego zapotrzebowania na energię, jeżeli chodzi o węgiel kamienny na najbliższe 218 lat, ropę naftową- na 41 lat, gaz ziemny- na 63 lata. Powstaje zatem konieczność opracowania alternatywnych, konkurencyjnych z nośnikami konwekcjonalnymi, odnawialnych i przyjaznych środowisku rozwiązań. Biopaliwa doskonale spełniają te warunki, choć do niedawna nie znajdowały szerszego zastosowania i akceptacji społecznej głównie ze względu na ich ograniczoną dostępność oraz dużo wyższą cenę.

Rosnące opłaty eksploatacyjne nowych złóż oraz lobbowanie odnawialnych źródeł energii jako tych, które mogą przyczynić się do zmniejszenia efektów ocieplania się klimatu, przyczyniły się do zwiększenia produkcji biopaliw. Według Unii Europejskiej najczęściej stosowanymi biopaliwami są biodiesel i bioalkohol. Aktualnie ten pierwszy wytwarzany jest z głównie z olejów jadalnych: rzepakowego, palmowego, sojowego oraz arachidowego. Natomiast bioetanol jest produkowany głównie z cukru trzcinowego (Brazylia) oraz kukurydzy (USA). Na mniejszą skalę wykorzystuje się również buraki cukrowe, oraz inne rośliny zbożowe, takie jak: pszenica, jęczmień, sorgo, owies czy ryż.

Biopaliwa I, II i III generacji

Biopaliwa I generacji to nic innego jak biopaliwa produkowane z surowców mogących służyć do wytwarzania żywności. Wykorzystanie biopaliw I generacji pociąga za sobą wiele niekorzystnych zjawisk ekonomiczno-społecznych. Przykładowo wzrost obszaru upraw roślin przeznaczonych na cele energetyczne skutkuje osuszaniem torfowisk, wycinką lasów tropikalnych i ogólnym przygotowaniem gleby pod uprawę. Szacuje się, że w Europie czy USA, oszczędności emisji z biopaliw dopiero po 100 latach kompensują wyzwolony z gleby dwutlenek węgla. Dodatkowo produkcja biopaliw I generacji pociąga za sobą wydatkowanie energii na maszyny rolnicze, nawozy, zbieranie, transport i przetwarzanie, co wygląda trochę jak przemalowywanie czarnej energii z paliw kopalnych na zielony kolor. Dodatkowo z badań wynika, iż uprawy takie są o 36% mniej efektywne od upraw żywnościowych.

Raporty naukowe, a także Banku Światowego i OECD stwierdzają, że uprawy roślin pod biopaliwa, szczególnie w USA i Europie nie rozwiązują ani kwestii emisji CO₂ ,ani problemu braku paliw, nasila się za to kryzys żywnościowy. Alternatywą może być wykorzystanie do produkcji biopaliw surowców odpadowych. I tutaj z pomocą przychodzą nam paliwa II generacji. Pod względem ilościowym najbardziej powszechnymi surowcami do otrzymywania biopaliw II generacji są materiały zawierające tzw. kompleks lignocelulozowy, np. słoma, drewno, roślinne odpadki przemysłu spożywczego, czy odpadki z produkcji papieru.

Zastosowanie takich surowców bez wątpienia umożliwia potencjalnie wydajną produkcję bioetanolu, jednak sama zamiana odpadków roślinnych na alkohol etylowy stanowi dziś duże wyzwanie technologiczne i finansowe. Potencjał tego typu paliw na dzień dzisiejszy jest dość mały w porównaniu z biopaliwami III generacji, które są produkowane przy pomocy alg.

Na wykresie poniżej przedstawiono przewidywalną konsumpcję biopaliwa w UE do roku 2023.

Etanol z drewna

Najbogatszym znanym źródłem węglowodanów jest lignoceluloza, podstawowy składnik ścian komórkowych roślin, składająca się z około 25% ligniny oraz około 75% polimerów węglowodanowych (celulozy i hemicelulozy). Pierwsze próby komercjalizacji produkcji etanolu z drewna podjęto już w Niemczech w II połowie XIX wieku. Niemcy szybko uprzemysłowili proces produkcji etanolu, uzyskując aż 50 galonów (ok. 190 litrów) etanolu z tony odpadów drewnianych. Taka wydajność niestety nie pomogła przetrwać na tamte czasy konkurencji ze strony paliw kopalnych, które były nieocenionym zasobem podczas późniejszych wojen. Sam proces produkcji biopaliwa z kompleksu lignocelulozowego obejmuje kilka etapów: etap wstępny, hydrolizę, fermentację oraz oczyszczanie produktu. Końcowym etapem produkcji etanolu celulozowego jest destylacja.

Na przykład w Kanadzie firma Iogen Corporation prowadzi produkcję etanolu celulozowego, powstającego z przerobu biomasy celulozowej, przy użyciu kombinacji metod barotermicznych, chemicznych i biologicznych, gdzie wydajność osiągana z 1 tony włókien celulozowych wynosi ponad 340 litrów etanolu. Interesującym jest, że pozostająca jako produkt uboczny lignina jest zużywana do wytwarzania pary i energii elektrycznej, przez co w całym procesie technologicznym nie są więc potrzebne inne źródła energii, jak węgiel kamienny lub gaz ziemny. Technologie firmy Iogen Corporation wykorzystują skuteczne oraz wydajne enzymy z grupy celulaz, pozyskiwane ze szczepów Trichoderma reesei.

Enzymy celulolityczne wprowadzane są już na etapie przygotowania biomasy. Penetracja struktury lignocelulozowej przez enzymy wspomagana jest przez odpowiednio zmodyfikowany proces parowania. Proces hydrolizy zachodzi w specjalnych reaktorach, które zwiększają szybkość degradacji celulozy do cukrów prostych. Następnie następuje proces fermentacji, który odbywa się przy udziale specjalnie wyselekcjonowanych szczepów drobnoustrojów, przetwarzających zarówno cukry C5 i C6 w etanol. Dzięki takim rozwiązaniom technologicznym znacznie zwiększono wydajność oraz zredukowano koszty procesu.

W czym problem?

Ze względu na odnawialny charakter i ogólną dostępność, biomasa jest surowcem o największym potencjale jako nośnik energii. Problem tylko w tym, że na chwilę dzisiejszą technologia nie jest zupełnie wypracowana, a sama produkcja bioetanolu z drewna jest bardzo kosztowna. Niestety, mimo prowadzenia licznych prac badawczych, dotychczas nie zostały wdrożone do szerszej praktyki zadowalające i opłacalne metody produkcji tego paliwa. Główną przeszkodą jest wysoki koszt pozyskiwania bakterii wytwarzających wydajne enzymy. Jak podają naukowcy, w ostatnich latach dzięki opracowaniu metody odwróconej osmozy z zastosowaniem separacji, wykorzystującej syntetyczne membrany ze specjalnie usieciowanych polimerów, uzyskano postęp w rozdzielaniu faz składników fermentacyjnych, co pozwoliło obniżyć koszty o 10-15%.

Duże nadzieje odnośnie produkcji bioetanolu ze zrębków drewna i roślin energetycznych wiązane są też z  metodami szybkiej pirolizy (instalacja pilotażowa istnieje w Kanadzie). Wielu naukowców uważa ,że wytwarzanie bioetanolu metodami enzymatycznymi z materiałów lignocelulozowych jest najbardziej perspektywiczne w kontekście zaspokojenia potrzeb energetycznych na świecie. Rozwiązanie problemów natury technologicznej w niedalekiej przyszłości może przyczynić się do ogromnego wzrostu wykorzystania biomasy, jednakże bez odpowiedniej technologii szanse na szeroką komercjalizację bioetanolu z drewna na tę chwile są małe.

Co prawda, dzięki powszechności stosowania rozmaitych ulg podatkowych i zachęt dla producentów produkcja tego alkoholu wykazuje znaczną dynamikę. W Europie najwięcej badań dotyczących wykorzystania kompleksu lignocelulozowego do produkcji biopaliwa prowadzonych jest w Szwecji i w Danii, a na świecie w Stanach Zjednoczonych, Kanadzie, Brazylii i Japonii.

Zalety i wady biopaliw

Jedną z największych zalet stosowania biopaliw jako źródeł energii jest zmniejszenie emisji dwutlenku węgla, gazu cieplarnianego, którego wzrost zawartości w atmosferze uważany jest przez wielu za główną przyczynę zmian klimatycznych. Chociaż jak donoszą badania Ned’a Nikolov’a i Karl’a Zeller’a to Słońce jest kluczowym czynnikiem zmian klimatycznych, a nie jak powszechnie wielu uważa aktywność człowieka. Tutaj możecie przeczytać więcej o badaniach Nikolov’a i Zeller’a i kontrowersjach związanych z publikowaniem ich prac:

Global warming is due to sun’s radiation – NOT carbon emissions!

Kolejną zaletą, zwłaszcza w świetle ostatniego kryzysu na linii współpracy energetycznej Rosji z Ukrainą i Unią Europejską, jest uniezależnienie się od dostawców ropy naftowej i przemysłu petrochemicznego. Ponadto, dzięki zawartości tlenu, bioetanol wykazuje korzystniejszy profil spalania w silnikach iskrowych i w konsekwencji umożliwia zmniejszenie emisji tlenku węgla, tlenku azotu, węglowodorów, tlenku węgla oraz pyłów do atmosfery. Warto zwrócić uwagę, że etanol jest dobrze rozpuszczalny w wodzie, co decyduje o jego niewielkiej toksyczności dla środowiska i minimalizuje ryzyko katastrof ekologicznych (takich jak na przykład katastrofa w Lac Megantic, gdzie wykoleił się pociąg wiązący ropę, czy eksplozja platformy wiertniczej Deepwater Horizon należącej do BP w Zatoce Meksykańskiej). Bioetanol ma także wyższą liczbę oktanową, szerszy zakres palności, wyższą prędkość spalania oraz wyższą temperaturę parowania niż benzyna.

Główną wadą bioetanolu jest mniejsza o 24% wartość opałowa.

Podsumowując

Biorąc pod uwagę ograniczone zasoby konwencjonalnych nośników energii, jak również ich rosnące zużycie, rozwój metod biotechnologicznych pozyskiwania biopaliw ze źródeł odnawialnych, wydaje się jednym z interesujących rozwiązań alternatywnych zaspokojenia części potrzeb energetycznych w najbliższej przyszłości. Polska gospodarka opierająca się obecnie na węglu i ropie potrzebuje alternatywy, która pozwoli nam uniezależnić się energetycznie.

A jak wiemy, prawdziwe bezpieczeństwo jest możliwe wtedy, gdy kraj jest samowystarczalny, również technologicznie.

Photo credit: EMAZE: https://www.emaze.com/@ACZFTOLC/BIOFUEL