Furany - paliwa przyszłości

Furany - paliwa przyszłości
Fot. Adobe Stock. Data dodania: 20 września 2022

Zapobieganie zmianom klimatycznym, perspektywa wyczerpania się zasobów paliw kopalnych i podwyżki ich cen skłoniły świat do poszukania alternatywnych dróg otrzymywania paliw i chemikaliów. W ciągu ostatnich lat dużą uwagę poświęca się biopaliwom i biochemikaliom, które można pozyskać z szeroko dostępnej biomasy.

Zgodnie z definicją zawartą w dyrektywie Unii Europejskiej 2009/28/WE, pod pojęciem biomasy należy rozumieć ulegającą biodegradacji część produktów, odpadów lub pozostałości pochodzenia biologicznego z rolnictwa (łącznie z substancjami roślinnymi i zwierzęcymi), leśnictwa i związanych działów przemysłu, w tym rybołówstwa i akwakultury, jak i ulegającą biodegradacji część odpadów przemysłowych i miejskich. Ze względów środowiskowych, logistycznych i ekonomicznych szczególnie atrakcyjnym surowcem do produkcji biopaliw jest biomasa lignocelulozowa, z której przy doborze odpowiednich metody konwersji można otrzymać m.in.: celulozowy etanol, gaz syntetyczny (bio-SG) czy coraz bardziej doceniane paliwa furanowe (ang. Furanics fuel).

Paliwa furanowe, czyli związki będące pochodnymi furanu, zostały określone w "Mapie Drogowej Biopaliw w transporcie" opracowanej przez Międzynarodową Agencję Energii (IEA) jako przyszłościowe biopaliwa, dla których przewiduje się intensywny rozwój technologii produkcji do roku 2050. Obecnie prace nad technologiami ich otrzymywania znajdują się dopiero w fazie badań i rozwoju (rys. 1). Nie dziwi więc fakt, że zespoły badawcze podejmują prace mające na celu opracowywanie nowych, wydajniejszych i bardziej opłacalnych sposobów otrzymywania pochodnych furanu z biomasy.

Lignoceluloza jest polimerem składającym się głównie z trzech frakcji: celulozowej (35-45%), hemicelulozowej (25-40%) i ligninowej (5-25%). Jest to najczęściej występujący rodzaj biomasy, jednakże jej konwersja chemiczna stanowi duże wyzwanie. Z jednej strony obecność lignin w tej biomasie wpływa na jej twardość oraz łączy pozostałe polimery w trwały kompleks, z drugiej strony sprawia, że aby skutecznie przetworzyć lignocelulozę do biopaliw konieczna jest jej obróbka wstępna. Zastosowanie takich metod jak np.: mielenie, wyciskanie, rozdrabnianie, ultradźwięki - redukuje rozmiar substratu, polepsza dostępność powierzchni właściwej substancji bioaktywnych, zmniejsza stopień polimeryzacji i krystalizacji lignocelulozy. W dalszym etapie, z wykorzystaniem np. katalizowanej enzymami hydrolizy, długołańcuchowe polisacharydy (celulozę i hemicelulozę) można przekształcić do cukrów prostych (monosacharydów) - mieszaniny pentoz i heksoz. Dopiero przeprowadzenie dehydratacji (odwodnienia) cukrów prostych daje związki będące pochodnymi furanu, takie jak furfural czy 5-hydroksymetylofurfural (HMF), które stanowią bazę wyjściową do dalszych konwersji w związki, które mogą stanowić samoistne biopaliwa lub biokomponenty. Prace w zakresie opracowywania metod konwersji biomasy lignocelulozowej do furfuralu są prowadzone również przez Przemysłowy Instytut Motoryzacji, a ich rezultaty zostały już docenione na wielu targach innowacyjności i wynalazczości m. in w Brukseli, Chorwacji, czy Niemczech.

DMF- nowy konkurent bioetanolu

Jedną z pochodnych furanowych, jest 2,5-dimetylofuran (DMF), który znajduje zastosowanie jako rozpuszczalnik organiczny, biokomponent paliwowy, jak i samodzielne biopaliwo. DMF jest sklasyfikowany jako biopaliwo drugiej generacji i określany jako perspektywiczny zamiennik, stosowanego obecnie etanolu. Może być on otrzymywany z HMF poprzez konwersję z zastosowaniem odpowiednich katalizatorów np. miedziano-rutenowych czy palladowo-złotych. DMF jako paliwo do zasilania silników iskrowych ma znacznie korzystniejsze właściwości fizykochemiczne niż etanol (tabela 1).

Rozpuszczalność DMF w wodzie jest bliska zeru, co ułatwia jego przechowywanie. Jest on całkowicie rozpuszczalny w węglowodorach oraz innych związkach tlenowych stosowanych w składzie paliw silnikowych. Gęstość energetyczna DMF (31,5 MJ/l) jest o 40% większa względem etanolu (23,0 MJ/l) i zbliżona do gęstości energetycznej benzyny (35,0 MJ/l). Należy również podkreślić, że temperatura wrzenia 2,5-dimetylofuranu jest o ponad 15°C wyższa w porównaniu do etanolu, przez co jest on mniej lotny i bardziej praktyczny w zastosowaniach paliwowych. Ze względu na swoją wysoką stabilność chemiczną DMF nie stwarza problemów w trakcie przechowywania i może być magazynowany przez dłuższy czas. Na tym zalety DMF się nie kończą, jest to związek nietoksyczny, nie zawiera siarki, fosforu, metali, benzenu i wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych. DMF charakteryzuje się wysoką odpornością na spalanie stukowe - jego liczna oktanowa (RON) wynosi 119 i jest wyższa niż RON bioetanolu, czy benzyny. Co ważne stosowanie DMF w składzie benzyny silnikowej (jako komponentu poprawiającego liczbę oktanową paliwa) nie wymaga żadnych zmian w konstrukcji silników, układów zasilania oraz systemów dystrybucji. Problem pojawia się w momencie gdy chcemy zastosować DMF jako samodzielne paliwo. Przy istniejących silnikach spalinowych o zapłonie iskrowym, w których stosuje się benzyny o liczbie oktanowej rzędu 95-98 (E95 lub E98), czysty DMF nie mógłby być stosowany z uwagi na jego zbyt wysoką liczbę oktanową.

"Furanics fuel"

W ostatnich latach firma Avantium opracowała nową metodę (technologia YXY), pozwalającą na otrzymywanie z biomasy wartościowych chemikaliów, polimerów, jak i alternatywnych paliw kolejnej generacji. Metoda ta bazuje na katalitycznej konwersji monosacharydów pozyskanych z biomasy (mieszanina pentoz i heksoz) w obecności alkoholu w związki furanowe i ich dalszym przekształceniu w reakcji uwodornienia lub/i eteryfikacji. Idea procesu produkcji paliw w technologii YXY została przedstawiona na rys. 2.

W pierwszym etapie syntezy, w obecności kwasowego katalizatora (substancji, która przyśpiesza szybkość reakcji) i alkoholu, pentozy ulegają dehydratacji (odwodnieniu) dając furfural. W tym samym etapie, heksozy (monocukry o 6 atomach węgla w cząsteczce) przekształcane są w etery RMF, które mogą być stosowane jako biokomponenty paliwowe (rys. 3).

Przykładowym związkiem otrzymywanym w tym etapie jest etoksymetylofurfural (EMF). Jego wartość energetyczna wynosząca 8,7 kWh/l sprawia, że związek ten pod względem energetycznym jest lepszym paliwem od etanolu (6,1 kWh/l), zbliżonym do benzyny (8,8kWh/l) i nieco gorszym niż olej napędowy (9,7 kWh/l). EMF ze względu na wysoką temperaturę wrzenia (235C) jest szczególnie atrakcyjny jako dodatek do olejów napędowych.

Otrzymany w pierwszym etapie procesu furfural, nie miesza się ani z benzyną, ani z olejem napędowym i aby mógł znaleźć zastosowanie jako paliwo lub biokomponent, wymaga dalszego przekształcenia. W drugim etapie znajdujący się w mieszaninie furfural poddany działaniu wodoru wobec kwasowego katalizatora i alkoholu ulega konwersji do eteru, który z powodzeniem może być stosowany jako biokomponent paliwowy. W tym etapie również część eterów RMF pochodząca z pierwszego etapu ulega katalitycznemu uwodornieniu/ eteryfikacji do dieterów. Otrzymane dietery wykazują lepszą mieszalność niż RMF, a i wydajność procesu ulega poprawie.

Przeprowadzono już niezależne testy olejów napędowych zawierających różną ilość eterów furanowych (do 30% V/V). Mieszanki badano z wykorzystaniem Citroëna Berlingo z silnikiem o zapłonie samoczynnym. Wyniki dla wszystkich poddanych badaniu mieszanek były obiecujące. Przez 90 minut testów nie odnotowano żadnych problemów z pracą silnika, a analiza gazów wylotowych wykazała spadek ilości powstającej sadzy o 16% i emisji SO2 o 17% w porównaniu do konwencjonalnego oleju napędowego. Przykładowe wyniki badań emisji szkodliwych składników spalin z testów silnikowych zostały przedstawione w tabeli 2.

Otrzymane w procesie YXY komponenty furanowe mogą być również stosowane do komponowania paliw lotniczych. Paliwo lotnicze, ze względu na specyficzne warunki pracy i bezpieczeństwo pasażerów, musi spełnić wiele wymagań. Począwszy od odpowiednio dużej ilości energii przypadającej na jednostkę masy i objętości, na niskiej temperaturze krzepnięcia kończąc. Według producenta etery otrzymywanie w procesie YXY spełniają te rygorystyczne warunki. Odznaczają się one wysoką gęstością energii, niską temperaturą krzepnięcia (max. -47°C) i temperaturą zapłonu powyżej 38°C.

Podsumowanie

Technologie produkcji paliw furanowych są dopiero w stadium badań i rozwoju, a zespoły badawcze przeprowadzają dopiero pierwsze testy silnikowe nowych mieszanek. Jednakże powszechna dostępność biomasy (zwłaszcza tej odpadowej, nieżywnościowej), potrzeba zmniejszenia zależności od surowców ropopochodnych, troska o środowisko naturalne, będzie z pewnością stanowić siłę napędową dalszego rozwoju technologii wykorzystujących paliwa furanowe. Pochodne furanowe nie bez powodu nazywane zostały "śpiącymi gigantami" (ang. sleeping giants).

mgr inż. Dorota Wardzińska
Przemysłowy Instytut Motoryzacji
×

DALSZA CZĘŚĆ ARTYKUŁU JEST DOSTĘPNA DLA SUBSKRYBENTÓW STREFY PREMIUM PORTALU WNP.PL

lub poznaj nasze plany abonamentowe i wybierz odpowiedni dla siebie. Nie masz konta? Kliknij i załóż konto!

SŁOWA KLUCZOWE I ALERTY

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu

Podaj poprawny adres e-mail
W związku z bezpłatną subskrypcją zgadzam się na otrzymywanie na podany adres email informacji handlowych.
Informujemy, że dane przekazane w związku z zamówieniem newslettera będą przetwarzane zgodnie z Polityką Prywatności PTWP Online Sp. z o.o.

Usługa zostanie uruchomiania po kliknięciu w link aktywacyjny przesłany na podany adres email.

W każdej chwili możesz zrezygnować z otrzymywania newslettera i innych informacji.
Musisz zaznaczyć wymaganą zgodę

KOMENTARZE (0)

Do artykułu: Furany - paliwa przyszłości

NEWSLETTER

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu.

Polityka prywatności portali Grupy PTWP

Logowanie

Dla subskrybentów naszych usług (Strefa Premium, newslettery) oraz uczestników konferencji ogranizowanych przez Grupę PTWP

Nie pamiętasz hasła?

Nie masz jeszcze konta? Kliknij i zarejestruj się teraz!