Przyszłość technologii wytwarzania biopaliw

Przyszłość technologii wytwarzania biopaliw
Fot. Adobe Stock. Data dodania: 20 września 2022

W polityce europejskiej dotyczącej perspektywicznych metod otrzymywania biopaliw jako nośników energii do silników spalinowych zakładano, że podstawowy surowiec do otrzymywania biopaliw stanowić będzie szeroko pojęta biomasa. Do tej pory istniało kilka wzajemnie uzupełniających się definicji biomasy. Zgodnie z definicją europejską określoną w obowiązującej dyrektywie 2009/28/WE, biomasa oznacza 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, a także ulegającą biodegradacji część odpadów przemysłowych i miejskich.

Wprowadzenie

A zatem, przyjmując biomasę jako podstawowe źródło surowcowe do otrzymywania biopaliw, w definicji europejskiej uwzględnione zostały dwie podstawowe ścieżki surowcowe oraz odpowiadające im technologie przekształcania, a mianowicie procesy BtL (biomass to liquid), alternatywnie BtG (biomass to gas) i WtL (waste to liquid), alternatywnie WtG (waste to gas). Powyższa dyrektywa wprowadziła także pojęcie bioliquids – biocieczy, jako ciekłych biopaliw wykorzystywanych do celów energetycznych innych niż w transporcie, w tym do wytwarzania energii elektrycznej oraz energii ciepła i chłodu, produkowane z biomasy. A zatem procesy prowadzące do otrzymania biocieczy z tak zdefiniowanej biomasy jako surowca mieszczą się w grupach BtE (biomass to energy) oraz WtE (waste to energy).

Międzynarodowa Agencja Energii (IEA) opracowała Mapę Drogową Biopaliw w transporcie, w której uwzględnia się konieczność zrównoważonego rozwoju oraz ograniczania emisji GHG poprzez m.in. wykorzystanie ditlenku węgla. Także dyrektywa europejska w preambule zaleca, aby "...podjąć odpowiednie działania, obejmujące wsparcie zrównoważonego rozwoju w odniesieniu do biopaliw oraz rozwój biopaliw drugiej i trzeciej generacji we Wspólnocie i na całym świecie".

Uwzględniając dotychczasowe doświadczenia i rozwój technologii wytwarzania biopaliw, a dokładniej paliw alternatywnych, pochodzących z surowców biologicznie i cywilizacyjnie odpadowych (procesy xtL) dąży się przede wszystkim do ograniczania emisji CO2 lub też optymalnego jego zbilansowania w procesach wytwarzania i spalania paliw. Wprowadzenie pojęcia "procesy xtL" podyktowane zostało potwierdzonym niedoborem biomasy jako surowca, co mogłoby uniemożliwiać otrzymywanie biopaliw w ilościach umożliwiających spełnienie założonych celów wskaźnikowych, zarówno w zakresie procentowego udziału w ogólnej puli paliw transportowych, jak i też w istotnym ograniczaniu emisji ditlenku węgla.

Perspektywiczne technologie biopaliw wg Europejskiej Strategicznej Agendy Badawczej

Uwzględniając niedobory surowcowe w zakresie możliwości wykorzystywania biomasy jako surowca, a także istotne niedoskonałości biopaliw I generacji, związane głównie z konkurencją z żywnością (food competition) oraz niedomykalnością bilansu CO2, strategia europejska określona w "European Strategic Research Agenda, Update 2010" określa jako perspektywiczne następujące biopaliwa, podając jednocześnie ścieżki technologiczne ich otrzymywania:
  • paliwa syntetyczne/węglowodory z gazyfikacji biomasy (zastosowanie: paliwa transportowe z OZE do silników lotniczych i silników o zapłonie samoczynnym);

  • biometan i inne gazowe paliwa z gazyfikacji biomasy - substytuty gazu ziemnego i innych paliw gazowych, (zastosowanie: paliwa silnikowe oraz wysoko efektywna produkcja energii);

  • biopaliwa (biociecze) z biomasy otrzymywane przez inne procesy termochemiczne, jak piroliza (zastosowanie: paliwa grzewcze, wytwarzanie energii lub pośrednio poprzez procesy xTL do paliw transportowych);

  • etanol i wyższe alkohole z cukrów zawierające biomasę (zastosowanie: paliwa transportowe z OZE lub jako komponenty benzynowe, E85);

  • węglowodory z biomasy otrzymywane z cukrów, wytworzone w procesach biologicznych i/lub chemicznych (zastosowania: odnawialne paliwa transportowe do silników lotniczych i silników o zapłonie samoczynnym);

  • biopaliwa otrzymywane w wyniku wykorzystywania ditlenku węgla do produkcji mikroorganizmów lub z bezpośredniej syntezy ditlenku węgla, naturalnego pochodzenia, w procesach termo- i biochemicznych (zastosowania: paliwa transportowe z OZE i dla lotnictwa).
Określenia te obejmują także wytwarzanie już zdefiniowanych biopaliw co do rodzaju, takich jak bioDME, bioDMF i inne pochodne furanowe, FT-diesel, HTU-diesel, paliwa z uwodornienia odpadowych olejów roślinnych i tłuszczów zwierzęcych nieprzydatnych w przemyśle spożywczym. Wydzielanie poszczególnych generacji biopaliw nie musi być więc konieczne, ponieważ zawarta w dyrektywie definicja biomasy jednoznacznie określa możliwości surowcowe, determinując jako zalecane procesy jej biochemicznego lub termochemicznego przetwarzania. Ze względu jednak na zasadniczy cel wprowadzania biopaliw jako paliw samoistnych bądź jako komponentów paliwowych, który wynika z konieczności obniżania emisji ditlenku węgla; pewną nowością jest uwzględnienie jako biopaliw także paliw powstających w wyniku syntezy, bądź wykorzystywania odpadowego ditlenku węgla w procesach wytwarzania nośników energii dla celów transportowych. Paliwa tak otrzymane w terminologii przejętej przez Międzynarodową Agencję Energii zostały określone jako solarfuels ("paliwa słoneczne").

Perspektywiczne biopaliwa wg Mapy Drogowej Biopaliw dla Transportu MAE

Z przedstawionych rozważań dotyczących podziału biopaliw i rosnącej liczby ich gatunków, dla zapewnienia realnych możliwości produkcji tych paliw, spełniających wymagania współczesnych silników spalinowych, rysuje się konieczność określenia optymalnych i w miarę uniwersalnych technologii ich wytwarzania. Stąd też technologie otrzymywania biopaliw, przy uwzględnieniu tendencji rozwoju systemów zasilania i spalania silników spalinowych, muszą zapewnić możliwość bezpiecznej eksploatacji tych silników przy jednoczesnym ograniczaniu emisji toksycznych składników spalin, zgodnie z wymaganiami odpowiednich klas "EURO" w Europie i US/California ULEV w USA. Jednocześnie ważne jest, aby biopaliwa o porównywalnym składzie i właściwościach były dostępne w każdym kraju, właśnie ze względu na wymagania silnikowe.

Dlatego też opracowana przez Międzynarodową Agencję Energii mapa drogowa biopaliw w transporcie ("Technology Roadmap. Biofuels for Transport") określa perspektywy rozwoju technologii biopaliw w świecie do 2050 r., z uwzględnieniem powyższych wymagań oraz światowych możliwości surowcowych. Ze względu na uzasadnioną konieczność ograniczania liczby gatunków biopaliw z jednoczesnym umożliwieniem rozwoju technologii ich wytwarzania bez potrzeby wprowadzania kolejnych generacji, proponuje się podzielić biopaliwa tylko na konwencjonalne (conventional) i przyszłościowe (advanced).

Według mapy drogowej MAE, w przedziale do 2050 r. "ze względu na przyjęte cele wskaźnikowe popyt na biopaliwa będzie rósł" (rys. 1).

Zapewnienie prognozowanych ilości biopaliw w 2050 r. wymagać będzie surowca o łącznym potencjale energetycznym szacowanym na ok. 65 EJ, co odpowiada 100 mln ha upraw 2050 r., przy założeniu, że 50% surowca do produkcji zaawansowanych biopaliw pochodzić będzie z substancji odpadowych (procesy xtL). Oznacza to, że konieczny jest wzrost areału przeznaczanego na uprawy biomasy dla celów energetycznych. biopaliw wynoszącym 27% (v/v) całej puli paliw transportowych. Uwzględniając zapotrzebowanie na biopaliwa spełniające wymagania przyszłych źródeł napędu dla środków transportu, łącznie z transportem lotniczym, a także ograniczenia emisji CO2 w zakresie paliw przyszłościowych preferowane są według MAE następujące biopaliwa i ich ścieżki technologiczne:
  • paliwa z procesów BtL (kompozycje syntetycznych węglowodorów), otrzymywane przez szybką pirolizę, ogrzewanie biomasy do temperatury pomiędzy (400-600)°C, a następnie szybkie schłodzenie, przy czym nietrwałe związki mogą być konwertowane do cieczy (proces HTU), jako paliwo HTU-diesel lub też odtleniane (proces HDO) destylowane i rafinowane na kompozycje paliwowe. Pozostałość tzw. Bio-char (charcoal) jako produkt uboczny może być stosowany jako paliwo stałe lub środek do sekwestracji węgla i nawożenia gleby;

  • olej napędowy z procesów (BtL), tak zwany FT-diesel, otrzymywany przez konwersję do gazu syntezowego i katalityczną syntezę Fischer-Tropscha (FT) w szerokim zakresie węglowodorów ciekłych, w tym syntetycznego oleju napędowego i biopaliw typu JET;

  • hydrorafinowany olej roślinny (HVO) jako paliwo do silników o zapłonie samoczynnym lub olej opałowy produkowany przez uwodornienie olejów roślinnych lub tłuszczów zwierzęcych (niespożywczych i odpadowych). Pierwsze duże zakłady zostały uruchomione w Finlandii i Singapurze, ale procesy nie zostały jeszcze w pełni skomercjalizowane;

  • bioetanol celulozowy produkowany z surowców lignocelulozowych przez biochemiczną konwersję celulozy i hemicelulozy prowadzącą do fermentacji cukrów (IEA, 2008a). Etanol celulozowy ma lepszy bilans energetyczny, pod względem emisji gazów cieplarnianych i wymagań użytkowania terenu niż etanol skrobiowy;

  • biogaz otrzymywany poprzez beztlenową fermentacja surowców, takich jak: odpady organiczne, odchody zwierzęce i osady ściekowe, lub/i rośliny energetyczne Oczyszczany do biometanu (SNG) poprzez usunięcie CO2 i siarkowodoru (H2S), może stanowić paliwo silnikowe lub źródło wodoru, także do ogniw paliwowych;

  • eter dimetylowy (bioDME) jako gazowe paliwo do silników o zapłonie samoczynnym, otrzymywany z metanolu w procesie katalitycznego odwodnienia, z gazu syntezowego poprzez zgazowanie lignocelulozy i innej biomasy. Produkcja bioDME ze zgazowania biomasy jest w fazie demonstracyjnej (wrzesień 2010 r. w Szwecji (Chemrec);

  • biobutanol posiadający większą gęstość energetyczną i korzystniejszy niż etanol w benzynach silnikowych (BS). Może być dystrybuowany poprzez istniejącą sieć dla BS, Biobutanol może być wytwarzany przez fermentację cukrów za pomocą bakterii Clostridium acetobutylicum. Zakłady demonstracyjne działają w Niemczech i USA, inne są w budowie;

  • paliwa furanowe, dla których polisacharydy typu: celuloza i skrobia, stanowią surowiec, otrzymywane w procesach defragmentacji łańcuchów wielocukrowych prowadzących do otrzymania glukozy, następnie przekształcanej we fruktozę, w reakcji izomeryzacji przy użyciu katalizatorów enzymatycznych. Fruktoza w procesie dehydratacji przechodzi w HMF ( 5-hydroksymetylofurfural), który w procesie hydrogenolizy, w obecności katalizatora miedziano-rutenowego jest przekształcony w DMF (dimetylofuran), stanowiący paliwo do silników o zapłonie iskrowym, o zaletach przewyższających etanol, bez jego wad jako komponentu paliwowego;

  • paliwa solarne (solarfuels), otrzymywane poprzez zgazowanie biomasy do gazu syntezowego przy użyciu ciepła wytwarzanego przez koncentrację energii słonecznej, co potencjalnie poprawia efektywność konwersji oraz zapewnia większe obniżenie emisji gazów cieplarnianych. Mogą być także otrzymywane w wyniku rozkładu wody (pary wodnej) i wykorzystaniu ditlenku węgla do wytworzenia gazu syntezowego, przekształcanego katalitycznie na frakcje paliwowe. W zakresie wytwarzania tych paliw mogą także mieścić się technologie tzw. sztucznego liścia;

  • biorafineryjne systemy wytwarzania paliw płynnych i półproduktów chemicznych, których omówienie znacznie przekracza ramy niniejszego artykułu.
W zakresie najbardziej obiecujących surowców do otrzymywania biopaliw przyszłościowych uwzględniających tzw. głód ziemi (ground competition) oraz wymagania w zakresie ograniczania emisji CO2 preferowane są uprawy alg, lnicznika, jatrofy i halofitów. Dla zwiększania ilości możliwych do wykorzystania surowców biomasowych opracowywane są także takie technologie, jak: bezsłonecznej (ciemnej) fotosyntezy oraz morskie systemy membranowe do produkcji alg i glonów, a także technologie wytwarzania biometanolu jako surowca.

Wnioski

Spełnienie przedstawionych celów wymaga podjęcia skoordynowanych działań przez wszystkie uprzemysłowione kraje świata. Wg założeń mapy drogowej MAE przez najbliższe dziesięć lat należy zrealizować następujące zadania:
1. stworzyć stabilne, długoterminowe ramy polityczne dla biopaliw, aby zwiększyć zaufanie inwestorów oraz pozwolić na zrównoważony rozwój produkcji tych paliw;
2. zapewnić trwałość mechanizmów finansowania i wsparcia na poziomie niezbędnym do umożliwienia rozwoju zaawansowanych technologii, w celu osiągnięcia komercyjnej produkcji biopaliw w ciągu najbliższych 10 lat;
3. uzgodnić na szczeblu międzynarodowym kryteria zrównoważonego rozwoju jako podstawę do implementacji systemów certyfikacji biopaliw i związanych z nimi polityk na szczeblu krajowym, bez tworzenia niepożądanych barier handlowych, zwłaszcza dla krajów rozwijających się;
4. ustalić wiążące schematy systemów wsparcia finansowego dla zrównoważonej produkcji biopaliw w celu zapewnienia ponad 50% oszczędności w LCA dla wszystkich biopaliw i zachęcenia do wykorzystania odpadów i pozostałości jako surowca;
5. zwiększyć zaangażowanie badawcze w kierunku możliwości surowcowych i określania dostępności gruntów wraz z identyfikacją najbardziej obiecujących rodzajów surowców i lokalizacji dla przyszłych instalacji;
6. zmniejszyć i ostateczne znieść cła i inne bariery handlowe w celu wzmocnienia rynku "zrównoważonej" biomasy i biopaliw oraz pozyskiwania nowych źródeł surowców;
7. wzmacniać międzynarodową współpracę w zakresie budowania i możliwości transferu technologii w celu propagowania przyjęcia zrównoważonej produkcji biopaliw na całym świecie;
8. opracować i przyjąć system zrównoważonego użytkowania gruntów rolnych i leśnych, aby uniknąć negatywnych zmian sektorowych w zakresie użytkowania gruntów;
9. stworzyć narodowe systemy biogospodarki, spójne dla gospodarki odnawialnymi źródłami energii i technologiami ich przetwarzania w krajach uprzemysłowionych.
×

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!

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: Przyszłość technologii wytwarzania biopaliw

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!