Biopalivá druhej generácie stav a perspektívy

175 Biopalivá druhej generácie stav a perspektívy 1 Ing. Jozef Mikulec, CSc., doc. Ing. Ján Cvengroš, DrSc., 3Ing. Mikuláš Varga, CSc. 1 Slovnaft VÚRUP, a.s. Vlčie Hrdlo, P.O. Box 5, 83 Bratislava, SR Fakulta chemickej a potravinárskej technológie STU, Radlinského 9, 81 37 Bratislava, SR 3 Slovnaft, a.s., Vlčie hrdlo, 84 1 Bratislava, SR e-mail: Jozef.Mikulec@vurup.sk, jan.cvengros@stuba.sk, mikulas.varga@slovnaft.sk 1. Úvod V 7-tych rokoch si svet začal intenzívne uvedomovať dôsledky zvyšujúcej sa spotreby motorových palív na životné prostredie. V 8-tych rokoch sa začali prejavovať prvé pozitívne výsledky spolupráce výrobcov pohonných hmôt a výrobcov automobilov, zamerané na negatívne ekologické aspekty automobilovej dopravy. 9-te roky potom predstavovali obdobie nástupu alternatívnych palív. Očakáva sa, že súčasné desaťročie prinesie praktickú aplikáciu veľmi sofistikovaných riešení tohto typu. Štúdium problémov súvisiacich s použitím alternatívnych palív a ich porovnanie s klasickými motorovými palivami je veľmi zaujímavé a súčasne predstavuje výzvu tak pre technológov pri spracovaní ropy, automobilových konštruktérov, ako aj užívateľov motorových vozidiel. Existuje množstvo možných kombinácii surovín pochádzajúcich z rôznych zdrojov a tiež rozličné technológie, ktorými je možné suroviny transformovať na palivá. Smernica o biopalivách 3/3/EC identifikovala tri základné ciele pre použitie biopalív v sektore motorových palív: 1. redukciu emisií skleníkových plynov (GHG) z dopravy,. bezpečnosť zásobovania a redukciu závislosti dopravy od ropy, 3. podporu rozvoja vidieka a rozvoj poľnohospodárstva. Ropný priemysel uznáva, že použitie biomasy v doprave môže zohrať významnú úlohu v znížení emisií skleníkových plynov. Treba však priznať, že použitie biopalív nie je nákladovo efektívny spôsob znižovania emisií GHG v porovnaní s použitím biomasy v iných sektoroch (napr. pri výrobe energie). Navyše zdroje v súčasnosti využívanej biomasy pre kvapalné palivá sú obmedzené a existuje viac konkurenčných spôsobov jej využitia predovšetkým na výrobu potravín. Hlavnou výhodou biozložiek pred inými alternatívnymi palivami je ich schopnosť miešať sa (aj keď s určitými obmedzeniami) s konvenčnými motorovými palivami a tak ich použiť v existujúcom vozovom parku. Toto umožňuje použiť biozložky v palivách bez výraznejšieho časového zdržania, vývoja a nákladov spojených uvedením alternatívnych typov vozidiel a nákladov na zásobovaciu infraštruktúru. Vážnym handicapom biopalív 1. generácie je ich vysoká cena, ktorá u FAME predstavuje až 8 % celkových nákladov. Biopalivá bez dotačných opatrení by neboli schopné konkurencie voči fosílnym palivám. Podľa ekonomických rozborov môžu byť biozložky cenovo konkurencie schopné ak cena ropy dosiahne hodnotu 9 /bbl pre bioetanol a 6 /bbl pre FAME, a to len v prípade, že nebudú kopírovať cenu ropy. Súčasné ceny biozložiek významne prekračujú ceny fosílnych palív. Zavedenie biopalív teda môže zvýšiť cenu palív a tým aj náklady na výrobu potravín. Preto je potrebné venovať pozornosť tým biozložkám/alternatívnym palivám, s ktorými sa dosiahne maximálny účinok s minimálnymi nákladmi.. Biopalivá prvej generácie V odbornej aj populárnej publicistike sa zaužíval termín biopalivá prvej generácie, medzi ktoré patrí bioetanol, vyrobený z vybraných surovín potravinárskeho priemyslu, a metylestery mastných kyselín, vyrábané najmä z repkového a sójového oleja. V priloženej schéme na obr. 1 je znázornené schematické rozdelenie biopalív podľa technológií a pôvodu surovín. V zásade sa za biopalivá prvej generácie považujú biopalivá, ktoré sa vyrábajú z prebytkov poľnohospodárskej produkcie a hlavnými predstaviteľmi sú bioetanol, bioplyn a metylestery mastných kyselín. Lokálna situácia v strednej Európe je daná územím v miernom klimatickom pásme. Má iba malé zásoby fosílnych palív, pričom obmedzeným, ale možným zdrojom obnoviteľných surovín sú hlavne 117

listnaté a ihličnaté lesy. Spomedzi poľnohospodárskych plodín sú to najmä pšenica, kukurica, cukrová repa a repka olejná. Všetky tieto plodiny ako obnoviteľné zdroje možno intenzívne pestovať v takých objemoch, aby zabezpečili pracovné príležitosti a výživu pre ľudí, aj pre úžitkové zvieratá a stali sa základňou pre veľkokapacitnú produkciu cenných priemyselne využiteľných druhotných surovín, najmä bioetanolu a bionafty. Metylestery mastných kyselín (FAME) predstavujú takéto kvapalné palivo z obnoviteľných zdrojov pre dieselové (vznetové) motory buď priamo ako čisté (B 1), alebo častejšie v zmesi s fosílnou naftou (B5, B1, B3 a pod.). FAME sa pripravujú alkalicky katalyzovanou transesterifikáciou prírodných triacylglycerolov (TAG) rastlinných olejov a živočíšnych tukov s metanolom. sa vyrába fermentačnými technológiami z rôznych poľnohospodárskych surovín ako je obilie, kukurica, cukrová repa a cukrová trstina. Pridáva sa do palív samostatne alebo po transformácii na ETBE. Problematické je to, že suroviny sú zároveň surovinami pre výrobu potravín. Ako perspektívne technológie výroby bioetanolu a biobutanolu sa testujú výroby z vedľajších produktov potravinárskeho priemyslu a poľnohospodárskych odpadov. Niektoré technológie sú už v štádiu demonštračných jednotiek, ale zatiaľ nie sú schopné konkurencie klasickým technológiám. Tieto postupy označujeme ako postupy výroby bioetanolu/bioalkoholov druhej generácie. Možnosti spracovania biomasy na energie a palivá Teplo/elektriny Biomasa Biomasa Pyrolýza Pyrolýzny olej Rafinácia Biomasa Splynovanie Syntézny plyn Fischer- Celulóza Fermentácia Etanol Cukor/škrob Fermentácia Etanol Olejiny/tuky Transesterifikácia Nafta syntéza Obr. 1. Možnosti spracovania biomasy na energie a palivá 3. Biopalivá druhej generácie Biopalivá druhej generácie sa dajú vyrábať z rôznych druhov surovín a pomocou celej škály technologických procesov. Konverzné procesy výroby biopalív druhej generácie sa dajú veľmi hrubo rozdeliť na biochemické a termochemické. V tab. 1 je všeobecná charakteristika surovín a procesov [1]. Výhody biopalív. generácie: - Sú nádejnejšie a perspektívnejšie ako palivá 1. generácie pretože majú výhodnejšiu GHG bilanciu. Napr. bioetanol z celulózy v komplexnom posúdení produkuje o 75 % menej CO ako fosílne palivo, etanol z obilia alebo cukru iba o asi 6 %. BTL technológie na produkciu dieselového paliva až 9 % menej, kým súčasné FAME iba 75 %. - Využívajú širšie spektrum zdrojov biomasy a nekonkurujú výrobe potravín. - Vyžadujú menej pôdy. - V zásade by mohli byť lacné, najmä pri nízkej cene vstupnej biomasy. Mali by mať vyššiu kvalitu ako biopalivá 1. generácie. - Nevyžadujú si zmenu infraštruktúry distribúcie palív. Nevýhody, výhrady a problémy: - Súčasná cena je vysoká, vyššia ako pre fosílne palivá a pre palivá 1. generácie. - Ešte nie je možná ich veľkokapacitná výroba, pretože si vyžaduje vybudovanie a odskúšanie technológií na demonštračných jednotkách. - Problematická je najmä logistika prepravy surovín. Ako alternatívne zdroje surovín je možné hodnotiť najmä ligno-celulózové suroviny ako sú drevo a odpady z lesa, energetické plodiny, poľnohospodárske a komunálne odpady, organický odpad, nové zdroje surovín ako sú rôzne druhy tráv a rastlín, riasy, geneticky modifikované rastliny. 118

Tab. 1 Klasifikácia biopalív druhej generácie [1] Biozložka Syntetické biozložky Špecifické biopalivo Etanol z celulózy Syntetické uhľovodíky (BTL, FT) Biometanol Vyššie alkoholy Dimetyléter Etanol a metyltetrahydrofurán Syntetická nafta (NExBTL, H-Bio,) Bionafta Syntetická nafta z krakovania Metán Syntetický zemný plyn Biovodík Vodík Biomasa-surovina Technologický proces Enzymatická hydrolýza a fermentácia Splyňovanie a syntéza Rastlinné oleje, živočíšne tuky Hydrogenačná rafinácia Katalytické krakovanie Splyňovanie a syntéza Splyňovanie a syntéza Biologické procesy Problém pri využití biomasy je aj v tom, že má nízku energetickú hustotu a v porovnaní so zemným plynom a ropou je veľmi náročná logistika dopravy. Jedno z možných riešení je zvýšenie energetickej hustoty pyrolýzou alebo hydrotermálnou premenou. Rýchla pyrolýza je spaľovanie bez prístupu kyslíka. Proces prebieha v teplotnom rozmedzí 4 6 oc a pri kontaktnom čase kratšom ako 1 sekunda a pri atmosférickom tlaku. Produktmi rýchlej pyrolýzy sú plyny s podielom asi 15 % hm., bio-olej asi 75 % hm. a koks asi 1 % hm. Ak surovinu je možné použiť biomasu z dreva, odpadové produkty (slama, riasy, tráva) s priemerom častíc menším ako 1 cm. Bio-olej má obsah kyslíka 4 až 45 % hm., ph - 4, hustotu 115 kg/m3 a energetický obsah 16-18 MJ/kg. Veľký problém je v jeho obmedzenej skladovateľnosti. Pyrolýzny olej sa ľahko prepravuje a má oveľa vyššiu energetickú hustotu ako pôvodná surovina ( vs. 4 GJ/m3). Môže sa použiť samostatne ako palivo v peciach, alebo ako prídavok do suroviny v rafinériách, alebo ako surovina na spolu-spaľovanie v elektrárňach. Dostupné technológie pyrolýzy biomasy sú v stave výskumu a vývoja, alebo v štádiu prevádzkovania demonštračných jednotiek fluidný reaktor (Dynamotive, Canada 5 t/h), fluidný reaktor s cirkuláciou, vákuový pyrolýzny reaktor, skrutkový reaktor, rotačný kuželový reaktor (BTG Malaysia, t/h). Pyrolýzny olej je potrebné ďalej spracovať fyzikálnymi alebo chemickými procesmi, napr. hydrodeoxygenáciou na hydrorafinačných katalyzátoroch. Fischerov-Tropschov proces (FTP) je možné použiť na výrobu syntetických biopalív z biomasy, ktorá sa splyňuje na syntézny plyn, ktorý sa následne katalyticky premení na zmes parafinických uhľovodíkov. Hydrokrakovaním sa transformuje na nízkosírny benzín a naftu. Proces sa označuje ako technológia BTL (biomass to liquids). V súčasnosti nie je na trhu komerčný proces, ale vo Friebergu(SRN) sa buduje prvá jednotka, ktorá používa technológiu Choren Carbo V. Technológia Carbo-V je trojstupňový proces splyňovania biomasy na syntézny plyn: nízkoteplotná karbonizácia, vysokoteplotné splyňovanie a endotermické splyňovanie biokoksu. Biomasa sa predsuší a pomelie. V prvom stupni sa biomasa, ktorá obsahuje cca 15 % vody, karbonizuje pomocou parciálnej oxidácie vzduchom alebo kyslíkom pri teplotách 4 5 oc. Tu sa rozkladá na plyn, ktorý obsahuje decht (prchavá časť) a tuhý uhlík (koks). V druhom stupni procesu sa plyn, ktorý obsahuje decht, oxiduje vysokým prebytkom vzduchu/kyslíka v spaľovacej komore. Proces sa vedie pri teplote nad bodom topenia popola (13-15 oc), pri ktorej vzniká zmes CO, CO a H. 119

V treťom reaktore je pomleté práškové palivo (koks) fúkané do horúceho plynu z predchádzajúceho reaktora. Práškové palivo a splyňovacie médium sa mení endotermicky na surový syntézny plyn, ktorý už neobsahuje decht. Poslednou časťou je čistenie a kondiciovanie (úprava pomeru CO:H) syntézneho plynu. Syntézny plyn sa dá použiť na výrobu elektriny, pary, tepla alebo na výrobu syntetického paliva. Spracovanie syntézneho plynu sa robí pomocou FTP na motorové palivá s obchodnou značkou Sun Diesel. Vosky, ktoré vznikajú v FTP, sa transformujú na palivá pomocou procesu hydrokrakovania. V poslednej dobe sú predmetom intenzívneho skúmania riasy (Algae), ktoré obsahujú až 4% olejov. Riasy označované ako vegoil algae sa dajú transformovať na bionaftu, cukry sa dajú fermentovať na bioetanol alebo biobutanol. 4. Environmentálne hodnotenie alternatívnych palív a biopalív Biopalivá používané v doprave predstavujú nákladnejší spôsob znižovania emisií GHG v porovnaní s inými spôsobmi využitia biomasy. Tam kde sa predsa využívajú je potrebné zvýšiť úsilie na cenovo efektívne znižovania emisií. Súčasný systém, ktorý je založený na indikatívnych cieľoch dosiahnutia celkového energetického obsahu biozložiek alebo objemu, nepodporuje vyššie uvedené priority používania biozložiek s cenovo efektívnym znížením emisií GHG. Regulačné mechanizmy by mali byť sformulované tak, aby sa zistili možné úspory emisií GHG pre rozličné biopalivá a potraviny. Biopalivá by sa mali podporovať prostredníctvom zvyšovania efektívnosti výroby súčasných biozložiek a vývojom nových, lepších postupov. Regulačný mechanizmus by nemal predstavovať bariéru pre nové typy biopalív. Z dostupných publikovaných informácii porovnáme niektoré súčasne používané palivá a palivá ďalšej generácie, ktorých surovinový potenciál je vysoký, ale náklady na ich výrobu sú veľmi vysoké. V tab. sú palivá pre vznetové motory, v tab. 3 palivá pre zážihové motory. Zníženie produkcie skleníkových plynov Tab. Zníženie emisií skleníkových plynov (GHG) a plnenie protokolu z Kyotó - palivá pre vznetové motory[] FT nafta Lignocelulóza 31,3 CNG 8,5 Bioplyn Organický odpad 34-45 -78-9 Emisie, g CO/km 198 66 39 17 144 Cena za redukciu emisií /t CO 6 66 3 Náklady /1 km Redukcia emisií CO, (%) Nízkosírna nafta FAME olejniny 5,6 n.a. Cena za redukciu emisii CO = extra náklady ( /km)/zníženie CO (g/km) * 16 Z tabuľky je zrejmé, že pre vznetové motory je výhodnejšie používať FAME vyrobené z rôznych druhov rastlinných olejov a tukov pred uprednostňovaním CNG. V prípade, že sa FAME použije v koncentrácii do 5% obj. do nízkosírnej nafty nie sú potrebné žiadne úpravy vozidiel, zmeny technických noriem a cena za redukciu emisií CO výrazne nevzrastie. Lokálny význam môže mať využitie bioplynu z organického odpadu, ktorý má veľký potenciál redukcie CO, jeho cena je veľmi vysoká. V strednodobom horizonte bude zaujímavé spracovania ligno-celulózových surovín a odpadov z ťažby dreva. Tu však chýbajú presnejšie údaje. Význam CNG je z hľadiska emisií veľmi preceňovaný. Potenciál pre výrobu bioetanolu je vysoký, jeho nákladové emisné charakteristiky v porovnaní v benzínom nie sú oslnivé. Problémom je aj klesajúci predaj benzínu a legislatívne limity množstva pridávaného etanolu. LPG má veľmi dobrú reklamu, ale jeho emisný profil je oproti bezolovnatému benzínu len málo lepší. Jeho daňové zvýhodňovanie nie je namieste. navyše si vyžaduje komplikovanejšie systém skladovania a prestavbu vozidiel. Perspektívna môže byť výroba bioetanolu z ligno-celulózových surovín a používanie upravených vozidiel. 111

Tab. 3 Zníženie emisií skleníkových plynov (GHG) a plnenie protokolu z Kyotó - palivá pre zážihové motory[] Nízkosírny benzín, škrob LPG 4 3 n.a. - -4-15 18 174-86 Náklady, /1 km Redukcia emisií CO, (%) Emisie, g CO/km Cena za redukciu emisií /t CO 6 Cena za redukciu emisii CO = extra náklady ( /km)/zníženie CO (g/km) * 1 5. Energetické porovnanie fosílnych palív, alternatívnych palív a biopalív Aby bolo možné vykonať adekvátne energetické porovnanie fosílnych palív s alternatívnymi palivami a biopalivami, je treba brať do úvahy jednak energie, spotrebované v procesoch výroby týchto palív (v angličtine: Well to tank ) a jednak procesy, ktoré prebiehajú v motore a ktoré spôsobujú že automobil ubehne vzdialenosť 1 km (Tank to wheels ). Potom celková energetická bilancia palív od ich výroby až po ich spotrebu (Well to wheels WTW) charakterizuje dané palivo a tieto hodnoty možno navzájom porovnávať. Pre zjednodušenie sme vybrali iba niektoré údaje z bohatej informačnej databázy, vytvorenej rôznymi odborníkmi v komisiách pracujúcich v tejto oblasti pod záštitou Európskej komisie. V tab. 4 a tab. 5 uvádzame prehľad najdôležitejších palív a publikovaných údajov[1]. Tab. 4 Energetické porovnanie palív pre zážihové (benzínové) motory 37 36 * 6 48 166 * 19 Benzín LPG 1 % Benzín + 5 % Benzín + 15 % 7 17 Pozn: * hodnota vypočítaná z energetického potenciálu palív WTW 57 * 46 57 87 Z hodnotenia je zrejmé, že najvhodnejší spôsob použitia biozložiek pre zážihové motory je prídavok 5-15 % obj. etanolu do benzínu. LPG má len okrajový význam. Analýza WTW pre palivá pre zážihové motory 5 45 4 kw/1 km 35 3 5 15 1 5 Benzín LPG 1 % Benzín + 5 % Benzín + 15 % Benzín + ETBE 1111

Tab. 5 Energetické porovnanie palív pre vznetové (naftové) motory : 35 43 5 6 Nafta MERO 1 % Nafta + 5 % MERO CNG Bioplyn FT nafta (odpadné drevo) 18 18 18 4 3 19 WTW 15 38 3 9 49 39 Aj pri tomto spôsobe hodnotenia je najvhodnejší spôsob použitia biozložiek miešanie FAME alebo FAEE na nízkosírnej nafty. Je výhodnejší aj pri porovnaní s CNG, ktorý preferujú mnohé dopravné podniky. Z tabuľky je zrejmé, že daňové úľavy by mohli byť presunuté do používania FAME, ktoré je navyše z domácich zdrojov! Analýza WTW pre palivá pre vznetové motory 5 45 4 kw/1 km 35 3 5 15 1 5 Nafta MERO 1 % Nafta + 5 % MERO CNG Bioplyn FT nafta (odpadné drevo) 6. Aktuálny stav legislatívy v oblasti biopalív Smernica 3/3/EC naštartovala proces náhrady fosílnych motorových palív biozložkami definovaním ich energetického podielu vo všetkých automobilových benzínoch a motorovej nafte použitých v doprave. V SR bola praktická implementácia uskutočnená na prelome rokov 5 až 6. Riadiacim dokumentom uvedeného procesu je Nariadenie vlády SR č. 34/8 Zb. z., ktorým sa dopĺňa NV SR č. 46/6 Zb. z. o minimálnom množstve pohonných látok vyrobených z obnoviteľných zdrojov. V priloženej tabuľke sú uvedené nastavené cieľové hodnoty obsahu biozložiek vyjadrených ako podiel ich energetického obsahu k celkovému energetickému obsahu zmesi biozložiek a fosílnych automobilových benzínov a motorovej nafty pre obdobie 5 až 1. Rok 5 6 7 8 9 cieľová hodnota v % 3,4 1) skutočnosť v %,3 1,4,5,6 3,4) Poznámky: 1) Odhad na základe údajov za 9 mesiacov, ) Predpoklad plnenia 1 (5,75) 4,) Európsky parlament v decembri 8 schválil jeden z hlavných cieľov EÚ, ktorým je zabezpečiť % podiel obnoviteľných zdrojov energie na celkovej energetickej spotrebe EÚ do roku. 111

Jednotlivé členské štáty majú prispieť k dosiahnutiu tohto cieľa zvýšením podielu obnoviteľných zdrojov energie vo vlastnom energetickom mixe. Nová legislatíva predpokladá širšie využívanie slnečnej, veternej, či geotermálnej energie. V sektore dopravy sa má v rámci celkového využívania palív do roku dosiahnuť aspoň 1% podiel obnoviteľných energií (najmä biopalív). Navrhovaná legislatíva by mala prispieť k vytvoreniu stabilného prostredia pre investorov v sektore obnoviteľných zdrojov energie a otvoriť možnosti pre vytvorenie okolo milióna nových pracovných miest (EÚ). Na základe smernice by mal každý členský štát prijať národný akčný plán. Tento plán bude obsahovať národné ciele pre podiel energie z obnoviteľných zdrojov v sektore elektriny, vykurovania a chladenia a v doprave do roku. Pre dosiahnutie národných cieľov majú prijať jednotlivé štáty vlastné opatrenia vrátane spolupráce medzi miestnymi, regionálnymi a národnými orgánmi, plánov štatistických prenosov alebo spoločných projektov. Národné akčné plány majú byť predložené Európskej komisii do 3. júna 1. Návrh smernice obsahuje tiež nariadenie, podľa ktorého musia členské štáty predložiť každé dva roky Komisii priebežnú správu o činnosti obsahujúcu detailný popis podielu obnoviteľných zdrojov energie, podporných mechanizmov a procesov zjednodušenia administratívnych bariér pre obnoviteľné zdroje energie. 7. Závery Vývoj v minulom období ukázal, že výroba biopalív prvej generácie významne rástla v prípade vhodnej subvenčnej politiky. Ak nastanú akékoľvek turbulencie na trhu alebo v zmene politickej podpory je tento sektor mimoriadne zraniteľný. Vývoj v oblasti biopalív druhej generácie je v súčasnom krízovom období ešte menej predvídateľný. Určite si vyžaduje veľké náklady do aplikovaného výskumu a do budovania demonštračných jednotiek ak sa majú splniť politické ciele z pripravovanej smernice o obnoviteľných zdrojoch energie. Poďakovanie Táto práca bola podporovaná Agentúrou pre podporu výskumu a vývoja SR na základe zmluvy č. APVV--3715 Literatúra [1] [] Sims R., Taylor M., Saddler J., Mabee W.: From 1st. to nd Generation Biofuels technologies, IEA Bioenergy, November 8 Varela M., Lago C., Jungmeier G., Könighofer H.: Project Viewls NNE 5-1-319 : Environmental and Economic Performance of Biofuels, April 5 1113