3. A BIOETANOL ELŐÁLLÍTÁSA ÉS FELHASZNÁLÁSA Kiss István – Mlinarics Edina
A bioetanol az alternatív, biomassza eredetű energiahordozók egyik legvitatottabb képviselője. Sok és egymásnak merőben ellentmondó elemzést találhatunk a témában, azonban azt le kell szögeznünk, hogy az alternatív energiahordozók fejlesztésére szükség van, nem kerülhetjük meg. Sajnálatos módon az alternatív energiahordozók fejlesztése és alkalmazása, előállítása is olykor „átesik a ló másik oldalára”, mivel sokszor hiányzik a gazdasági szereplők egy jelentős részéből a hosszú távú gondolkodás képessége, hogy a fenntartható fejlődés fogalmát ne is említsük. Véleményünk szerint – ez vonatkozik az összes alternatív energiahordozóra – a felelős, következetes, értelmes és hosszú távon történő gondolkodás és tervezés lehetőséget teremt a jelen és jövő generáció számára a megfelelő életkörülmények biztosítására.
Mi a bioetanol, mire lehet felhasználni? Az etanol (etil-alkohol, borszesz) egy szerves vegyület, képlete: C2H5OH. Színtelen, jellegzetes ízű és szagú, éghető folyadék. Az etanolt akkor nevezzük bioetanolnak, ha növényi anyagokból állítjuk elő, és ebben az esetben soroljuk a megújuló nyersanyagok közé. Európában fő nyersanyagforrása a cukorrépa, a búza és a kukorica, Észak-Amerikában a kukorica és a búza, Dél-Amerikában pedig a cukornád, de alapanyaga lehet például kukoricaszár, -csutka vagy krumplihéj is, vagyis előállítása a biohulladékok újrafelhasználá82
sának egyik lehetősége. Az alapanyagok össztermése, mennyisége, cukor-, illetve keményítőtartalma mellett alkohol-kihozataluk határozza meg a bioetanol gyártására való alkalmasságukat. A bioetanol alapvetően két módon használható fel. Közvetlenül alkalmazható hajtóanyagként, itt elsősorban a benzint helyettesítheti, vagy a benzinbe keverve, adalékanyagok alkotójaként. Adalékként történő hasznosítása során egy kémiai eljárással (éterezés, izobutilénnel történő reagáltatás) etil-tercier-butilétert (ETBE) állítanak elő belőle, amely oktánszámnövelő anyagként használatos. Az elmúlt években az ETBE egyre szélesebb körben használt adalék, mely komoly versenytársa az eddig használt, a metanol és izobutilén reakciójából származó metil-tercier-butiléternek (MTBE). Mindkét vegyületet azért keverik a benzinhez, hogy annak oxigéntartalmát, oktánszámát növeljék, így javítva az égés feltételeit. Azonban az ETBE bioüzemanyagnak tekinthető, mert a gyártásához használt bioetanol növényi eredetű. Ezzel szemben az MTBE előállításához jelenleg használt metanol nem megújuló erőforrásból származik, hanem földgáz feldolgozásából. Az ETBE gyártása és felhasználása különösen jelentős Kanadában és az EU országai közül Franciaországban, Spanyolországban, Svédországban és Hollandiában, míg az Egyesült Államokban és Brazíliában az etanolt közvetlenül alkalmazzák. A tiszta formában történő bekeverés különféle térfogatszázalékokban történhet, legelterjedtebb megoldások az E5, E10, E85 (5-10-85%-ban bioetanolt tartalmazó benzin). Az MTBE és ETBE esetében meg kell jegyeznünk, hogy környezetszennyező hatásuk igen jelentős lehet, mivel vízzel könnyen elegyednek, talajba kerülve a talajvízzel haladnak, hatalmas területeket tudnak elszennyezni igen rövid idő alatt. Sajnálatos módon mikrobiológiai lebonthatóságuk igen alacsony hatékonysággal működik, már több országban környezetvédelmi határértéket vezettek be ezen vegyületekre. 83
A bioetanol története Az etanolt már a belsőégésű motorok születésekor számon tartották mint lehetséges hajtóanyagot. Nicolaus August Otto, a négyütemű motorok ősének megalkotója az alkoholt tüzelőanyagként alkalmazta első motorjaiban. Azonban a kőolajalapú nyersanyagok alacsony ára és nagy mennyisége miatt az etanolt legfeljebb mint oktánszámnövelő adalékot használták a motortechnika történetében, így hosszú időn keresztül csak akkor alkalmaztak etanolt a motorokban üzemanyagként, ha nyersanyaghiány lépett fel. Először az első világháború után került középpontba mint motorhajtóanyag, ekkor ipari méretekben állították elő cellulózból, savas hidrolízissel, mely technológiát az 1940-es évek végén tovább fejlesztették. A hidrolízis alacsony hozama és a savkatalízis okozta korróziós problémák miatt azonban a technológia nem volt versenyképes a kőolajalapú üzemanyaggyártással szemben. Az első világháború után a nemzetközi blokád következtében óriási benzinhiány lépett fel a vesztes országokban, emiatt az alternatív üzemanyagok kutatására és felhasználására szorultak. Hazánkban a húszas-harmincas évek fordulójától, egészen pontosan 1929-től foglalkoztak az alkoholok motorban való felhasználásának lehetőségével. Az év november elsején lépett életbe a törvény, mely egyötöd arányban tette kötelezővé a víztelenített alkoholok motorbenzinekhez keverését. Az alkohol motorbenzinhez keverésének célja ekkor az oktánszám javítása volt. Ettől kezdve a második világháború végéig a magyar üzemanyagfelhasználásnak közel a felét tette ki az úgynevezett „motalkó”. A második vesztes háború után az etanolt csak motorhajtóanyag-adalékként alkalmazták, de ezt is elhanyagolható mértékben. Legújabb kori történelmünk során az emlékezetes 1973. évi kőolajválság döbbentette rá először a fejlett 84
ipari országokat a fosszilis energiától és hajtóanyagoktól való függés komoly veszélyeire. Ez adta meg a végső lökést a kutatásokhoz. Az elmúlt 25 évben a globális felmelegedés és a környezetszennyezés mérséklésére irányuló, felerősödött törekvések is előtérbe helyezték a megújítható, biológiai eredetű alternatív üzemanyagforrásokat és az azokkal foglalkozó kutatásokat. Egyes becslések szerint az emberiség rendelkezésére álló hagyományos tüzelő- és üzemanyagkészlet (szén, olaj, földgáz) véges, 50–150 év múlva egyszerűen elfogynak a készletek. Mára az alternatív üzemanyagokkal kapcsolatos kísérleti szakasz lezárult, a gyártástechnológiák készen állnak, a bioüzemanyagok zöld utat kaptak. Két nagy csoport képviseli őket: a biodízel és a bioetanol. Az előbbinek a növényi olajok a nyersanyagforrásai, és alkalmazását inkább Európa szorgalmazza, míg az utóbbi szénhidráttartalmú növényi termékekből nyerhető ki, és az amerikai földrészen részesítik előnyben.
A bioetanol-gyártás alapanyagai A szerves alapú élet a fotoszintézisre épül, legalábbis földünkön (természetesen ez alól is vannak kivételek, azonban ezekkel most nem foglalkozunk). A fotoszintézis során a növények a nap energiáját szerves vegyületekbe konvertálják, amelyek a táplálkozási lánc alapját képezik. A növényekben felhalmozódó szerves anyag több csoportra osztható, így megkülönböztetünk zsírokat, fehérjéket, szénhidrátokat és egyéb vegyületeket. A szénhidrátokat is érdemes több csoportra bontani: a poliszacharidok elsősorban a növényi vázszerkezet kiépítésében vesznek részt, míg a vízoldékony mono- és diszacharidok másodlagos tápanyagul szolgálnak a növényeknek, melyeket vagy a „mindennapi” anyagcseréjük során használnak fel, vagy raktároznak. 85
Erre az áttekintésre azért volt szükség, hogy bemutathassuk a bioetanol-gyártás főbb alapanyagait, a növényi eredetű mono- és diszacharidokat, a vízoldható poliszacharid jellegű keményítőt, illetve a növényi eredetű vázalkotó poliszacharidokat, amilyen például a cellulóz is. Mik is ezek a szénhidrátok? A szénhidrátok többnyire gyűrűs vegyületek, ahol a szénlánc egy oxigénatomon keresztül záródik gyűrűvé. A legegyszerűbb szénhidrátok, általában 3, 4, 5, 7, de leggyakrabban 6 szénatomot tartalmazó molekulák. Vízben jól oldódnak, édes ízűek (pl. szőlőcukor avagy glükóz, gyümölcscukor avagy fruktóz – 3.1. ábra). Ezek a hat szénatomos cukrok a C6H12O6 összegképlettel jellemezhetők.
3.1. ábra A β-D-glükopiranóz szerkezeti képe
A diszacharidok közül a bioetanol-gyártásban kiemelt szerepű vegyületetek a szacharóz, a maltóz, illetve a tejcukor (3.2. ábra). Ezek két monoszacharid kapcsolódásából keletkeznek.
3.2. ábra Egy diszacharid (β-maltóz) szerkezeti képlete 86
A poliszacharidok közül két jelentős vegyületet emelnénk ki. A keményítőt, mely vízoldható, könnyen mobilizálható tartaléktápanyaga a növényeknek, és a humán táplálkozásban, illetve állatok számára is kiemelkedő szerves szénforrásként kell megemlíteni. Másik kiemelt vegyületcsoportba tartozik a cellulóz, mely vízben nem oldódó vázpoliszacharid. A cellulózra jellemző, hogy csak egyes mikroorganizmusok tudják lebontani, a magasabb rendű élőlények ezen parányi élőlények segítségével képesek felhasználni (pl. a tehén öszszetett gyomrában élő mikroorganizmusok – 3.3. ábra).
3.3. ábra A cellulóz szerkezete
A bioetanol-előállítás mikrobiális háttere Ha már ismerjük a bioetanol-előállítás alapanyagait, lássuk, hogyan lehet belőlük etanolt előállítani. Ennek a mikrobiológiai háttere az aránylag egyszerű, évezredes múltú alkoholfermentáció (erjesztés). Mi is történik egy alkoholfermentáló (erjesztő) rendszerben? 87
A legegyszerűbb eset a monoszacharidok fermentálása, általában valamilyen élesztő alkalmazásával. Az élesztőgomba tápanyagként cukrot használ fel, és anyagcseréje során szén-dioxidot és etanolt termel. Ez az élesztő általában valamilyen Saccharomyces faj, melynek rendkívül sok változata van a sör- és pékélesztőktől a tájjellegű borok aromakomponenseit biztosító speciális élesztőkig. Az etanol fermentációja az alábbi folyamat szerint megy végbe: C6H12O6 (glükóz)
→ 2CH3CH2OH + 2CO2 (etanol) (szén-dioxid)
Ezzel a módszerrel maximum 12-18% etanoltartalmú vizes oldatot lehet előállítani, függetlenül a cukor mennyiségétől, mivel az etanol erős sejtméreg, és a fermentáló élesztőket megöli (lásd a bor fermentációjakor a „seprű” nevű végterméket, ami az elpusztult élesztő-biomassza). Amennyiben keményítőt használunk kiindulási anyagként, mely vízoldható és cukormonomerekből áll, egy előkezelési lépést kell alkalmaznunk, mivel az élesztők nem képesek közvetlenül fermentálni a keményítőt. Ez a lépés a hidrolízis, melynek eredményeként a poliszacharidból monoszacharidok képződnek. A hidrolízist alapvetően kétféle módon tudjuk kivitelezni: Vízzel sav jelenlétében glükózzá alakul: (C6H10O5)n + (keményítő)
nH2O (víz)
→
nC6H12O6 (glükóz)
Vízzel amiláz enzim jelenlétében: 2(C6H10O5)n (keményítő)
+
nH2O (víz)
→
nC12H22O11 (keményítő monomer)
Az amiláz (pl. α-amiláz, diasztáz) egy keményítőt bontó mikrobiális enzim, mely képes az 1,4-α-kötéseket hasítani, és így a keményítőt monomerekre bon88
tani. Az amiláz olyan speciális enzim, melyet a mikroorganizmusok a környezetükbe választanak ki, vagyis nem sejten belül használják. Ezért biotechnológiai előállítása aránylag egyszerű, a leggyakrabban Bacillus licheniformis, Bacillus subtilis, Aspergillus niger mikroorganizmusokkal állítják elő. Meg kell jegyezni, hogy az amilázzal történő kezeléshez a keményítőt elő kell készíteni, mivel a szerkezete hidrofób (víztaszító), az enzim nem képes hozzákötődni, ami a hidrolízis alapfeltétele. Az előkezelés gőzzel, illetve hőkezeléssel történik. A kezelés után hűtik az elegyet, majd az enzim hozzáadása után készül el a tulajdonképpeni szubsztrát, mely mono- és diszacharidok elegyét tartalmazza. A cellulóz, a keményítőhöz hasonlóan, közvetlenül nem használható fel a mikrobiális fermentáció során, ezért ezt is elő kell kezelni. Az előkezelés itt bonyolultabb, anyag- és energiaigényesebb, mint a keményítő esetében. A cellulóz szerkezeténél fogva összetettebb, mint a keményítő, vízoldhatatlansága is közrejátszik a felhasználási lehetőségek csekély számában. Ezek a növényi rostok annyira ellenállóak, hogy csak tömény savakkal lehetséges a bontásuk. Tömény savval főzve először cellobiózra bomlanak, majd a cellobióz szőlőcukorra. Ekkor a hidrolizátum kémhatását vissza kell állítani, a savtartalmát lecsökkenteni, ami komoly technikai hátteret igényel. A tömény sósavon kívül csak néhány gomba, baktérium és rovar képes bontani. A kérődző állatok emésztőrendszere jellemzően tartalmaz olyan mikroorganizmust, mely lebontja a cellulózt. A termőtalajban is léteznek cellulózbontó baktériumok, melyek a cellulózt humusszá alakítják. Mint láthatjuk, az etanol-fermentáció két fő lépésből áll: a megfelelő szubsztrátok előállításából, majd az ezekből történő alkohol-előállításból. 89
A bioetanol-előállítás technológiája Az etanolfermentáció mikrobiológiája után áttérünk a bioetanol-előállítás technológiai megvalósításaira. Elöljáróban közöljük, hogy áttekintésünkben nem térünk ki minden lehetséges technológiára, hanem elsősorban általános technológiai lépéseket szeretnénk bemutatni, amelyek a korábban ismertetett biotechnológiai alapokra épülnek (3.1. táblázat). 3.1. táblázat Bioetanol-előállításra alkalmazott alaptechnológia Forrás: László–Réczey (2000) Alapanyag
Cukor
Speciális munkafolyamatok
Cukor kivonása
Közös munkafolyamatok
Keményítő
Cellulóz
Növény felaprítása, lebontása cukorrá Erjesztés, desztillálás, főtermék (alkohol) és melléktermékek szétválasztása
Szükséges anyagok Megjegyzés Legolcsóbb
Amiloglükozidáz enzim
Celluláz enzim, sav Legdrágább, káros melléktermék
Egyszerű cukrokon alapuló etanol-előállítás A legegyszerűbb etanol-előállítási technológiák a magas cukortartalmú növények esetében használhatók. Ebben az esetben nincs szükség hidrolízisre, csak ki kell nyerni a növényből a cukrot. Mérsékelt égövön általában a cukorrépa és a cukorcirok alkalmas erre a technológiára, míg a trópusi éghajlaton a cukornád. A cukorrépa esetében nehézséget okoz az, hogy a földből kell begyűjteni, továbbá a betakarítás után legkésőbb pár hónappal fel kell használni. Mivel a cukor90
gyár csak idénymunkában képes dolgozni, a bioetanolgyártáshoz az alapanyag-utánpótlás is időszakos, ami tovább rontja a technológia gazdaságosságát. A cukorcirok szintén szezonális növény, előnye hogy kevésbé igényes a termőterület minőségét illetően. A cukornád eredetű alkohol-előállítás a leggazdaságosabb, azonban termelése Magyarországon az éghajlati viszonyok miatt nem megoldható. A fenti növényeken kívül érdemes még megemlíteni a takarmányrépát, melynek az etanol-kihozatala lényegesen jobb, mint a cukorrépáé, sőt a késői betakarítása miatt jól kiegészítené a fent említett alapanyagok feldolgozásának idejét, ezáltal csökkentve a raktározás költségét. Mindamellett javítja a mezőgazdasági gépek és szeszgyárak kihasználtságát. A keményítőalapú bioetanol előállítása A keményítő alapú bioetanol gyártása általában a következő fő lépésekből áll: 1. Alapanyag előkezelése 2. Hidrolízis/cukrosítás 3. Fermentálás/erjesztés 4. Desztilláció/töményítés 5. Maradékanyag kezelése Az alapanyag előkészítése során a cél általában a nyersanyag méretcsökkentése pl. darálással. Azután a rostok, sejtfalak roncsolása nagy nyomású főzéssel vagy gőzöléssel, hogy később a kémiai és biológiai reakciók a lehető legnagyobb felületen mehessenek végbe. A hidrolízis kétféle lehet: savas vagy enzimes (α-amiláz), az eljárás során a hosszú szénhidrátláncok rövidebb egységekre, majd glükózmonomerekre bomlanak. Az erjesztés hűtött körülmények között történik élesztő hozzáadásával, oxigénmentes környezetben. Az eredmény alacsony alkoholtartalmú (10–18%), magas víztartalmú és még szilárd maradványokat is tartalmazó cefre. Megjegyezzük, hogy az emelkedő etanolkoncentráció erősen gátolja az élesztő szaporodását (5– 91
10%) és fermentációs képességeit (10–18%), ami újabb technológiai lépések bevezetését igényli. Ez az alkoholtartalom folyamatos ellenőrzését jelenti, illetve egyes kaszkád típusú rendszerekben a fermentáció felfutó szakaszában lévő fermentlé átjuttatását egy párhuzamos, előkészített cefrét tartalmazó egységbe. A maradványanyagot centrifugálással és/vagy szűréssel vonják ki a vízből, ami később magas fehérje- és rosttartalma miatt takarmányként jól hasznosítható. A cefréből az alkoholt több fokozatú desztillációval állítják elő. Ennek végeredménye egy 95-96% töménységű alkohol. Ebből a 99,9% alkoholt molekulaszűrő vagy kémiai komponensek (égetett mész, CaO, kristályvízmentes réz-szulfát) hozzáadásával érik el (3.4. ábra). A bioetanol-gyártás egyik nagy jövőjű fejlesztési lehetősége a rögzített sejtes etanolfermentáció. Ennek lényege, hogy a fermentációért felelős élesztősejteket nem a fermentlébe keverjük bele, hanem valamilyen hordozó felületére rögzítjük, és a fermentlé dinamikusan találkozik az élesztőkkel. Ezzel az eljárással csökkenteni lehet az élesztők és az etanol kontaktidejét, így a gátlóhatás lecsökken, a hatékonyság jóval magasabb lesz (rövidebb előállítási idő), és a keletkező etanoltartalmú fermentlé kevesebb kezelést igényel, mivel az élesztőtartalma jelentősen alacsonyabb. E technológia másik megvalósítási lehetősége a membránszeparációs eljárások kombinálása a biotechnológiai eljárásokkal. Itt a fermentációs közeget és az élesztőt egy membránnal választják el egymástól, amely a végtermék tisztítását nagyban megkönnyíti, és az etanol-előállítás költségeit jelentősen csökkenti. Ezek a technológiák még nem működnek ipari szinten, fejlesztésük folyamatos.
92
3.4. ábra A keményítőalapú etanol-előállítás technológiai vázlata
Cellulózalapú bioetanol-gyártás Cellulózt szinte minden növény tartalmaz, ez a leggyakoribb szerves anyag a földön. Ipari szempontból jelentősek a mezőgazdasági (búzaszalma vagy kukoricaszár), erdészeti, fa- és papírhulladékok, mivel megtermelésükhöz nem szükséges extra energiabefektetés, azonban a felsorolt alapanyagokat manapság inkább hő- és villamos energia termelésére használják fel. A cellulózalapú technológia bonyolultabb, mint a keményítőalapú, mivel a cellulózt sokkal nehezebb cukorrá hidrolizálni, és az ehhez szükséges enzim, a celluláz igen drága. A hidrolízis még savval is lehetséges, ekkor azonban nagyobb valószínűséggel képződnek olyan melléktermékek, melyek akadályozzák a későbbi erjesztést, eltávolításuk pedig meglehetősen költséges. A cellulóz a növényekben kísérőanyagaival, a hemicellulózzal és a ligninnel együtt fordul elő, s ez a fel93
dolgozás során problémát jelent. Az enzimes hidrolízist egy úgynevezett előkezelési műveletnek kell megelőznie, mely fellazítja a lignocellulóz szerkezetét, és lehetőség szerint kioldja a hemicellulóz-frakciót, mely a legkevésbé ellenálló a három polimer közül. A lignin okozza a legtöbb problémát, mivel a hidrolízist végző enzim aktivitását csökkenti, a reakcióelegy sűrűségét, viszkozitását növeli. A lignint legtöbbször elégetik az elkülönítés után, ezzel biztosítják a technológiához szükséges hőenergiát. Ez a gazdaságosság, illetve a környezetvédelem szempontjából fontos tényező. A cellulózalapú (fa, fűfélék, gabonaszárak, szalma) technológia sokkal kedvezőbb lenne – ha sikerülne az enzimet olcsón előállítani –, mivel nem kellene (vagy legalábbis nem akkora mennyiségben) mezőgazdasági terményeket elvonni az élelmiszerellátásból a bioetanol gyártásához. Bioetanol előállítására alkalmas egyéb alapanyagok A keményítő-, cukor- és cellulóztartalmú anyagok mellett más élelmiszeripari melléktermékek is lehetőséget adnak az etanolfermentációra. Ilyen tejipari melléktermék a tejcukrot tartalmazó tejsavó, amely egy diszacharid és kiváló etanol-alapanyag. A tejsavó alapanyagként való felhasználása esetén azonban szembe kell nézni azzal a ténnyel, hogy tejcukortartalma alacsony (3-5%), és a fermentáció végeredménye híg, 2-4% etanolt tartalmazó vizes oldat. Ennek bekoncentrálása további technológiai lépéseket és nagy mennyiségű energiát igényel. A bioetanol előállítása során legfőképpen a keményítőalapú technológiák terjedtek el, mivel ezek esetében beszélhetünk csak ipari szintű megvalósításokról. A keményítő forrása általában a geográfiai viszonyoktól függ. Európában elsősorban a búza, ÉszakAmerikában a kukorica, míg Dél-Amerikában a cukornádalapú fermentációs technológiák terjedtek el. Ke94
ményítőtartalmú növények hazánkban a kukorica, a búza és a burgonya. Egy tonna bioetanol előállításához kevesebb mennyiségű kukoricát kell felhasználni, mint búzát. Kukorica esetén ez a mennyiség 2,72 tonna, míg búzánál 3,14 tonna. A kukorica előnye, hogy magas a termésátlaga, és azonos termőterületet feltételezve másfélszeres mennyiségű alkohol állítható elő belőle.
Kapcsolódás más alternatív energiaforrásokhoz A bioetanol-üzemek a desztillációhoz, bepárláshoz jelentős mennyiségű gőzt (hőenergiát) használnak fel, és a fogyasztás mértéke napi és éves szinten is jó közelítéssel állandó. Az etanolüzemek szivattyúi, keverői emellett villamos energiát is fogyasztanak. Egyes üzemi megoldások a hőigény fedezésére gázkazánokat (az USA-ban helyenként széntüzelésű kazánokat) alkalmaznak, a villamos energiát pedig a hálózatról vásárolják. Ebben az esetben ezen energiaféleségeket rossz hatásfokkal állítjuk elő (a hőenergia-előállítás hatásfoka ~90%, a villamosenergia-előállítás hatásfoka <35%). Ennél energetikailag lényegesen nagyobb hatásfokú megoldást jelent, ha kihasználva a közel állandó hőenergia-igényt, kapcsolt hő- és villamosenergiatermelést megvalósító erőművel látjuk el az etanolüzemet, mint ahogy a jelenlegi legnagyobb hazai gyártóknál is látható. Ekkor az együttes energiatermelés hatásfoka meghaladhatja a 90%-ot is. Jó hatásfokú, kapcsolt energiatermelés esetén a mai hazai körülmények között három megoldásnak van realitása: • földgáztüzeléssel gázmotorban vagy gázturbinában; • száraz (fás szárú vagy lágy szárú) biomassza-tüzelő kazánnal (szalma, energiafű, • energiaültetvény-apríték, kukoricaszár, cukorcirokszár stb.) és gőzciklussal; • biogázüzemű gázmotorerőműben (állati trágya, zöldnövények stb.). 95
A fentiek közül a földgázalapú üzemek kisebb fajlagos beruházási igénnyel rendelkeznek, a másik oldalon viszont olcsóbb és megújuló energiaforrások kompenzálják a magasabb beruházási költséget. Környezetvédelmi szempontból is előnyös, ha a bioetanolgyár a mellé telepítendő biogázüzemmel szoros kapcsolatban működik, hiszen az alkohollepárlás után visszamaradt cefre és a magas szervesanyagtartalmú melléktermékek közvetlenül felhasználhatók biogáz előállításához. A biogáz elégetésével villamos energia termelhető, majd értékesíthető. A folyamat során képződő termikus energia bőven biztosítja az etanolüzem hőigényét. A kukoricára épülő bioetanol-üzemekben az állattartás számára is hasznos anyag, úgynevezett DDGS (Dried Distillers Grains with Solubles), vagyis kukoricatörköly keletkezik, ami a felhasznált alapanyag mennyiségének harmadát teszi ki. Ez a fehérjedús melléktermék takarmányadalékként újra feldolgozhatóvá válik az állattartók számára. Az energiatermelés melléktermékeként keletkező komposzt talajszerkezetet és tápanyagtartalmat javító anyagként a mezőgazdaságban hasznosítható. Egy pelletáló üzem felépítésével pedig a maradék növényi részekből agropelletet – környezetbarát tüzelőanyagot – lehet előállítani (3.5. ábra). A mezőgazdasági termelők több ponton tudnak csatlakozni egy komplex, bioetanol-termelő rendszerhez (3.5. ábra). Az első csatlakozási pont az alapanyag előállítása. Itt érdemes integrátor szervezeteket bevonni, mivel a szállítás és raktározás megszervezése esetenként meghaladhatja az egyéni termelők kapacitását. További kapcsolódási pontokat találunk a termelési lánc másik oldalán a bioetanol-gyártás termékei és melléktermékei révén. A bioetanol üzemanyagként való felhasználásán túl a melléktermékeket kiválóan lehet állattartásban alkalmazni, illetve komplex megvalósítás esetén egy kapcsolt biogáz erőmű kierjedt anaerob komposztja talajjavítóként használható fel. 96
3.5. ábra A bioetanol-gyártás lehetséges kapcsolatai más iparágakkal
Tehát megfelelő szervezéssel és tervezéssel az alternatív energiát előállító egységek számos ésszerű csatlakozási pontot biztosítanak a mezőgazdasági termelők számára. Ha figyelembe vesszük a rendszer fenntarthatóságát, ezeknek a kapcsolódási pontoknak létre is kell jönniük, hisz az üzemeltetés megtérülését ezen folyamatok is erősen befolyásolják.
Összehasonlítás más biomassza-alapú energiaforrásokkal Az alternatív energiaforrásokat az alábbi csoportokba oszthatjuk: 1. Szélenergia 2. Napenergia 3. Geotermális energia 4. Hullámenergia 5. Bioüzemanyagok Bár örvendetes tény, hogy elsősorban a szél- és a napenergia felhasználása dinamikusan növekszik (a kapacitás mintegy 2-3 évente duplázódik jelenleg), látnunk kell a következő problémákat is: • a fenti felsorolás első négy tagja villamos energiát állít elő, ami hasznos, de nem oldja meg az olajjal 97
összefüggő problémákat (szállítás, mezőgazdaság, műanyagok, egészségügy stb.); • földrajzi korlátok lépnek fel az első négy alternatív energiaforrás vonatkozásában (állandó széljárás, napsütötte órák száma, geotermikus gradiens, tengerpart stb.); • a szél- és a napenergia magas EROEI (Energy Returned On Energy Invested) értékkel bír, ROI (Return on Invested) szempontból azonban egyelőre csak állami szubvencióval életképes; • a szél, a nap, a geotermális és a hullámenergia befektetésigénye hatalmas; • különösen a szél- és a napenergia alkalmazásával kapcsolatban aggasztóak a növekedés útjába álló esetleges nyersanyagkorlátok (acél, indium stb.). Mindezekből, különösen pedig a nem-elektromos energia iránti igény folyamatos növekedéséből (globalizáció, szállítás, élelmiszeripar) egyenesen következik, hogy mindenképpen szükség van bioüzemanyagok gyártására. Az alternatív üzemanyagok esetében a szemléletbeli újdonságtartalom és az összehasonlíthatóság vonatkozásában a következő elemekre kell mindenképpen felhívni a figyelmet. • EROEI koncepció • ROI megfontolások • skálázhatósági kérdések • melléktermékek kezelése • kapcsolt egységek létrehozása a) Az EROEI szócska az angol „Energy Return on Energy Invested” kifejezés kezdőbetűiből áll, és az energiatermelő (energiaátalakító) folyamat során létrejövő nettó energiát adja meg hányadosként, az alábbi formában: EROEI = kinyert teljes energia/befektetett teljes energia. Jól látható, hogy minél nagyobb ez a hányados, annál több energiát tudunk előállítani egységnyi befektetés révén. Ha ez a hányados 1-nél kisebb, az azt jelenti, hogy a 98
b)
c)
d)
folyamat során energiát veszítünk. Ez mindenképpen kerülendő, hiszen egyik célunk éppen az elérhető energia mennyiségének növelése. A magas EROEI értékkel bíró folyamatok kidolgozása döntő fontosságú, bármilyen alternatív energiaforrás előállításának hosszú távú energetikai életképessége szempontjából. A ROI betűszó szintén az angol nyelvből származik, a „Return on Investment” kifejezés rövidítése – egy adott beruházás közgazdasági megtérülését, ezáltal elterjedésének sebességét, nyereségességét és hosszú távú, piacgazdasági alapon nyugvó működőképességét jellemzi. Kiszámítási módja a legegyszerűbb esetben: ROI = profit/befektetés, az eredményül kapott százalék egy adott beruházás relatív jövedelmezőségét mutatja. Többéves, növekvő befektetéseket igénylő projekt esetében gyakran használatosak az ún. aritmetikus és a logaritmikus ROI fogalmak. Az alternatív energiahordozókat előállító gyárak telepítése során közgazdasági számításokat kell végeznünk a gazdasági megtérülésre vonatkozóan, megadva a szükséges befektetés mértékét, és a különböző végtermékárak esetére feltételezett hasznot, valamint a befektetés megtérülési időtartamát (break even point) is. A skálázhatósági kérdéskört érintve vizsgálatokat kell végeznünk a folyamat nyersanyag-intenzitásáról, a felhasznált földterületek minőségéről és mennyiségéről, a szükséges logisztikai tevékenységekről és az ideális gyártási környezetről, valamint az ezek alapján becsülhető hazai gyártási és exportpotenciálról. A melléktermékeket illetően meg kell vizsgálnunk, hogy az üzemanyaggyártásban közvetlenül részt nem vevő, egyéb melléktermékek milyen folyamatokon keresztül kapcsolódhatnak be egyéb termelési folyamatokba, elsősorban az élelmiszeriparba (állati takarmány, adalékanyagok stb.). A melléktermékek 99
e)
optimális felhasználása jelentősen növelheti a gyártás jövedelmezőségét, miközben környezetbarát is, hiszen a hulladékképződést is csökkenti. A kapcsolt eljárások létrehozása esetében mindenképpen számolni kell az etanolgyártás egyik fő energiaigényű lépésével, az etanolbepárlással. Véleményünk szerint a bepárlás során felhasznált földgáz és egyéb fosszilis energiahordozók kétségbe vonják a bio szócska alkalmazhatóságát a technológiában.
Bioüzemanyagok és az azokkal szemben támasztott kívánalmak Az eddigiek alapján a jövőben gyártandó bioüzemanyagoktól az alábbiakat követeljük meg: • pozitív energiamérleg (EROEI>1) • magas ROI (alacsonyan tartható előállítási költség, költséghatékonyság) • skálázhatóság (az elterjedés és az előállítható mennyiség maximalizálása) • nagy energiasűrűség, egyszerű tárolás és szállíthatóság (felhasználhatóság) • a környezetszennyezés minimalizálása (pl. alacsony „nettó” CO2-kibocsátás) A jelenleg gyártásban lévő bioüzemanyagok közül ezeket a feltételeket maradéktalanul egyik sem teljesíti. A növényalapú bioetanol EROEI mutatója nem elég magas, CO2-kibocsátása pedig meghaladja a kívánatos mértéket. Komolyabb problémát jelent az élelmiszerpiacra gyakorolt hatása (kukorica – állati takarmány) és a skálázhatóság (megművelhető földterületek aránya). A cukornádalapú (főként brazíliai) etanol a magas humán munkaerőigény miatt ROI és emberjogi, az éghajlat miatt skálázhatósági problémákkal jár. A cellulózalapú (második generációs) etanolgyártási technológia egyelőre nem kidolgozott. A jelenleg működő technológiákkal nem állítható elő kellő mennyiségű bioetanol. 100
Társadalmi és természeti környezetünk védelme érdekében összehangolt tervet kell kidolgozni a bioüzemanyagok gyártására. A bioetanol elterjedéséhez nagyban hozzá kell járulnia az államnak és nem utolsósorban a különböző növénynemesítő cégeknek. De legfőképp a termelők érdekeltségét kell növelni az alapanyag-termelésben. Ez megfelelő értékesítőkapacitás és szállítóhálózat fejlesztésével érhető el.
Társadalmi, politikai megítélés – vélemények, ellenvélemények Ha áttekintjük a témában hozzáférhető vitaanyagokat, kiderül, hogy sem hazánkban, sem a világ többi részén nem egyértelmű a bioetanol-előállítás megítélése. A bioüzemanyagok kritikusai számos ellenérvet sorakoztatnak fel. A legtöbbet hangoztatott ellenérvek a következők: Az etanol alacsonyabb fűtőértéke miatt nagyobb mennyiség elégetésére van szükség, ha azonos teljesítményt kívánunk elérni. A tisztán etanollal működő gépkocsimotorok üzemanyagtartályának nagyobbnak kell lennie, növelt paraméterekkel kell rendelkezniük a keverékképzésben részt vevő szerkezeti elemeknek. A bioüzemanyagok előállítása nagy menynyiségű fosszilis energiahordozó felhasználását igényli, és ebből adódóan jelentős mennyiségű üvegházgáz kerül a légkörbe, szinte teljesen kompenzálva a bioüzemanyagok által „megtakarított” mennyiséget. Az energetikai célú növénytermesztés monokultúrákhoz vezethet. A termesztés nagy mennyiségű műtrágya, valamint növényvédő szerek használatát teszi szükségessé, ami jelentősen megterheli a talajt és a vízbázist. Terhelődik továbbá a légkör is, méghozzá az N2O üvegházgázzal és ammóniával, amely szintén hozzájárul a természetes és mesterséges környezet szennyezéséhez. Mindezek mellett a bioüzemanyagok előállítása sokkal 101
drágább, mint az üvegházgáz-kibocsátás csökkentésének egyéb lehetőségei. Más vélemények szerint ugyan a kukoricából készülő bioetanol benzinbe keverésének egyik legfőbb célja a közlekedésből származó szén-dioxid-kibocsátás csökkentése a klímavédelem érdekében, azonban a bioetanol százszor drágább módja a szén-dioxidcsökkentésnek, mint amilyenek megvalósíthatóak más eszközökkel, például a nagy kibocsátó iparágakban bevezethető adszorpciós módszerekkel. Az etanol-gyártás CO2-kibocsátással jár, de a vele előállított energia CO2-emissziót vált ki, így összességében csökkentjük a CO2-kibocsátást még a fosszilisenergia-alapú etanolgyártás során is. Ugyanakkor számos országban, különösen a mezőgazdasági bázisú országokban rövid távon van értelme a bioetanol-ipar fellendítésének, mint például Magyarországon, már csak munkahelyteremtés és az agrárium jövője szempontjából is. Egyúttal lehetőséget ad a mezőgazdasági és agroipari melléktermékek és hulladékok széles körű felhasználására. Ennek feltétele azonban, hogy a bioetanol-üzemek létrehozása során már a tervezés, illetve a megvalósítási terv esetében a kivitelezők vonják be az agrárágazat helyi szereplőit, hogy biztosított legyen a hosszú távú alapanyag-mennyiség, illetve a keletkező melléktermékek egyéb irányú felhasználása. A bioetanol energetikai hasznossága is kérdéses. A Magyar Bioetanol Szövetség (MBSz) szerint a bioetanol energiamérlege, vagyis az előállításához bevitt energia és a kész bioetanol energiatartalmának viszonya egyértelműen pozitív. A szövetség számításai szerint biomasszával működő feldolgozóüzem esetén több mint háromszoros az energianyereség, de még földgázon alapuló energiaellátás esetén is 46% a többlet. A vállalati, felhasználói oldal szerint viszont a hosszú távú LCA (életciklus-elemzés) tanulmányok szerint egyáltalán nem bizonyított a pozitív energiamérleg. Sőt kukorica esetében egyenesen negatív érté102
keket lehet kapni. Ehhez még hozzá kell számítani a termelés során keletkező környezetkárosítást, amit a fokozott műtrágyabevitel okoz. Ezen számítások során konstans energiaárakkal számolnak, ami azt feltételezi, hogy hosszú távon akár a bioetanol is lehet megtérülő beruházás. Hazánk és más országok esetében is fontos kérdés az előállítandó bioetanol mennyisége. Kérdéses, hogy az előre tervezett mennyiségek előállításához szükséges gabona termesztése megoldható-e anélkül, hogy komoly élelmiszerellátási gondok lépjenek fel. Magyarországon az állattenyésztés és a bioetanol-előállítás az alapanyagigényük alapján egymás konkurensei.
Törvényi szabályozás, rendeletek •
•
•
A 42/2005. (III. 10.) kormányrendelet a bioüzemanyagok és más megújuló üzemanyagok közlekedési célú felhasználásának egyes szabályairól. A bioüzemanyagok közlekedési célú felhasználásának előmozdítása érdekében alkották meg. A rendelet a közlekedési ágazatban a bioüzemanyagok, illetve más megújuló üzemanyagok használatának előmozdításáról szóló, 2003. május 8-i 2003/30/EK európai parlamenti és tanácsi irányelvnek való megfelelést szolgálja. Az EU-irányelv előírja a tagállamoknak, hogy a bioetanol részarányát a benzinalapú közlekedési ágazatban 2010-ig folyamatosan 5,75%-ra, 2020-ig 20%-ra kell növelni. A 8/2004. (III. 10.) PM rendelet a jövedéki termékek forgalmazásának különös szabályairól szóló 2003. évi CXXVII. törvény egyes rendelkezéseinek végrehajtásáról (bioetanol és E85 előállítása szeszüzemben) A jövedéki adóról és a jövedéki termékek forgalmazásának különös szabályairól szóló 2003. évi CXXVII. törvény és annak végrehajtási rendelete. Ennek a törvénynek a módosításai a következők: 103
A 2005. évi CXIX. törvény az adókról, járulékokról és egyéb költségvetési befizetésekről szóló törvények o A 2006. évi LXI. törvény egyes pénzügyi tárgyú törvények módosításáról o A 2007. évi CXXVI. törvény egyes adótörvények módosításáról • A 25/2006. (III. 31.) FVM rendelet az Európai Mezőgazdasági Orientációs és Garancia Alap Garancia Részlegéből finanszírozott egységes területalapú támogatásokhoz kapcsolódó 2006. évi kiegészítő nemzeti támogatás igénybevételével kapcsolatos egyes kérdésekről • A 2233/2004. (IX. 22.) kormányhatározat és a 354/2004. (XII. 22.) kormányrendelet a bioüzemanyagok és egyéb megújuló üzemanyagok közlekedési célú felhasználására vonatkozó nemzeti célkitűzésekről rendelkezik. További információkat a www.fvm.hu és a www.mvh.gov.hu oldalakon találhatunk. o
Irodalom 1. 2.
3. 4.
5.
104
SEMBERY P.–TÓTH L. (szerk.): Hagyományos és megújuló energiák. Szaktudás Kiadó Ház Rt., Budapest, 2004. SZULMANNÉ DR. BINET MARIANN: Folyékony bioüzemanyagok (bioetanol, biodízel) – a műszaki és iparjogvédelmi háttér áttekintése. Iparjogvédelmi és Szerzői Jogi Szemle, 2007. október. 5–30. p. BAI A.: A bioetanol-előállítás gazdasági kérdései. Agrártudományi Közlemények, 2004. 14. sz. SÁNCHEZ, Ó. J.– CARDONA, C. A.: Trend in biotechnological production of fuel ethanol from different feedstocks. In Bioresource Technology, Volume 99, Issue 13, 5270– 5295. p. RONGHOU LIU–JINXIA LI–FEI SHEN: Refining bioethanol from stalk juice of sweet sorghum by immobilized yeast fermentation. In Renewable Energy, Volume 33, Issue 5, May 2008, 1130–1135 p.
