A keményítő és cukortartalmú növények termesztése és felhasználása bioetanol előállításra.
Kovács Gergő Péter SZIE-MKK Növénytermesztési Intézet Gödöllő
Előadás 1.Bioetanol alapanyagok rövid csoportosítása 2.Bioetanol előállításra alkalmas növények rövid jellemzése 3.Szünet 4.Bioetanol előállítás technológiai ismertetése 5.Bioetanol gazdasági és társadalmi hatásainak áttekintése 6.Kérdések az adott témakörben.
Történelmi áttekintés I. Szudáni ásatások során 7000 éves edényben kimutatták a sör maradványait. Első írásos emlékeink Mezopotámiai kőtábla i. e. 2800
Történelmi áttekintés II.
Történelmi áttekintés III. Égetett szeszek a 12. században jelentek meg, de elsősorban gyógyászati célokra használták fel őket. A középkorban a szerzetesek élen jártak különféle szeszes italok megalkotásában. A bor és sörfogyasztás jelentős volt a középkori Európában.
Energianövények csoportosítása Szilárd energiahordozó növények
Folyékony energiahordozó alapanyagok • • • • • • • • •
Burgonya Búza Cikória Cukorcirok Csicsóka Kukorica Olajnövények Napraforgó Őszi káposztarepce
• • • • • • •
Energiakender Kínai nád Olasznád Nádképű csenkesz Óriás keserűfű Szudánifű Zöld pántlikafű
Gáznemű energiahordozó növények • • • • • • •
Angol perje Cukorcirok Kukorica Nádképű csenkesz Rozs Búza Tritikálé
Bioetanol alapanyagok Bioetanol alapanyagok
Első generációs
Második generációs
Keményítő tartalmú
Cukor tartalmú
Lignocellulóz tartalmú
Kukorica
Cukorrépa
Cukorcirok
Búza
Cukorcirok
Szudánifű
Rozs
Energiafű
Tritikálé
Olasz nád (Arundo) Kínai nád (Miscanthus)
Gabonatermesztés 2013 (Globális) (millió tonna) Kukorica
1 018
Rizs
741
Búza
716
Árpa
144
Köles
62
Zab
24
Rozs
17 0
300
600
900
1200
Kukorica •
• •
• • • •
A kukorica szemben található keményítőt használjuk bioetanol előállításra. A szemek átlagos keményítőtartalma 65 %. Az EU tagországaiban a kukorica egyenleg néhány ország kivételével (Franciao., Magyaro., Szlovákia, Bulgária, Cseho., Ciprus) általánosan negatív. Termésátlaga: 0-16 t/ha (7,8 t/ha) Vetésterület: 1,1-1,2 millió hektár (Mo) Betakarított mennyiség: 9,3 millió tonna (2014) Hazai felhasználás 4-4,5 millió tonna
Kukorica
Kukorica Etanol kihozatal növelése
Termés mennyiség
Beltartalom
Ipari feldolgozás
Növénytermesztés és nemesítés
Ipar
Új technológiák
Kukorica A hagyományos lófogú kukoricában a keményítőben található amilopektin/amylóz arány 75/25%. A Waxy kukoricában közel 100%os az amilopektin részaránya.
PIONEER (HES-High Extractable Starch)
MONSANT O
(HTF-High Total Fermentable)
DEKALB
SYNGENTA
235 etanol hibrid
A hagyományos hibridektől elmarad a terméshozam. A Waxy kukoricák vízleadás lassabb.
Kukorica Syngenta ENOGEN PROGRAM (Alfa-amiláz keményítőbontó enzim már a magban megtalálható)
Forrás: www3.syngenta.com
Kukorica Syngenta
CELLARATE PROGRAM (Kukorica szem rost-tartalmának felhasználása)
Búza • • • • • •
•
A búzaszemben található keményítőt használjuk fel. A szemek átlagos keményítőtartalma 60-70%. Termésátlaga: 0-10 t/ha (4,7 t/ha) Vetésterület: 1,1 millió hektár (2014) Betakarított mennyiség: 5,2 millió tonna (2014) Magyarországon a megtermelt gabona felhasználása: 48, % takarmány, 22,2% export, 10,1% élelmiszer, 12,1% egyéb ipar és 6,9% vetőmag. Inkább élelmezési célú felhasználása javasolt.
Burgonya •
• • • • •
Burgonya gumóban található szénhidrátokat használjuk bioetanol előállításra. Keményítő-tartalma 14-20% Termésátlaga: 10-50 t/ha (25 t/ha) Vetésterület: 21 ezer hektár (2014) Betakarított mennyiség: 567 ezer tonna (2014) Finomszesz gyártásban betöltött szerepe jelentős.
Cukorrépa • •
• • • •
A répatestben található szacharózt hasznosítjuk. A répatest 17%-ban szacharózt és egyéb inverz cukrokat tartalmaz. Termésátlaga: 30-70 t/ha (69 t/ha) Vetésterület: 15 ezer hektár (2014) Betakarított mennyiség: 1017 ezer tonna (2014) A cukorrépa termesztés elsősorban Európában koncentrálodik.
Cukorrépa Szeletelés
Termés: 40 t/ha Víz: 77% Cukor: 17% Nem-cukor:4 %
Cukros lé kinyerése Fermentáció Desztílláció Víztelenítés
Vízmentes etanol: 3250 l/ha Energia: 26,8 Mj/kg
Cukorcirok • •
• • •
•
A szárban található szacharózt hasznosítjuk. A szár 10-12%-ban szacharózt és egyéb inverz cukrokat tartalmaz. Termésátlaga: 30-120 t/ha (zöldtömegben) Vetésterület: 10-15 ezer hektár (2014) legfőképpen silónak A cukorcirok termesztése forró égövi területeken gazdaságosabb. Magyarországon jelenleg nincs olyan, amely nagy mennyiségben fel tudná dolgozni.
Cukorcirok - Évjárat hatás
Cukorcirok - Talajművelés
Cukorcirok - Tápanyag
Cukorcirok-cukoreloszlás
Cukorcirok
Cukorcirok
Cukorcirok
Bioetanol gyártás folyamata I. 1.Alapanyag előkészítés 2.Hidrolízis/cukrosítás 3.Erjesztés/fermentáció 4.Desztílláció 5.Töményítés 6.Maradványanyag kezelése
Bioetanol gyártás folyamata II. 1.Alapanyag előkészítés: darálás (méretcsökkentés, felületnövelés) + főzés, gőzölés (rostok, sejtfalak roncsolása) 2.Hidrolízis: savval vagy enzimmel (α-, β-amiláz, glüko-amiláz) a hosszú szénhidrátláncok feldarabolása glükózzá. 3.Erjesztés: élesztőgomba (Sacchoromyces cerevisiae) bekeverése + hűtés → cefre (10-18% alkohol + magas víztartalom + szilárd maradványanyagok) 4.Desztilláció: elgőzöltetés + cseppfolyósítás → 95-96%-os alkohol
Bioetanol gyártás folyamata III. 5. Töményítés: molekulaszűrő → 99,9%-os tisztaságú alkohol 6. Maradványanyag kezelése: desztillációs maradék centrifugálása és/vagy bepárlása → 60-70 m/m%-os nedvességtartalmú cefremaradvány (DGS – Distillery Grain with Solubles) → szárítás 16% alá → DDGS (Dried Distillery Grain with Solubles) → magas fehérje és rosttartalmú, tárolható takarmány
Bioetanol gyártás IV. Nyersanyagok feldolgozása 1.Nedves őrléses technológia: gabona áztatása kén-dioxidos vízben (erjedés gátlása) → darálás (több fokozatban) → nyersanyag frakcionálása → magban lévő komponensek különkülön kinyerése és értékesítése (csíraolaj, fehérje, rost) 2.Száraz őrléses technológia: gabona száraz őrlése → nincs szeparálás → hidrolízis
Alapanyag
Alapanyag előkészítés
Bioetanol gyártás technológiai folyamata
Hidrolízis (Cukrosítás)
Hulladékhő
Biomassza
Többlépcsős fermentáció
Biogáz
Desztilláció
Hálózat Etanol motor
Generátor
Szállítás
Finomító
Földgáz Szeszmoslék
Etanol
Dehidrálás
Nedves takarmány
Száraz őrlés 100 kg kukorica
32,5 kg etanol
28,8 kg DDGS
Állattenyésztés
Nedves őrlés 100 kg kukorica
Etanol kihozatal 30,0 kg CO2
29,3 kg etanol
3,3 kg csíraolaj
4,7 kg sikér
20,1 kg sikértakarmány
28,3 kg CO2
Alapanyagok etanol-kihozatala Növény
Termelés
Átalakítási hatékonyság %
Átlag, t/ha
Etanolkihozatal l/t
l/ha
Cukorrépa
38,0
35
95
4300
Búza
3,5
24
356
1200
Kukorica
4,5
32
387
2100
Burgonya
10,3
82
110
3050
Cukornád
57,0
31
67
5300
Energiamegtérülési mutató EROEI, „Energy Return on Energy Invested Level Two EROEI = Kinyert teljes energia/befektetett teljes energia Etanol alapanyag
Energiamegtérülés
Cukorrépa
1,2
2,5
Lignocellulóz
1,9
5,6
Kalászosok
1,1
2,3
Kukorica
0,9
1,8
E85 bioüzemanyag Vízmentes bioetanol és célirányosan kiválasztott szabványos szuperbenzin, valamint kimondottan erre a célra kifejlesztett adalékcsomag megfelelő arányú elegye. A 85 jelzés a hagyományos benzinekkel szemben a maximális alkohol tartalmat takarja, az E85 oktánszáma min 105.
Magyarországi E85 töltőállomások
Magyarország bioetanol gyárai Pannonia Ethanol évente 450 millió liter bioetanol üzemanyagot, 250,000 tonna magas fehérjetartalmú állati takarmányt (gabonatörkölyt) termel, alapanyagként 1,000,000 tonna kukoricát használ fel. A Hungrana Kft. 2008-ban bioetanol-üzemegységet épített, ahol éves szinten 110 ezer tonna üzemanyagcélú bekeverésre gyártott bioetanolt állít elő megújuló energiaforrásból (1,000,000 tonna kukorica) Az MBSZ álláspontja szerint, az ország még 3 (2010es adat) Hungrana nagyságú gyárat is elbírna - mind alapanyag piaci, mind felhasználói oldalról tekintve, ugyanis a hazai adottságokkal évente 1,5 millió liter bioetanol előállításra is lehetőség lenne. Ennek a gyártókapacitások alig egytizedét tették ki 2010-ig, a dunaföldvári üzemmel együtt is az MBSZ szerint csak 20%-át használjuk a lehetőségeinknek.
Tervezett bioetanol üzemek
Bioetanol előállítás kérdései • Potenciális lehetőségek • Infrastruktúra • Versenyképesség – Kőolajalapú termékek – Egyéb alternatív hajtóanyagok – Alapanyag másirányú hasznosítása • Vitatott kérdések – Élelmiszer-biztonság – Területigény – Környezetvédelem – Energetikai hatékonyság – Munkahely-teremtés • Ellentmondásos elvárások
Élelmiszer vagy energia?
80 liter
Minden 4. másodpercben éhen hal egy ember
70% GYERMEK
Legfőbb oka a szárazság és a túlnépesedés az Afrikai kontinensen
Népesség növekedés
Világ gabona felhasználása (2012) 50
47 38
34 25
13
13 6
0 Humán élelmezés
Állati takarmányok
Egyéb**
Bioetanol
Bioüzemanyag gyártás 2014 (1000 tonna) KoE Amerikai Egyesült Államok
30 056
Brazilia
16 656
Németország
2 684
Argentina
2 577
Indonézia
2 444
Franciaország
2 269
Kína
2 083
Hollandia
1 445
Thaiföld
1 402
Kanada
1 143 0
10000
20000
30000
40000
Bioetanol gyártás 2014 16000 14 300
(millió gallon)
12000
8000
6 190 4000
1 445 0 USA
Brazilia
Európa
635
510
310
160
155
Kína
Kanada
Thaiföld
Argentina
India
Bioetanol gyártás 2014 (millió gallon) Afrika
42
Ázsia
952
71
Ausztrália
1 179
Európa
13 768
Észak és Közép-Amerika
5 800
Dél-Amerika
0
3500
7000
10500
14000
17500
Legnagyobb bioetanol gyártók •
ADM (1,75 milliárd gallon/év) 7 db üzem
•
POET (1,6 milliárd gallon/év) 27 db üzem
•
Valero Energy Corporation (1,2 milliárd gallon/év) 10 db üzem
•
Green Plains Renewable Energy (750 millió gallon/év)
•
Flint Hills Resources (440 millió gallon/év)
Az Egyesült Államok termelésének több mint 40%-át adja az 5 legnagyobb gyártó.
Bioüzemanyag gyártás (2. és 3. generáció) USA 23 21 18 15 (milliárd gallon)
15 13 11 9
8 7 6
0
1
1
1
2009
2010
2011
2
3
4
2012 2013* 2014
2015
2016
2017
2018
2019
2020
2021
2022
Bioüzemanyag üzletág 2005-2012 125
100 (milliárd USA dollár)
95
98
83
75
56
50 45 35
25 16
21
25
0 2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
Biomassza üzletág 2010-2015 875
(milliárd USA dollár)
700
525
573
595
619
643
668
694
350
175
0 2010
2011
2012
2013
2014
2015
Bioetanol előnyei •
Megújuló energiaforrás
•
Általában olcsóbb, mint a fosszilis üzemanyag
•
Megfelelő növénynél magas alkoholhozam
•
Hagyományok (szeszgyártás)
•
Mezőgazdaság prioritása
•
Termelés és hasznosítás területileg integrálható
•
Pozitív hatás gépgyártás)
•
Mezőgazdaság feleslegei hasznosíthatók
•
Magasabb hozzáadott értékkel rendelkező terméket exportálhatunk (GDP növekedés, vidékfejlesztés, munkahelyek)
a
kapcsolódó
iparágakra
(vegyipar,
mezőgazdasági
Bioetanol hátrányai •
Megfelelő növény termelése korlátozott (vetésforgó)
•
Motorok átalakítása szükséges
•
Energiamérleg még mindig negatív
•
Elvileg 13%-os CO2-kibocsátás csökkenés (alapanyag előállítást nem számolja )
•
Magas beruházási-üzemeltetési költségek
•
Benzin hatékonyságának csupán 70%-a érhető el
•
Melléktermék hasznosításának megoldatlansága
•
Emelkedő ár → meddig gazdaságos még?
•
Esetleges víztartalom → motor károsodása!
Köszönöm a megtisztelő figyelmet !!!
