Energie z biomasy VII. – odborný seminář
Brno 2007
BIOPALIVÁ AKO MOŽNÉ RIEŠENIE ZNIŽOVANIA NARASTAJÚCICH EMISNÝCH ZÁŤAŽÍ V CESTNEJ DOPRAVE Jana Müllerová, Jela Ondirková Príspevok sa zaoberá možnosťami znižovania neustále narastajúcich emisií spojených so zvyšujúcou sa cestnou dopravou. Jednou z možností, ako emisie z cestnej dopravy aspoň čiastočne obmedziť, je postupné nahradzovanie klasických pohonných hmôt získavaných z fosílnych palív, alternatívnymi paliva, získavaných z obnoviteľných zdrojov energie (OZE). V príspevku sú stručne popísané alternatívne palivá, ich výroba, vlastnosti a energetická bilancia v porovnaní s klasickými motorovými palivami. Kľúčové slová: biopalivá, biomasa, emisie, etanol, metylestery mastných kyselín
ÚVOD Zmenšujúce sa zásoby fosílnych palív, poškodzovanie životného prostredia a zdravia ľudí rovnako ako etický rozmer problému súvisiaci s tým, či máme morálne právo vyťažiť a spáliť všetky zásoby ropy a odkázať budúce generácie len na spomienky, si vyžadujú premýšľať nad zmenou súčasného stavu. Medzi najvýznamnejšie zdroje znečistenia ovzdušia určite patrí spaľovanie fosilních paliv a cestná doprava. Spaľovaním fosílnych palív sa napr. iba SR podieľa na svetovej ročnej produkcii emisií asi 40 mil. ton, a to hlavne oxidom uhličitým (CO2), siričitým (SO2), uhoľnatým (CO), oxidmi dusíka (NOx) a iných. Množstvo CO2, ktoré sa pri spaľovaní benzínu a nafty ročne na území SR uvoľní do ovzdušia sa odhaduje na viac než 5,5 mil. ton. Množstvo NOx, CO a prchavých organických látok je odhadované na tisíce ton. Pritom pridaním 5 až 10 % etanolu do benzínu sa môžu emisie CO znížiť až o 25 % [6]. Rovnako sa tak môžu znížiť i emisie CO2, SO2 a ďalších voľných radikálov v spalinách. Snaha o zmenu si však vyžaduje nové technológie, a tie si vyžadujú nový spôsob myslenia. Ropné spoločnosti spolu s automobilovými gigantmi si novú situáciu, ktorá si žiada rýchlejší prechod na nové palivá alebo nižšiu spotrebu vozidiel, uvedomujú. V Brazílii jazdí niekoľko milión automobilov na etanol. Shell si vybudoval vlastnú divíziu zaoberajúcu sa len obnoviteľnými zdrojmi energie. To všetko tu pred pár rokmi ešte nebolo, tak ako neboli autá na vodík, dusík alebo palivové články. SÚČASNÝ STAV To, či je možné súčasný stav zmeniť súvisí s odpoveďou na otázku či alternatívne paliva sú už dnes schopné nahradiť doteraz bežne používané palivá. V súčasnosti sa však snaha o zmenu sústreďuje hlavne na znižovanie spotreby energie a emisií motorových vozidiel. Ochrana životného prostredia sa stala jednou z hlavných politických tém vo vyspelých krajinách. Opatrenia zamerané na znižovanie spotreby vozidiel, zavádzanie vyšších poplatkov a daní, či podpora verejných dopravných prostriedkov sú však len krátkodobými opatreniami a problémy neriešia. Doprava, najmä nákladná neustále narastá. Automobilový priemysel rozkvitá a cestné komunikácie sú preťažené. V dôsledku toho na cestách zákonite čoraz častejšie vznikajú rizikové a krízové situácie. Pritom kamióny často križujú cestné komunikácie naprieč Európou zbytočne. Vedľa stále väčšieho rizika dopravných nehôd sa pri dominantnom postavení ropy ako paliva nedarí vyriešiť ani problémy so znečisťovaním životného prostredia. V mnohých krajinách sveta sa preto upiera pozornosť na vývoj vozidiel s nízkymi, resp. nulovými emisiami. Výsledkom týchto snáh je síce stále väčší počet takýchto vozidiel na cestách, avšak najlepším a najjednoduchším riešením stále sa zvyšujúcej nákladnej dopravy by bolo jej obmedzenie. Týmto krokom by sa jednak zvýšila priepustnosť cestných komunikácií, obmedzila by sa nehodovosť a v nepodstatnej miere by sa znížila aj spotreba fosílnych palív a produkcie emisií.
Ing. Jana Müllerová, PhD., KTVI, FŠI, ŽU Žilina, Ul. 1. mája 32, 010 26 Žilina,
[email protected]
/ 141 /
Energie z biomasy VII. – odborný seminář
Brno 2007
Riešenie, ktoré navrhla a schválila Európska únia, je dané smernicou EÚ č. 2003/30/EC zo dňa 8. 5. 2003. Uvedená smernica ukladá členským štátom záväzky zaviesť legislatívu a uskutočniť opatrenia na zvýšenie podielu biopalív na trhu s pohonnými hmotami, ktorý môže viesť k znižovaniu skleníkových plynov vo výfukoch automobilov. ALTERNATÍVNE PALIVÁ - BIOPALIVÁ Biopalivá nie sú nové palivá. Skôr naopak, biomasa bola zdrojom energie ešte skôr, ako sa začal používať benzín. Výroba alkoholu (metanolu a etanolu) z biomasy pre technické účely je známa už od 30-tych rokov 20. storočia. V súčasnosti sú najdôležitejšími palivami vyrábanými z biomasy metanol, etanol a bionafta. Do úzadia ustúpilo využívanie bioplynu a drevného plynu, ktoré boli populárne v období 2. svetovej vojny. Vo všeobecnosti sa rozlišujú biopalivá prvej generácie (vyrábané z rastlín ako cukrová trstina alebo repa) a biopalivá druhej generácie (vyrábané z lignocelulózy, resp. „drevnatých“ zdrojov, či prostredníctvom nových technológií premeny biomasy na tekuté palivo (BTL – biomass-to-liquid)). Najdôležitejšími biopalivami prvej generácie sú bioetanol a biodiesel. Biodiesel Biodiesel, ktorý je ekologickou alternatívou k dieselovému motoru, je založený na báze rastlinných olejov ako sú metylestery mastných kyselín, resp. čisté rastlinné oleje. Z hľadiska vlastností sú najvýznamnejšie metylestery olejov vyrobených z repky olejnej, tzv. MERO, ktoré majú vlastnosti zrovnateľné s motorovou naftou. MERO je číra bez akýchkoľvek nečistôt, zafarbená do žlta, s vodou nezlučiteľná kvapalina, ktorá sa pri kontaminácii s pôdou sama rozloží. Rovnako kvalitné biopalivo je možné získať aj z palmového, slnečnicového alebo sójového oleja. Bioetanol Lieh, ktorý je možné primiešavať do benzínu, sa vyrába kvasným procesom, pričom jeho zloženie predstavuje z 96 % etanol, 4% voda a zlomkové percento ostatných látok. Lieh v tomto zložení postačuje pre použitie etanolu ako paliva, ale pre miešanie s benzínom sa vyžaduje vyššia čistota. To znamená, že surový bioetanol sa musí odvodňovať. Po odvodnení vzniká lieh s obsahom 99,9 % etanolu a tento už je možné použiť ako prísadu do bezolovnatých benzínov (syntéza etyl - terc - butyl – éteru, tzv. ETBE). Pridaním do klasických pohonných hmôt zlepšuje ich oktánové číslo a spaľovanie, čo vedie k zníženiu obsahu niektorých škodlivých látok vo výfukových plynoch, najmä emisií CO2. Vlastnosti etanolu a ich porovnanie s ďalšími palivami sú v uvedené Tab. 1. Tab. 1 Vlastnosti etanolu a ich porovnanie s metanolom a klasickými palivami Parameter Energetická hodnota [MJ/kg] Bod varu [°C] Oktánové číslo [-]
Etanol 26,9 78,3 106
Metanol 21,3 64,5 105
Benzín 43,7 99,2 79-98
Nafta 42,7 140-360 -
Ako alternatívne paliva je možné využiť tiež metanol, ktorý je možné získať z obnoviteľných zdrojov energie, a ktorý má vysokú energetickú hustotu. Jeho nevýhodou je korozívny účinok na kovové materiály a vysoká toxicita. Detergentne pôsobí na olejový film a negatívne na plastické materiály. Z týchto dôvodov nie je možné použiť ako nádrž metanolu klasické nádrže na benzín alebo naftu. Metanol môže byť taktiež použitý pri výrobe metyl - terc -butyl - éteru, tzv. MTBE, ktorý je možné pridávať do benzínu. MTBE má oktánové číslo motorovou metódou 101, cetánové číslo 12, výhrevnosť 26,3 MJ na liter – pri 25 °C. Nevýhodou MTBE je veľká rozpustnosť vo vode, čo je neprípustné z hľadiska rizika možnej kontaminácie spodných vôd. Pre uvedené nevýhody sa tieto alternatívne palivá v sériovej výrobe zatiaľ asi neobjavia.
/ 142 /
Energie z biomasy VII. – odborný seminář
Brno 2007
VÝROBA METYLESTEROV MASTNÝCH KYSELÍN Z REPKY OLEJNEJ Aby bolo možné olej získaný zo semien repky olejnej použiť priamo v bežných dieselových motoroch, je nutné tento surový olej upraviť procesom, ktorý sa nazýva esterifikácia. Pri esterifikácii sa znižuje viskozita oleja pomocou jednoduchých alkoholov. Pri výrobe MERO sa vychádza z repkového oleja a metanolu. Repkový olej je potrebné pred vstupom do reakcie s metanolom defosforizovať. Následne sa vylisovaný repkový olej mieša s metanolom za prítomnosti katalyzátorov (hydroxid sodný, hydroxid draselný). Z reakčných produktov sa následne odstraňuje vzniknutý glycerol, prebytočný metanol a zvyšky katalyzátora. V SR sa súčasnosti pracuje na návrhu novely zákona o spotrebnej dani z uhľovodíkových palív a mazív, ktorý by definoval nové ekologické palivo obsahujúce min. 30 % MERO. Zvyšok by tvorila fosílna nafta s min. obsahom síry, tzv. city nafta. Takéto zmesné palivo by malo podstatne lepšiu biologickú odbúrateľnosť ako fosílna nafta a taktiež zloženie výfukových plynov by bolo oveľa výhodnejšie.
Obr. 1 Odhad úrody repky olejnej k 15. 8. 2007 v jednotlivých krajoch SR Priemerný výnos repky olejnej na Slovensku sa pohybuje okolo 2,8 t·ha-1, pričom na výrobu 1 tony repkového oleja sa spotrebuje asi 2,3 tony semien repky olejnej za súčasného vzniku asi 1,3 tony pokrutín. Odhad úrody repky olejnej k 15. 8. 2007 v jednotlivých krajoch SR je zobrazený na Obr. 1. Aj keď na technické využitie postačuje, aby repkový olej prešiel iba základnou rafináciou, kedy sa získava tzv. polorafináda, je výroba MERO v porovnaní so spracovávaním ropy zatiaľ nákladná a taktiež predstavuje záťaž pre životné prostredie. Pri technológii výroby MERO vzniká veľa odpadových produktov, ktoré je potrebné likvidovať. Odpadová voda je znečistená hydroxidom draselným. Rafináciou a vákuovou destiláciou je nutné čistiť aj získaný surový glycerín, ktorý sa využíva v kozmetickom, farmaceutickom, či potravinárskom priemysle. MOŽNOSTI VÝROBY BIOETANOLU Bioetanol je možné získať bežným fermentačným procesom z obilia, melasy či zemiakov. Počas fermentácie sa uvoľňuje a vypúšťa do atmosféry CO2, ktorý sa však v nadväznosti na Kjótsky protokol nepovažuje za odpad – vypúšťa sa iba také množstvo, ktoré rastlina spotrebovala počas svojho rastu. Otázkou však je, či by nebolo vhodné od vypúšťaní tohto skleníkového plynu do ovzdušia upustiť, keď je pri fermentačnom procese zadržaný a nezvyšovať tak jeho koncentráciu v atmosfére. Hlavným odpadom pri výrobe bioetanolu sú však liehovarské výpalky. Na 1 m3 liehu pripadá asi 10 až 14 m3 riedkych výpalkov. Sušené obilné výpalky sú vynikajúcim krmivom, ale vzhľadom ku kvótam zo strany EÚ, ktoré obmedzujú produkciu masa v SR, budú ako krmivo sotva použiteľné. Prebytok tohto krmiva bude síce možné
/ 143 /
Energie z biomasy VII. – odborný seminář
Brno 2007
exportovať, avšak s exportom bude opäť narastať doprava. Tým sa dostávame späť na začiatok problému podiel dopravy na spaľovaní pohonných hmôt. Možnosťou, ako využiť liehovarské výpalky je výroba bioplynu. Bioplyn je možné získavať dvomi spôsobmi, a to mokrou fermentáciou (obsah sušiny do 12 %) a suchou fermentáciou (obsah sušiny 20 až 60 %). Častejšie používaná mokrá fermentácia pritom spracováva najmä exkrementy hospodárskych zvierat, avšak s obmedzením produkcie masa klesá i chov dobytka, čo má samozrejme vplyv i na dostupnosť surovín vhodných pre mokrú fermentáciu. Z tohto hľadiska sa javia riedke liehovarské výpalky ako vhodný produkt pre mokrú anaeróbnu fermentáciu. Na druhej strane výroba bioetanolu je spojená s vysokou energetickou náročnosťou, najmä potom proces destilácie si vyžaduje vysokú spotrebu tepelnej energie a zároveň i chladenia. Túto energetickú náročnosť by bolo možné pokryť kogeneračnou jednotkou spaľujúcou bioplyn. To by si však vyžiadalo výstavbu bioplynových staníc v blízkosti bioetanolových staníc. Schéma možnej spolupráce bioetanolovej a bioplynovej stanice je uvedené na Obr. 2.
Obr. 2 Schéma možnej spolupráce liehovaru a bioplynovej stanice ÚROVEŇ ZNÍŽENIA EMISIÍ Emisie zohľadňujú tiež energiu spotrebovanú na získavanie (ťažbu) a spracovanie vstupnej suroviny. Táto energia sa však líši od prípadu k prípadu. Ťažba uhlia si vyžaduje viac energie ako ťažba ropy alebo zemného plynu. Spracovanie uhlia alebo biomasy si vyžaduje viac energie ako napr. výroba benzínu z ropy. Podobne je to tiež pri skvapalňovaní alebo stláčaní zemného plynu alebo vodíka. Emisie zohľadňujú tiež rozdiely v nárokoch na dopravu paliva. Emisie CO2 z biopalív sú nenulové, nakoľko na výrobu vstupnej suroviny sa v súčasnosti vo svete používajú hlavne fosílne palivá (doprava, hnojenie atď.) Miestne vyrábané alternatívne palivá z biomasy si však vyžadujú nižšie nároky na dopravu ako napr. benzín vyrábaný z ropy dopravovanej na veľké vzdialenosti. V Tab. 2 sú uvedené úrovne zníženia emisií oxidu uhličitého pre niekoľko alternatívnych palív. Emisie uvedené v tabulke sa vzťahujú na štandardné 4-sedadlové osobné vozidlo so 40 % zaťažením.
/ 144 /
Energie z biomasy VII. – odborný seminář
Brno 2007
Tab. 2 Úroveň zníženia emisií oxidu uhličitého pre niektoré alternatívne palivá Palivo (vstupná surovina)
Emisie CO2 [g/km]
Benzín (ropa) Metanol (uhlie) Vodík (uhlie) Etanol (obilie) Metanol (zemný plyn) Vodík (zemný plyn) Stlačený zemný plyn Vodík (drevo) Metanol (drevo) Vodík (elektrina zo slnka) Etanol (drevo)
293 463 445 281 274 219 216 73 50 0 -27
Zmena v porovnaní s benzínom [%] 53 52 -6 -6 -25 -26 -75 -83 -100 -109
ENERGETICKÁ BILANCIA Z hľadiska produkcie ktoréhokoľvek paliva má význam zamýšľať sa tiež nad tým, aká je energetická bilancia celého procesu výroby a aký je podiel obnoviteľných zdrojov na tejto výrobe. Je zrejmé, že čím je nižší podiel fosílnych palív vo výrobe, tým je palivo výhodnejšie z hľadiska trvalo udržateľného vývoja a znižovania spotreby fosílnych palív. Energetická bilancia pre najrozšírenejšie druhy palív je uvedená v Tab. 3. Tab. 3 Energetická bilancia rôznych druhov palív Palivo (vstupná surovina) Nafta (ropa) Benzín (ropa) Propán (ropa) Zemný plyn Zemný plyn Bionafta MERO (repka) Bioplyn (lucerna) Metanol (benzín) Metanol (zemný plyn) Metanol (uhlie) Metanol (drevo) Etanol (obilie) Etanol (drevo)
Vložená energia (fosílne zdroje) [GJ] 114 121 116 114 (CNG) 129 (LNG) 34 30 119 140 184 10 10 8
Vložená energia (OZE) [GJ] 0 0 0 0 0 112 144 0 0 0 194 193 228
Získaná energia [GJ] 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100
ZÁVER Biopalivá, ktoré je možné vyrobiť na báze obnoviteľných zdrojov z biomasy, predstavujú krátkodobom časovom horizonte alternatívu za klasické motorové paliva, avšak proces ich výroby musí splňovať technologické a ekologické požiadavky a mal by si vyžadovať nízku energetickú náročnosť. Na tento aspekt by mali prihliadať nielen vlády jednotlivých krajín pri svojej energetickej politike, ale i EÚ. Nahradzovanie fosílnych palív palivami z obnoviteľných zdrojov energie a s tým súvisiace znižovanie emisií skleníkových plynov, nemôže byť postavené iba na zvyšovaní produkcie biopalív. Výroba biopalív je zatiaľ väčšinou spojená s vysokou energetickou náročnosťou, na ktorej sa vo veľkej miere podieľajú tradičné konvenčné palivá. Preto je potrebné zodpovedne pristupovať taktiež k úsporám energie, hlavne v doprave a ekonomicky využívať technológie pracujúce na báze obnoviteľných zdrojov energie.
/ 145 /
Energie z biomasy VII. – odborný seminář
Brno 2007
Predpokladá sa, že do roku 2010 vzrastie potreba motorových palív o 30 %. Úmerne s týmto nárastom by mala narastať i výroba biopalív. Odhaduje sa, že v roku 2010 sa biopalivá budú na trhu motorových palív podieľať aspoň 7,5 %. To si však vyžiada nové kapacity na výrobu bioetanolu. V prípade rozšírenia využívania biopalív budú plodiny pre ich výrobu konkurovať potravinám a plodinám pre poľnohospodárske zvieratá a môžu ich vytláčať z pôdy. Pre rozvojové krajiny to môže znamenať ďalšie zníženie produkcie potravín, potravinovú závislosť, prípadne hrozbu hladomoru. Podľa štúdie EEA by si dosiahnutie cieľa 5,75 % podielu biopalív na celkovom množstve palív vyžadovalo pestovanie príslušných plodín na 4 – 13 % celej poľnohospodárskej pôdy v EÚ. Biopalivá môžu priniesť niekoľko environmentálnych benefitov, ako je zníženie znečistenia vzduchu či množstva odpadu. Na druhej strane rastie riziko intenzívnejšieho využívania hnojív a pesticídov pre energetické plodiny, riziko zníženia biodiverzity a zhoršenia kvality pôdy. Produkcia energetických plodín pre export môže v rozvojových krajinách viesť k ďalšiemu zániku pôvodných ekosystémov, najmä lesov. Výstavba tovární na výrobu alternatívnych palív, zavedenie nových typov motorov a prispôsobenie palivového distribučného systému to všetko si vyžaduje dlhodobé investície, ktoré potrebujú stabilné prognózy o dopyte na trhu. Znamená to, že opatrenia na strane zásobovania musia byť doplnené o efektívny trhový systém. Budú potrebné dodatočné investície na to, aby sa začali používať nové technológie. Ak majú byť procesy súvisiace s biopalivami druhej generácie efektívne v obchodnej oblasti, významnú úlohu bude zohrávať i lesníctvo a odpadové materiály . POUŽITÁ LITERATURA [1] MATĚJOVSKÝ, V. (2005): Automobilová paliva , GRADA, Praha [2] KAMEŠ, J. (2004): Alternatívni pohony automobilu, BEN, Praha [3] MIKULÍK, M., MÜLLEROVÁ, J. (2007): Technológia výroby metylesterov repky olejnej. Energie z biomasy VI, sborník příspěvků ze semináře, VŠB-TU Ostrava, ISBN 978-80-248-1535-0, s. 60-65 [4] JANDAČKA, J., MALCHO, M., MIKULÍK, M. (2007): Technológie pre prípravu a energetické využitie biomasy. Jozef Bulejčík, 010 01 Mojš, Žilina, ISBN 978-80-969595-3-2, s. 222 [5] VLK, F. (2004): Alternatívni pohony motorových vozidel, Brno [6] JANDAČKA, J., MIKULÍK, M. (2007): Technológie pre zvyšovanie energetického potenciálu biomasy. Metodická príručka. Jozef Bulejčík, 010 01 Mojš, Žilina, ISBN 978-80-969595-4-9, s. 110 [7] BOHÁČIK, Ľubomír - HLOCH, Sergej: Termomechanika : Vybrané state pre externé štúdium, Prešov : Ikaro spol. s.r.o., 2006. 225. ISBN 80-8073-465-8. (strany - 225, 2006), Prešov, SR
/ 146 /
