Marcin Matyjasik
PALIWA ALTERNATYWNE DO SILNIKÓW SPALINOWYCH
Pojęcie alternatywa:
Alternatywa kojarzona jest z możliwością wyboru. Podobnie rzecz się ma w odniesieniu do transportu. Logika podpowiada więc, że za paliwo alternatywne można by uznać każdy rodzaj paliwa, który może zostać użyty zamiast konwencjonalnych metod napędzania pojazdów. W rzeczywistości jednak istnieją rozbieżności zdań co do tego, które paliwo zaliczyć do grupy alternatywnych, a które nie. Stosunkowo prostą definicję proponuje słownik biznesu. Zgodnie z nią paliwa alternatywne to „przyjazne środowisku substytuty (jak np. sprężony gaz ziemny, etanol, metanol) produktów wytwarzanych w oparciu o paliwa kopalne, do których należą benzyna, diesel oraz nafta”. Z kolei prawo federalne Stanów Zjednoczonych do paliw alternatywnych zalicza płynny gaz ropopochodny (LPG), sprężony gaz ziemny (CNG), płynny gaz ziemny (LNG), płynny wodór, płynne paliwa uzyskane z węgla w procesie Fischera-Tropscha, płynne węglowodory otrzymane z biomasy, a także całkowicie innowacyjne paliwa serii P (ang.: P-series fuels). Natomiast biodiesel, etanol i olej napędowy pozyskiwany ze źródeł odnawialnych zaliczają się do kategorii „płynnych węglowodorów otrzymywanych z biomasy” i zostały wykluczone z definicji. Komisja Europejska w swojej polityce energetycznej w pierwszym rzędzie postawiła na biopaliwa, ale w aktach prawnych jeszcze z początku obecnej dekady jako przykłady paliw alternatywnych podawała również LPG, CNG, wodór czy elektryczność. W literaturze przedmiotu można też spotkać stwierdzenia, że LPG nie może zostać zaliczone do paliw alternatywnych z tego względu, że jest produktem ropopochodnym. Dodatkową komplikację stanowi tutaj fakt wykorzystywania licznych paliw alternatywnych także do innych, poza transportowymi, celów.
Biopaliwa:
Najpopularniejsza w Europie definicja biopaliw została ujęta w Dyrektywie 2003/30/WE i określa je jako „płynne lub gazowe paliwo dla transportu, produkowane z biomasy”, przy czym biomasa to „ulegającą biodegradacji część produktów, odpadów lub pozostałości z rolnictwa (łącznie z substancjami roślinnymi i zwierzęcymi), leśnictwa i związanych działów przemysłu, a także ulegającą biodegradacji część odpadów przemysłowych i miejskich”. Do biopaliw zaliczone zostały bioetanol, biodiesel, biogaz, biometanol, biodimetyloeter, bio-ETBE, bio-MTBE, biopaliwa syntetyczne, biowodór oraz czysty olej roślinny, a zatem substancje zarówno w formie stałej, ciekłej, jak i gazowej. W chwili teraźniejszej praktycznie całą konsumpcję biopaliw w sektorze transportu opanowały bioetanol, biodiesel oraz biogaz. Tradycyjne silniki diesla i benzynowe są w stanie pracować przy wykorzystaniu biodiesla bądź bioetanolu wyłącznie w niskoprocentowych mieszankach. Najpopularniejszym biopaliwem płynnym stał się, jak do tej pory, powstający wskutek fermentacji alkoholowej biomasy bioetanol (alkohol etylowy), który stanowi 90% wszystkich wykorzystywanych biopaliw ciekłych. Jako dodatek (z reguły 5-10%) do tradycyjnych paliw silników spalinowych lub samodzielne paliwo przynosi wiele korzyści, w tym między innymi mniejszą zawartość w spalinach takich niebezpiecznych substancji, jak tlenek węgla, węglowodory, tlenki azotu, związki siarki czy cząstki stałe. Biodiesel należy rozumieć jako paliwo do silników wysokoprężnych stanowiące w 100% metylowe (lub etylowe) estry kwasów tłuszczowych (tzw. B100) albo zawierające biologiczny komponent tych estrów (tzw. B20 - 20% biodiesla i 80% oleju napędowego; B80 - 80% biodesla i 20% oleju napędowego lub inne proporcje). Do jego głównych zalet, poza mniejszą emisją spalin (o 75%) i dwutlenku węgla niż w przypadku tradycyjnego oleju napędowego, są np. lepsze właściwości smarne silnika czy większa wydajność. Co więcej, do jego produkcji można wykorzystać każdego rodzaju tłuszcz lub olej roślinny, także olej posmażalniczy z hoteli, restauracji czy prywatnych gospodarstw domowych. Z kolei najpopularniejszym biopaliwem w stanie lotnym jest tzw. biogaz, uzyskiwany w procesie fermentacji beztlenowej z roślin, ścieków bądź różnego rodzaju odpadów. Nazywany jest on również gazem wysypiskowym, agrogazem (można go pozyskać z roślin albo gnojowicy lub obornika, wówczas pozostałością po produkcji jest cenny nawóz) lub syntetycznym gazem ziemnym (ang.: Synthetic Natural Gas - SNG). Na wysypiskach powstaje samoistnie, dlatego też stanowi wielką szansę na pozyskiwanie względnie taniego paliwa alternatywnego w wielkich skupiskach miejskich, dzięki stacjom umożliwiającym jego otrzymywanie z odpadów komunalnych bądź osadów ściekowych. Dodatkowym pozytywnym aspektem biogazu jest jego skład chemiczny (głównie metan, dwutlenek węgla, a także tlen, azot i gazy śladowe), podobny do składu gazu ziemnego (patrz dalej), dzięki czemu niejednokrotnie można ich używać zamiennie. Po oczyszczeniu biogaz może sam zasilać pojazdy mechaniczne lub też posłużyć jako domieszka do gazu ziemnego.
Zastosowanie biopaliw pociąga za sobą szereg pozytywnych, ale i negatywnych zjawisk. Dobre strony związane są między innymi z przedstawionym powyżej niezrównoważonym rozwojem transportu. Redukcja emisji dwutlenku węgla oraz innych gazów cieplarnianych i toksyn, biodegradowalność, wzrost samowystarczalności energetycznej i dywersyfikacja źródeł energii na szczeblu krajowym i międzynarodowym (w przypadku ugrupowań integracyjnych, takich jak UE) to najczęściej wymieniane zalety. Do tego trzeba dodać kwestie natury technicznej, jak np. większa wydajność pojazdów, oszczędność silnika czy mniejsza korozja układu wydechowego. Oczywiście końcowy efekt zależy tutaj często od rodzaju biomasy (gatunków roślin, rodzaju odpadów itp.) oraz technologii produkcji, ale też konstrukcji samych pojazdów. Dużą zaletą jest możliwość stosowania biopaliw w oparciu o dotychczasową infrastrukturę i istniejące pojazdy. Stosowanie biopaliw ma też pozytywny wydźwięk o charakterze społeczno-gospodarczo-politycznym. Mianowicie wskutek rozwoju technologii upraw w wielu rozwiniętych krajach uwolnione zostały znaczne obszary ziemi rolnej. Wykorzystanie ich pod uprawę roślin energetycznych powinno przywrócić utracone miejsca pracy w rolnictwie, zapewnić rolnikom większe dochody, zmniejszyć różnice w poziomie rozwoju regionów, a także przyspieszyć innowacje w tym sektorze (np. często do produkcji biopaliw wykorzystuje się gatunki zmodyfikowane genetycznie - ang.: Genetic Modifies Organizm - GMO). Coraz częściej jednak podkreślane są negatywne zjawiska wynikające z wytwarzania biopaliw. Możliwość stosowania wyłącznie mieszanek w silnikach tradycyjnych i konieczność konstrukcji nowych pojazdów dostosowanych do spalania ich w czystej postaci to tylko czubek góry lodowej. Choć niewątpliwie przynależność do grupy paliw odnawialnych przemawia na ich korzyść, to sam proces produkcji podlega coraz szerszej krytyce. Po pierwsze więc, pozyskiwanie biomasy często odbywa się w wyjątkowo nieekologiczny sposób. Na przykład państwa europejskie nie mają wystarczającego potencjału rolniczego, aby zapewnić produkcję biomasy chociażby na poziomie niezbędnym do osiągnięcia zadeklarowanych progów, w związku z czym decydują się na jej import, najczęściej z krajów stosunkowo mało rozwiniętych, np. Indonezji, Malezji czy Brazylii (ta ostatnia jest największym eksporterem biomasy na świecie, ale kosztem Puszczy Amazońskiej). Kraje te w szybkim tempie wycinają lasy, co doprowadzić może wkrótce do katastrofy ekologicznej. Do tego dochodzą koszty techniczno-eksploatacyjne (niekoniecznie wysokie) oraz zewnętrzne (już nieco wyższe) transportu drogą morską. Już z tych powodów powszechne wykorzystanie biopaliw w ich obecnym kształcie stoi pod znakiem zapytania. Na przykład, aby do 2020 r. w Stanach Zjednoczonych 300 mln pojazdów mogło być napędzanych biopaliwem z kukurydzy, areał upraw musiałby wzrosnąć z 19% do 33% powierzchni kraju. Ponadto przetwarzanie biomasy w biopaliwa (zwłaszcza bioetanol) wymaga wykorzystania dużej ilości energii, która przeważnie pochodzi ze źródeł kopalnych. Mamy więc tutaj swego rodzaju paradoks, bowiem do atmosfery i tak uchodzi mnóstwo gazów cieplarnianych. Kolejna kwestia wiąże się z zauważalną konkurencją pomiędzy alternatywnym przeznaczeniem płodów rolnych. Skoro część rolników rezygnuje z produkcji żywności na rzecz produkcji roślin na biomasę, logiczną konsekwencją powinien być wzrost cen żywności. Bank Światowy uważa jednak, że oddziaływanie to jest nieznaczne. Znaczący za to jest problem natury moralnej - przeznaczanie coraz większej ilości produktów rolnych do napędzania pojazdów na świecie, w którym miliony ludzi umiera z głodu. Argumenty przeciwko wykorzystywaniu biopaliw ze względu na wielorakie skutki społeczno-gospodarcze ich produkcji przedstawiła ONZ ds. Energii w raporcie z 2007 r.. Negatywne stanowisko w kwestii zwiększania udziału biopaliw w zużyciu energii zajmuje również ONZ ds Wyżywienia i Rolnictwa oraz przedstawiciele OECD. Sama Komisja Europejska przyznała w raporcie „ Well to Wheels” opublikowanym w 2006 r., że biopaliwa mogą znaleźć lepsze zastosowanie w produkcji energii aniżeli w transporcie. Ponadto, dążąc do ograniczenia importu tanich biokomponentów z krajów np. Ameryki Południowej, od końca 2010 r. Unia chce wprowadzić nowy system certyfikowania biopaliw, co ma ograniczyć pozyskiwanie biomasy z lasów rosnących na obszarach chronionych.
Zarysowane powyżej problemy wiążą się z produkcją bioetanolu oraz biodiesla, a zatem biopaliwami tzw. pierwszej generacji. Pod względem technologicznym ich produkcja ma jednak stanowić tylko krok pośredni w kierunku opracowania oraz wytwarzania bardziej opłacalnych i ekologicznych paliw. Do biopaliw drugiej generacji zalicza się np. bioetanol otrzymywany wskutek bardziej zaawansowanych procesów, biopaliwa syntetyczne, biodiesel otrzymywany w wyniku hydrogenizacji olejów roślinnych i tłuszczów zwierzęcych, biowodór i wspomniany już biogaz (SNG). Póki co, może poza biogazem, można je traktować jako „paliwa przyszłości”, ponieważ ich komercjalizacja się nie opłaca, a i tak mają stanowić etap przejściowy w kierunku biopaliw trzeciej i czwartej generacji, czyli biowodoru (pozyskiwanego w bardziej ekonomiczny i ekologiczny sposób) i biometanolu.
Do zwiększenia zużycia biopaliw (z powodów zarysowanych powyżej, czyli głównie zmniejszenia zanieczyszczeń oraz dywersyfikacji energetycznej) dąży w swej polityce wiele państw, a także UE. We wspomnianej Dyrektywie z 2003 r. wskazano cele dotyczące biopaliw, które wyniosły 2% w ogólnym użyciu paliw w 2005 r. oraz 5,75% w 2010 r. łącznie dla całej Wspólnoty. Ponadto każdy kraj członkowski został zobowiązany do zdefiniowania celów krajowych (chociaż pod względem prawnym nie istnieje obowiązek ich realnego osiągnięcia) oraz do corocznego składania
raportów z postępów w prowadzeniu polityki na rzecz biopaliw. Z różnych powodów założeń tych nie udało się do końca zrealizować. W styczniu 2007 r. ukazał się pakiet działań na rzecz bardziej zdecydowanej polityki transportowej. Jednym z zawartych w nim priorytetowych celów jest osiągnięcie do 2020 r. 15% udziału energii odnawialnej w ogólnym zużyciu energii w państwach członkowskich, a dodatkowo zwiększenie udziału biopaliw do co najmniej 10% w ogólnym zużyciu paliw. Ale biopaliwa stosowane są też w innych częściach świata. Stany Zjednoczone, które można określić mianem „królestwa motoryzacji”, również stawiają na paliwa alternatywne i to nierzadko z podobnych przyczyn, co Europa. Przykładem „zielonego paliwa” jest tutaj między innymi gaz syntezowy otrzymywany z biomasy metodą Fischera-Tropscha czy paliwa pochodzące z biomasy z alg morskich, dzięki którym powstaje biodiesel, „zielony diesel” i paliwo lotnicze.
CNG i LNG:
Kolejną alternatywę dla paliw kopalnych w transporcie stanowi coraz popularniejszy gaz ziemny, złożony w 90-97% z metanu. Ze względu na małą objętość w stanie naturalnym, aby zasilać układ napędowy pojazdów musi zostać sprężony pod ciśnieniem około 20 MPa (200 atm) i występuje wówczas pod nazwą CNG (ang. Compressed Natural Gas, czyli sprężony gaz ziemny) lub skroplony w temperaturze rzędu -162°C (ang. Liquefied Natural Gas - LNG, czyli skroplony lub płynny gaz ziemny, rzadziej wykorzystywany w transporcie aniżeli CNG). Do głównych cech gazu ziemnego czyniących z niego atrakcyjne paliwo należą właściwości fizykochemiczne, jak duża wartość energetyczna i liczba oktanowa, właściwości przeciwstukowe itp., dzięki którym pojazdy napędzane za jego pomocą (ang.: Natural Gas Vehicles - NGV) charakteryzują się mniejszym wydzielaniem toksycznych związków i gazów cieplarnianych czy mniejszym hałasem. Na przykład w porównaniu do silników diesla, z układu wydechowego samochodów gazowych do atmosfery emitowane jest o 85% mniej tlenków azotu, o 99% mniej tlenku węgla i o 85% mniej niespalonych węglowodorów, nie tworzą się też cząstki stałe. Skład cząsteczki metanu odpowiada za bardziej ekologiczny przebieg procesu spalania, niemożliwy w przypadku ropopochodnych paliw płynnych, z LPG włącznie.
Pierwsze silniki napędzane gazem ziemnym powstały już w drugiej połowie XIX wieku. Relatywnie duże zasoby naturalne, wysokie bezpieczeństwo użytkowania NGV, opanowanie technologii, a także względnie proste magazynowanie, dystrybucja i użytkowanie sprawiają, że obecnie CNG pretenduje do miana najbardziej atrakcyjnego paliwa alternatywnego. W przeciwieństwie jednak do opisanych powyżej biopaliw w postaci bioetanolu oraz biodiesla, jego stosowanie wymaga albo przystosowania silnika do spalania gazu już w procesie produkcyjnym, albo też założenia instalacji CNG przez indywidualnych użytkowników, podobnie jak w przypadku LPG. W praktyce najczęściej można spotkać układy dwupaliwowe, w których silnik może być zasilany zamiennie benzyną lub gazem ziemnym, ale występują też pojazdy napędzane wyłącznie CNG lub mieszanką gazu i oleju napędowego, jeśli są wyposażone w silnik wysokoprężny.
Dodatkową zaletę CNG stanowi ekonomia jazdy. Użyteczna wartość 1 m3 tego paliwa wynosi tyle samo, co 1,1 l LPG oraz 1,27 l benzyny. Mówiąc inaczej, aby przejechać podobny dystans, płacimy w przybliżeniu czterokrotnie mniej niż w przypadku benzyny. Oczywiście, jeśli istnieją dobre strony, muszą też się znaleźć negatywne. W odniesieniu do CNG polegają one przede wszystkim na wysokiej cenie instalacji CNG (dwu- do czterokrotnie wyższej niż dla LPG) oraz fabrycznych pojazdów napędzanych CNG, a także słabo rozwiniętej (przynajmniej w Polsce, gdzie funkcjonuje nieco ponad 30) sieci stacji, co utrudnia praktyczne wykorzystanie tego paliwa. Pojazdy z układami dwupaliwowymi mogą przejechać na pełnym „baku” od 250 do 500 km, ale jeśli w pobliżu nie ma stacji, co dalej? Natomiast już teraz wielka przyszłość rysuje się dla zastosowania CNG w komunikacji miejskiej i pojazdach wykorzystywanych w ramach usług komunalnych (np. wywóz śmieci). Jako ciekawostkę można podać fakt, że ekologiczne samochody dostawcze i ciężarowe częściej korzystają z (jednopaliwowego bądź dwupaliwowego łącznie z olejem napędowym) napędu na LNG aniżeli CNG, a to ze względu na mniejszą przestrzeń, jaką zajmuje LNG niezbędny do pokonania dłuższych dystansów.
Jak podaje PGNiG, w 2008 r. na świecie w użyciu znajdowało się ponad 9 milionów samochodów zasilanych CNG i działało 14 000 stacji sprzedających to paliwo. W krajach, w których w największym stopniu wykorzystuje się NGV to Stany Zjednoczone, Japonia, Argentyna, Brazylia i Iran, a w Europie - Niemcy, Francja, Włochy, Czechy, Rosja czy Ukraina. Nie bez znaczenia jest tu polityka tych państw, polegająca często na ekonomicznych ulgach i zachętach do korzystania z NGV.
Wodór:
Wodór traktowany jest jako paliwo przyszłości. Mimo to obecnie jego zastosowanie w transporcie jest bliskie zeru, a to z uwagi na kilka podstawowych przyczyn. Po pierwsze, wodór nie występuje w przyrodzie w stanie wolnym i należy go w jakiś sposób pozyskać. Istnieje kilkanaście metod pozwalających otrzymać wodór, z których w praktyce można zastosować parę (np. elektroliza wody lub mało ekologiczny reforming gazu ziemnego), ale i tak są one energo- i kosztochłonne, a w połączeniu z innymi czynnikami - nieopłacalne, aby otrzymany wodór wykorzystać powszechnie do napędzania samochodów. Po drugie, wodór jest trudny do zmagazynowania i wymaga zastosowania drogich zbiorników, co wpływa też na konstrukcję samych pojazdów. Po trzecie, właściwości wodoru jako paliwa sprawiają, że nie nadaje się zbytnio do zasilania silników spalinowych. Rozwiązaniem tego ostatniego problemu są tzw. ogniwa paliwowe, których technologia opiera się na rozszczepianiu atomów wodoru na protony i elektrony, w wyniku czego otrzymywana jest energia elektryczna do napędu pojazdu. Dzięki temu groźne dla środowiska i człowieka spaliny zamieniłyby się w parę wodną (ewentualnie ze śladowymi ilościami innych substancji) oraz ciepło, a powszechne stosowanie takich samochodów zlikwidowałoby hałas drogowy. Pierwsze pojazdy napędzane wodorem pojawiły się (oczywiście nie w seryjnej produkcji) już na początku lat dziewięćdziesiątych (model HR-X Mazdy), a obecnie koncerny motoryzacyjne wyprzedzają się z prezentacjami coraz to nowszych modeli. Na kupno bądź przejażdżkę takimi prototypami stać jednak tylko nielicznych. Wskutek zasygnalizowanych powyżej problemów pojazdy napędzane wodorem są zbyt drogie do seryjnej produkcji (np. Honda FCX Concept z 2007 r. kosztowała około miliona euro), co dodatkowo pogłębia fakt, że codzienna eksploatacja wymaga drogiego wodoru. Mimo to optymiści i zwolennicy zrównoważonego transportu twierdzą, że już w przyszłej dekadzie pojawi się możliwość komercjalizacji wodoru jako paliwa. A wówczas byłby on szansą na zdecydowanie bardziej ekologiczny transport aniżeli np. zasilany CNG.
Źródła: