biopaliwa
Co to są biopaliwa? Podział biopaliw.
Biopaliwo - paliwo powstałe z przetwórstwa produktów organizmów żywych np. roślinnych, zwierzęcych czy mikroorganizmów.
Wyróżnia się biopaliwa:
stałe - słoma w postaci bel lub kostek albo brykietów, granulat trocinowy lub słomiany - tzw. pellet, drewno, siano i inne przetworzone odpady roślinne;
ciekłe - otrzymywane w drodze fermentacji alkoholowej węglowodanów do etanolu, fermentacji butylowej biomasy do butanolu lub z estryfikowanych w biodiesel olejów roślinnych (np. olej rzepakowy);
gazowe - powstałe w wyniku fermentacji beztlenowej ciekłych i stałych odpadów rolniczej produkcji zwierzęcej (gnojowica, obornik, słoma, etc.) - biogaz; powstałe w procesie zgazowania biomasy -- gaz generatorowy (gaz drzewny).
Biopaliwa stałe.
Biopaliwa stałe używane mogą być na cele energetyczne w procesach bezpośredniego spalania, gazyfikacji. Różnorodność materiału wyjściowego i konieczność dostosowania technologii oraz mocy powoduje, iż biopaliwa wykorzystywane są w rożnej postaci. Drewno w postaci kawałkowej, rozdrobnionej (zrębków, ścinków, wiórów, trocin, pyłu drzewnego) oraz skompaktowanej (brykietów, peletów). Słoma i pozostałe biopaliwa z roślin nie-zdrewniałych są wykorzystywane w postaci sprasowanych kostek i balotów, sieczki jak też brykietów i peletów.
W warunkach polskich, w najbliższej perspektywie można spodziewać się, znacznego wzrostu zainteresowania, wykorzystaniem biopaliw z drewna i słomy. Wykorzystanie osadów ściekowych i makulatury jest marginalne. Naturalnym kierunkiem rozwoju wykorzystania biopaliw z drewna i słomy jest i będzie produkcja energii cieplnej.
Pod względem energetycznym 2 tony biomasy równoważne są 1 tonie węgla kamiennego. Także pod względem ekologicznym biomasa jest lepsza niż węgiel gdyż podczas spalania emituje mniej SO2 niż węgiel. Bilans emisji dwutlenku węgla jest zerowy ponieważ podczas spalania do atmosfery oddawane jest tyle CO2 ile wcześniej rośliny pobrały z otoczenia. Biomasa jest zatem o wiele bardziej wydajna niż węgiel, a w dodatku jest stale odnawialna w procesie fotosyntezy.
Biopaliwa ciekłe.
Zastosowanie olejów roślinnych do napędzania silników z zapłonem samoczynnym (diesla) było przedmiotem zainteresowania inżynierów już na początku XX wieku. Tym, który dał życie silnikowi z zapłonem samoczynnym był Rudolf Diesel. W kwietniu 1900 roku przedstawił na Wystawie Światowej w Paryżu silnik swojej konstrukcji napędzany olejem arachidowym (z orzeszków ziemnych). Rudolf Diesel widział przed swoim silnikiem wielką przyszłość. W pewnym stopniu jego pomysł nie podobał się producentom ropy, która wówczas była głównym paliwem do silników spalinowych. Niestety 13 lat później zmarł, a idea wykorzystania olejów roślinnych jako paliwa odeszła w zapomnienie. Jak się okazało kwestią czasu był powrót do rozwiązań znanych ponad 100 lat temu.
Powszechnie używając zwrotu biopaliwa mamy na myśli takie biokomponenty jak:
- bioetanol - produkowany ze zbóż, kukurydzy, ziemniaków, kukurydzy i buraków cukrowych - dodawany do benzyn
- estry metylowe lub etylowe - otrzymywane w procesie przetwarzania rzepaku - dodawane do oleju napędowego
Co to jest biodiesel? Estry często nazywa się biodiesel'em. Jest to ekologiczne, nietoksyczne i odnawialne paliwo ulegające rozkładowi biologicznemu, o niemal identycznych właściwościach jak olej napędowy.
Biodiesel to mieszanka oleju napędowego i dodatków pochodzenia roślinnego tzw. estrów (metylowych lub etylowych) wyższych kwasów tłuszczowych. Estry otrzymuje się np. z rzepaku.
Obecnie znanych jest kilka metod produkcji biopaliwa z olejów roślinnych: kraking termiczny i katalityczny, elektroliza i metoda transestryfikacji. Na skalę przemysłową zastosowanie znalazła głównie metoda transestryfikacji.
TRANSESTRYFIKACJA- polega na otrzymywaniu estrów niższych alkoholi i wyższych kwasów tłuszczowych olejów roślinnych w reakcji mieszaniny oleju z alkoholem etylowym lub metylowym w obecności katalizatora alkalicznego. W wyniku reakcji transestryfikacji alkoholem oleju powstają estry alkoholi i glicerol.
Urządzeniem służącym do produkcji estrów olejów roślinnych jest estyrfikator.
Proces: Ideą produkcji biopaliwa z oleju rzepakowego jest reakcja podwójnej wymiany triglicerydów i małocząsteczkowych alkoholi alifatycznych (C1 - C4, głównie metylowego) do estrów wyższych kwasów tłuszczowych i gliceryny wg reakcji tranestryfikacji:
Olej rzepakowy + Metanol = Diester + Gliceryna
1000kg + 100kg = 1000kg + 100kg
Definicje wprowadzone ustawą o biopaliwach
Biokomponenty - ester lub bioetanol
Ester - estry metylowe albo etylowe wyższych kwasów tłuszczowych
Bioetanol - odwodniony alkohol etylowy
Biopaliwa - paliwa z zawartością powyżej 5% biokomponentów
Paliwa ciekłe - paliwa z zawartością do 5% biokomponentów
Doświadczenia innych krajów Wieloletnie doświadczenia krajów Europy Zachodniej, które produkują paliwa z 5% dodatkiem estru rzepakowego wykazują, że:
- nie ma negatywnych skutków na silniki, wręcz odwrotnie - następuje poprawa właściwości paliw
- nie wymagane są żadne dostosowania silników nawet starszych modeli
- stosowanie biokomponentu jest popierane przez koncerny samochodowe (np. Peugeot, Renault, Iveco) i petrochemiczne (np. TotalFinaElf)
W Polsce podstawową rośliną oleistą do produkcji biopaliwa jest i pozostanie rzepak. Zastosowanie mogą tu znaleźć ponadto inne rosliny oleiste: słonecznik, arachid, palma itp.
Austriacka technologia produkcji estrów metylowych "BIO-DIESEL"
I. Rzepak - pierwszym etapem przedstawionej technologii produkcji biodiesela jest czyszczenie, suszenie i rozdrobnienie nasion. Następnie rozdrobnione nasiona są wytłaczane na tłoczniach ślimakowych, w wyniku czego otrzymujemy wodę, wytłok i olej surowy.
II. Olej rzepakowy - proces otrzymania oleju rzepakowego jako wyjściowego surowca do produkcji estrów oleju rzepakowego wymaga: rozdrobnienia nasion, tłoczenia oleju i filtracji. Proces uzyskiwania oleju z nasion może być wzbogacony ponadto o ekstrakcję, bielenie i ponowną filtrację.
W przedstawionej na powyższym schemacie technologii surowy olej poddawany jest rafinacji w celu usunięcia ewentualnych zanieczyszczeń i wolnych kwasów tłuszczowych.
Surowcem do produkcji biopaliwa może być olej surowy, rafinowany, a także olej zużyty w gastronomii. W przypadku użycia oleju gastronomicznego wymagane jest odfiltrowanie oleju, aby usunąć cząstki stałe oraz ewentualnie odwodnienie oleju, gdyż „przepracowane” oleje mogą zawierać pewne ilości wody.
III. RME (z ang. Rapsed Methyl Esters) - w ostatnim etapie produkcji biodiesela czyszczony olej rzepakowy i mieszanina katalityczna trafiają do reaktora gdzie następuje reakcja transestryfikacji. Następnie mieszanina kierowana jest do destylacji, podczas której następuje oddestylowanie metanolu. Dodatek kwasu ma na celu zneutralizowanie katalizatora alkalicznego, a wody - wpływa na ułatwienie rozdzielenia mieszaniny. W efekcie końcowym otrzymujemy: estry metylowe, odpady (woda, zneutralizowany katalizator), surowy glicerol.
Ogólnie można stwierdzić, że biopaliwa (biodiesel lub bioetanol) są ewidentnie droższe od paliwa otrzymywanego z ropy naftowej przy aktualnych jej cenach. Z szacunków wykonanych dla naszych warunków wynika, że koszt wytworzenia biopaliwa rzepakowego wynosi około 2,0 zł/litr, przy pominięciu wszystkich obciążeń fiskalnych, natomiast po zastosowaniu takiej samej akcyzy i podatku jak na olej napędowy z ropy naftowej, cena biodiesla wynosiłaby około 3,5 zł/litr. Podobnie przedstawia się rachunek ekonomiczny dla produkcji bioetanolu. W związku z tym we wszystkich krajach wprowadzeniu biopaliw płynnych towarzyszy pakiet rozwiązań prawno-finansowych umożliwiający zwolnienie ich produkcji z podatku akcyzowego lub obniżenie tego podatku na paliwa ropopochodne zawierające dodatek biopaliw.
Biopaliwa gazowe.
Metan powstaje w wyniku metanogenezy jako jeden z końcowych produktów beztlenowego rozkładu węgla organicznego. Stanowi ok. 50 - 75% biogazu.
Biogaz rolniczy
W Polsce tego rodzaju źródła energii odnawialnej nie są często spotykane tak jak u naszych zachodnich sąsiadów. Wytwarzany w gospodarstwach rolnych obornik ulega fermentacji a niewykorzystany biogaz zostaje wprowadzony do atmosfery i powiększa efekt cieplarniany. W zależności od charakteru działalności produkcji rolnej różne są produkty odpadowe, z których wytwarza się biogaz. W większości gospodarstw hodowlanych substratem do produkcji biogazu są odchody zwierzęce, a w gospodarstwach rolno - hodowlanym są to odchody oraz odpady poprodukcyjne. To co wyróżnia biogaz wśród innych rodzajów energii odnawialnej pozyskiwanej z biomasy to możliwość zastosowania składników charakteryzujących się znaczną zawartością wody lub masy organicznej jak i również takich, które wymagają utylizacji (np. odpady poubojowe).
Biogaz może być wytwarzany z różnych rodzajów substratów. Do surowców bardzo dobrze nadających się do zastosowania w biogazowniach rolniczych należą takie materiały jak nawozy naturalne (np: gnojowica, obornik), odpady rolne poprodukcyjne (np: odpady zbożowe, odpady pasz), rośliny energetyczne (np: kukurydza, pszenżyto, pszenica, jęczmień, rzepak, lucerna, trawa sudańska, burak pastewny, burak cukrowy, ziemniak). W biogazowniach rolniczych możliwe jest również przetwarzanie na biogaz odpady organiczne pochodzące na przykład z produkcji spożywczej lub biopaliw oraz inne czyste chemicznie odpady organiczne.
U naszych zachodnich sąsiadów istnieją dopłaty dla rolników za każdy wyprodukowany KW energii z biogazu. Niestety u nas w kraju niczego takiego nie ma - a szkoda.
W świecie jeśli chodzi o wykorzystanie biogazu na skalę przemysłową przodują Amerykanie. Amerykanie budują elektrownie otrzymującą biogaz z indyczych odchodów. Ten nowatorski projekt będzie zasilał w energię 60 000 domów.
Według Kotowskiego pełne wykorzystanie odpadów rolno - spożywczych w Polsce ograniczy import gazu ziemnego o ok. 35 %.
Odpady na początku cyklu technologicznego zostają poddane mechanicznej obróbce z udziałem wody. Przygotowany tak wsad podawany jest higienizacji termicznej a następnie kierowany jest do bioreaktora, gdzie zachodzi proces fermentacji metanowej.
Biogaz z fermentacji osadów ściekowych
Możliwości energetycznego wykorzystania biogazu z oczyszczalni ścieków jest ogromne. Polska posiada 1700 oczyszczalni przemysłowych i ok. 1500 oczyszczalni komunalnych. Przyjęte jest, że z 1 m3 osadu o zawartości 5 % suchej masy, uzyskuję się od 10 - 20 m3 biogazu.
Najlepsze efekty produkcji biogazu otrzymuje się w oczyszczalniach biologicznych. Oczyszczalnie ścieków mają wysokie zapotrzebowanie własne na energię cieplną oraz elektryczną dlatego odzysk część energii z biogazu ma istotny wpływ również na rentowność tych zakładów. Niestety w większości oczyszczalni ścieków, które zostały wybudowane po wojnie zrezygnowano ze względów finansowych z budowy komór fermentacyjnych i pozyskiwania biogazu. Jednak otwarta tlenowa fermentacja osadu czynnego okazała się w tych oczyszczaniach bardziej uciążliwa zarówno dal środowiska jak i mieszkańców pobliskich okolic. Od pewnego czasu obserwuję się powrót do starszych sprawdzonych technologii. W technologii tej fermentacja osadu czynnego wytrąconego ze ścieków: komunalnych, przemysłu mięsnego, przemysłu rybnego, rolno-spożywczego przeprowadza się w wydzielonych komorach fermentacyjnych (WKF). Gaz odprowadzany jest w sposób ciągły lub okresowy, następnie biogaz zostaje spalony w silniku wysokoprężnym dzięki czemu uzyskuje się energię elektryczną oraz cieplną.
Biogaz z wysypisk śmieci
Odpady pochodzenia organicznego stanowią główny składnik odpadów komunalnych. Przeważnie odpady składowane są w postaci hałd, sprasowanych pod własnym ciężarem lub przy pomocy kompaktorów. Odpady te ulegają procesowi biodegradacji. W warunkach beztlenowych a takie panują na wysypiskach, z odpadów organicznych w procesie fermentacji powstaje biogaz. W warunkach idealnych z jednej tony odpadów komunalnych można otrzymać ok. 400-500 m3 gazu. Jednak w warunkach rzeczywistych nie wszystkie odpady ulegają pełnemu rozkładowi, poza tym sam przebieg fermentacji metanowej uzależniony jest od wilgotności, rodzaju i gęstości odpadów. Przeciętnie przyjmuję się, że z jednej tony odpadów uzyskuję się 200 m3 gazu wysypiskowego który zawiera
ok.55 %metanu.
Zdolność do przetwarzania biomasy do metanu oraz dwutlenku węgla określana jest wg następującego równania:
CaHbOc + (a-b/4-c/2)H2O → (a/2-b/8+c/4)CO2 + (a/2+b/8-c/4)CH4
Jeśli w obliczeniach uwzględni się występowanie kwasu mlekowego, będącego jednym z ważniejszych produktów przejściowych w tym procesie, to otrzymamy równanie:
2C4H8O2 + 2H2O → 3CO2 + 5CH4
|
Gaz powstający na wysypisku może być wykorzystywany w silniku gazowym lub kotłach.
|