Pompy ciepła | Oświetlenie LED, żarówki LED | Kolektory słoneczne | Certyfikat energetyczny | Podłogówka

Biopaliwa płynne w rozwoju napędów - część l...

Biopaliwa płynne w rozwoju napędów - część l

Napędy i Sterowanie Wtorek 02/02/26

1. Konwencjonalne źródła energii

Energia słoneczna na przestrzeni milionów lat została zakumulowana w wyniku przemian atmosferyczno-biologiczn

Tu jest miejsce na reklamę. Zobacz cennik

Biopaliwa płynne w rozwoju napędów - część l

Napędy i Sterowanie Wtorek 02/02/26

1. Konwencjonalne źródła energii

Energia słoneczna na przestrzeni milionów lat została zakumulowana w wyniku przemian atmosferyczno-biologicznych w postaci użytkowanych intensywnie od dwustu lat obecnych paliw kopalnych, nazywanych stąd pierwotnymi nośnikami energii (węgiel, ropa naftowa, gaz ziemny). Wtórnymi nośnikami energii nazywamy te, które powstają w wyniku technicznego przetworzenia przez człowieka nośników pierwotnych, wydobywanych z pokładów w ziemi, na inne rodzaje paliwa i energii, dostosowane do potrzeb cywilizacji, jak np. energia elektryczna z elektrowni węglowych lub gazowych, benzyna z ropy, koks i gaz z węgla itp. Zasoby tych paliw kopalnych zmniejszają się w miarę ich zużycia niezależnie od nowych odkryć geologicznych i postępu techniki w ich wydobyciu (np. ropy z dużej głębokości pod dnem mórz i oceanów). Są to nośniki energii nieodnawialne, a ponadto w procesie ich użycia, obok innych czynników, w sposób istotny naruszany jest obecny stan równowagi atmosferyczno-biologicznej Ziemi (efekt cieplarniany i obniżanie poziomu tlenu ze wzrostem poziomu CO2).

2. Odnawialne źródła energii - w tym biologiczne nośniki energii odnawialnej

Obok naturalnych niekonwencjonalnych źródeł energii występują nośniki energii odnawialnej, pochodzącej ze źródeł biologicznych. Są one efektem cyklu oddziaływania i transmisji promieniowania słonecznego poprzez procesy życiowe roślin z cyklem fotosyntezy i akumulacji energii w tkance. W zależności od formy życiowej tkanki akumulacyjnej energii słonecznej występują następujące nośniki odnawialnej energii z biomasy:

Grupa I - części zdrewniałe (np. celulozowate) - drewno, słomy zbóż itp., siano oraz produkty uboczne, jak wytłoki, makuchy itp. z przetwarzania nasion i owoców - są źródłem energii odnawialnej z nośnika określanego biomasą - alternatywa dla kopalnych paliw stałych i ich przetworów, węgli kopalnych. Grupa II - produkty rolnicze cukrowo- skrobiowe - ziemniaki, buraki, zboża, owoce - wysokoenergetyczne dodatki do paliw z wytworzenia nośników typu alkohole i etery - alternatywa zmniejszenia użycia benzyn z ropy. Grupa III - tłuszcze z produktów rolniczych - oleje: rzepakowy, słonecznikowy, sojowy, palmy olejowej (kokosowy), gorczycy, rzepiku, rzodkwi, lnu, oliwek - są źródłem energii odnawialnej z wytworzenia nośnika określanego EMR biopaliwo - alternatywa dla mineralnego oleju napędowego z ropy. Grupa IV - odpady przetwórcze z grupy I, II, III i inne - bakteryjna produkcja z metanu - są źródłem energii odnawialnej z wytworzenia nośnika określanego biogazem - alternatywa dla gazu ziemnego i innych gazów przemysłowych.

3. Źródła energetyczne biopaliw płynnych

W krajach Unii Europejskiej i w Polsce obserwuje się wzrost zainteresowania wykorzystaniem biopaliw płynnych, które w procesie konwersji powstają z biomasy stanowiącej podstawowe odnawialne źródło energii. Terminem biomasa określa się substancje wytworzone w naturalnych procesach biologicznych, zawierających węgiel i wodór jako pierwiastki energetyczne. Powstanie biomasy jest wynikiem procesów biochemicznych, w których decydującym jest fotosynteza, określana jako konwersja energii promieniowania słonecznego w energię biomasy. W procesie konwersji biomasa może być przetwarzana również na paliwo gazowe, energię cieplną i elektryczną.

Do produkcji biopaliw płynnych stosuje się nasiona roślin oleistych i roślin o dużej zawartości skrobi. Historia produkcji sięga początku ubiegłego wieku. Oleje roślinne zastosował po raz pierwszy jako paliwo napędowe w skonstruowanym przez siebie silniku Rudolf Diesel. Dopiero później, po nieudanych próbach z olejem roślinnym, do zasilania silnika zastosował paliwo otrzymane z ropy naftowej.

Paliwa płynne można otrzymać poprzez konwersje w następujących procesach: hydrolizy, fermentacji, estryfikacji, pirolizy.

4. Potrzeby rozwoju produkcji biopaliwa dla kraju

Posiadany potencjał energetyczny odnawialnych źródeł w Polsce jest bardzo duży i przekracza zużycie wszystkich kopalnych paliw. Niestety obecne wykorzystanie tego potencjału jest ograniczone możliwościami technicznymi, urbanistycznymi, demograficznymi, ekonomicznymi itp., a szczególnie barierą psychologiczną w społeczeństwie i w sferach decyzyjnych. Dlatego tylko nieznaczna część tego potencjału może mieć praktyczne znaczenie. W przedstawionym opracowaniu uwzględniono realne możliwości pozyska - nią i wykorzystania energii odnawialnej zarówno w mieście, jak i na wsi.

Obliczono, że do 2030 r. przy sprzyjających warunkach (szerzenie wiedzy, zachęty ekonomiczne, obniżenie kosztów inwestycyjnych itd.) można osiągnąć w środowisku miejskim ok. 5 - 10% udziału energii odnawialnej w ogólnokrajowym bilansie energetycznym. W rolnictwie udział ten jest znacznie wyższy i w bilansie energetycznym tego sektora może stanowić ponad 24%.

Z powyższego względu niezwykle cenne są również inicjatywy propagatorów rozwoju małych form pozyskiwania źródeł energii z zasobów krajowych określonych jako alternatywne dla dotychczasowych konwencjonalnych źródeł z importu oraz uciążliwych krajowych węgli mających negatywny wpływ na warunki ekologiczne naszego życia i przyszłości.

Jak zaznaczono, praktyczne wykorzystanie posiadanych w kraju zasobów energii odnawialnej w dużym stopniu zależy i zależeć będzie od znajomości problemu przez użytkowników energii, osób stanowiących prawo, podatki i subsydia, sektora bankowego w części kredytów inwestycyjnych, uczącą się młodzież, dla której prognozowany ponadtrzydziestoletni rozwój odpowiada wejściu w dorosłe życie zawodowe.

5. Baza agrarna do produkcji EMR biopaliwa - roślinnego oleju napędowego

Produkcja oleju rzepakowego w skali światowej wyniosła około 17 min ton rocznie przy wzroście produkcji w okresie ostatnich 5 lafo 34%. Paradoksalnie niższa dynamika wzrostu produkcji w odniesieniu do oleju sojowego spowodowana została dużym spadkiem produkcji w Europie Środkowo-Wschodniej, tj. w Polsce, Czechach, Słowacji. Rzepak wg prognoza jest przyszłą światową rośliną oleistą z uwagi na potencjalny duży obszar areału za^ siewów, bardzo dobrą jakość typu 00, prostą technologię uprawy zgodną ze zbożowymi, osiąganie dobrych wyników jakości w odniesieniu do włożonych nakładów, szczególnie dobre własności użyźniające glebę (odnawianie struktury gleby), dzięki czemu rzepak staje się przedkulturą zbożową, która wypiera z tej roli dotychczasowe rośliny strączkowe i koniczyny.

Najwyższą w produkcji wydajność rzepaku uzyskały kraje UE w najlepszym roku 1999 w wysokości 3,22 t/ha, co dało średnio plon l 29 t/ha surowego oleju.

6. Uprawa rzepaku w Polsce - obok oleju spożywczego jako wiodący krajowy nośnik energii odnawialnej

Rzepak tradycyjnie dotychczas w Polsce był rośliną wiodącą spośród uprawianych na cele spożywcze roślin oleistych. Wyhodowanie w latach sześćdziesiątych odmiany Canola w Kanadzie na bazie polskiej odmiany Bronowski, a stąd na tym europejskiego typu 00, znacznie poprawiło pozycję i znaczenie gospodarcze tej rośliny, co jest m.in. polskim wkładem w produkcję olejów roślinnych i zaznaczyło się to stale rosnącą produkcją od 1960 r. (ok. 100tys.ton)do 1989 r. (l min 600 tyś. ton). W 1990 r. nastąpiło załamanie rynku i spadek produkcji do poziomu 650 tyś. ton w 1995 r., wykazując po tym fakcie stabilizację na poziomie około 850 tyś. ton, wokół którego - średnia produkcja oscyluje dodziś.

Na globalny spadek produkcji nasion rzepaku w Polsce (patrz: tab. l) wpłynęło zarówno ograniczenie powierzchni upraw (brak odbioru), jak i obniżenie ilości plonu z ha. Średnia plonów z l ha wynosi około -1,9 do 2,1 ton, co jest wydajnością niską w odniesieniu np. do UE - średnia 3,221/ ha (zbiory 1999 r.) czy Czech - średnia 2,62 t/ha (zbiory 2000 r.).

Intensyfikacja wykorzystania rzepaku w warunkach polskich obecnie jest trudna do zrealizowania. Stan powyższy wynika z sytuacji polskiego rynku olejarskiego skupionego w 90% w dużych zakładach tłuszczowych, których większość w wyniku restrukturyzacji i procesu prywatyzacji - jak np. w Brzegu, Kruszwicy i Szamotułach (łącznie ok. 70% rynku) - została kupiona przez zachodnie firmy. Błędy poczynione w procesie prywatyzacji sektora tłuszczowego sprzyjają obecnym praktykom monopolistycznym i nie wpływają stabilizująco na rynek rzepakowy. Przyczyną tych kłopotów rynku polskiego jest nieuwzględnienie w procesach prywatyzacyjnych interesów producentów nasion oleistych, w tym szczególnie głównych upraw: rzepaku i rzepiku.

Na sytuację przetwórstwa rzepaku w Polsce mają również duży wpływ czynniki zewnętrzne, do których należy głównie zaliczyć import różnego rodzaju olejów wypierających krajową produkcję. I tak przykładowo w sezonie 1998/1999 r. import ten wyniósł ponad 200 0001, identycznie w 1999 r. Skierowany był on głównie do dużych supermarketów na terenie kraju. Tak silna konkurencja jest możliwa tylko dlatego, że produkcja ta jest w różny sposób dotowana przez państwa Unii Europejskiej, Stany Zjednoczone, Kanadę. W ten sposób nadwyżki produkcyjne poprzez państwa Unii Europejskiej trafiają na nasz rynek, niejednokrotnie być może z zakładów stanowiących własność kapitału zachodniego, który wykupił polskie zakłady tłuszczowe.

Tabela l. Wielkość produkcji nasion rzepaku w Polsce

rok	Pow. zas. (tys. ha)	Zbiór rzepaku (tys. ton)	Wydajn (t/ha)
1987	475	1192	2,51
1988	520	1199	2,31
1989	560	1586	2,83
1990	500	1206	2,41
1991	468	1042	2,23
1992	417	758	1,82
1993	348	594	1,71
1994	340	756	2,22
1995	606	1378	2,27
1996	278	460	1,65
1997	317	596	1,88
1998	466	1100	2,36
1999	510	1198	2,35
2000	425	850 (plan)	2,08

7. Techniczne i gospodarcze możliwości produkcji biopaliwa

Do gospodarczych stymulatorów możliwości wdrożenia produkcji biopaliwa zaliczyć należy:

bazę organizacyjno-problemową produktu - tzw. logistykę; możliwości surowcowe i techniczne; dotacje i środki finansowe; odbiór.

W warunkach polskich zagadnienia organizacyjno-problemowe produktu są praktycznie rozwiązane i posiadamy odpowiedni kapitał osób zajmujących się tą problematyką o dużym rozeznaniu, praktycznej wiedzy oraz szerokim spektrum społecznym. Są to, jak wiadomo, zarówno przedstawiciele wyższych uczelni, przedstawiciele środowisk przemysłu, jak i producenci głównego surowca - rzepaku. Powyższa kadra, która zaangażowała w zagadnienie swój dotychczasowy dorobek, poświęciła dużo wysiłku i wykazała daleko idącą bezinteresowność" w propagowaniu dokonanych opracowań, jest gwarantem właściwego jakościowo produktu i jego społecznej zasadności.

Powyższa grupa osób jest gwarantem wdrożenia produkcji biopaliwa w Polsce w oparciu o posiadane możliwości surowcowe, kwalifikacje grup zawodowych, które będą realizowały produkcję od rzepaku do produktu końcowego.

Zagadnienie wdrożenia produkcji biopaliwa niesie w sobie czynnik połączenia grup interesów:

rolników z infrastrukturą produkcji - dostawy surowca; składów - przechowywanie surowca; producentów z organizacją produkcji, zabezpieczeniem projektów realizacji i budową zakładów.

8. Schematy technologiczne produkcji

Obecnie budowane silniki o zapłonie samoczynnym są przystosowane do zasilania olejem napędowym (ON) i wg danych producentów można w nich obecnie stosować wprowadzone na rynek biopaliwo. Ograniczenia dotyczą silników starszych generacji, wymagających dostosowania do zasilania paliwem roślinnym EMR lub stosowania mieszanek paliwowych, z których preferowany jest zestaw z 30% i wyższym udziałem biopaliwa.

Przeprowadzony między innymi w Polsce szereg prac badawczych związanych z produkcją i zastosowaniem estrów metylowych z oleju rzepakowego potwierdził w badaniach eksploatacyjnych przydatność biopaliw i możliwość ich stosowania w miejsce uprzednio używanego oleju napędowego.

Proces wytwarzania estrów metylowych lub etylowych z olejów roślinnych oparty jest na reakcji przeestryfikowania oleju metanolem (etanolem) w obecności katalizatora, w wyniku czego powstaje ester metylowy (etylowy) i gliceryną oraz śladowe ilości innych produktów procesu.

W technologii produkcji wyróżnia się procesy w zależności od parametrów fizycznych ciśnienia i temperatury. Są dwa warianty technologii do realizacji procesu w warunkach bezciśnieniowych z katalizatorem alkalicznym oraz proces wysokociśnieniowy.

Schemat ideowy ogólnego procesu przebiegu estryfikacji metanolem oleju rzepakowego przedstawia przebieg reakcji zgodnie z ogólnym równaniem:

Reakcję powyższą można przeprowadzić technicznie dwoma metodami. Każda z metod niesie inne uwarunkowania technologiczne, a w tym szybkość przebiegu reakcji i stopień przereagowania zależny bardzo od warunków prowadzonego procesu, to jest temperatury, ciśnienia, rodzaju i ilości katalizatora, stosunków molowych metanol: trójgiiceryd i czasu reakcji, które łącznie warunkująprzebieg procesu produkcji.

8.1. Metoda ciśnieniowa

Metoda ciśnieniowa otrzymywania estrów kwasów tłuszczowych jest prowadzona systemem ciągłym w temperaturze ~ 240°C i pod ciśnieniem ~ 9 MPa. W metodzie tej surowy olej, metanol i katalizator podaj e się pompami do kolektora, a następnie poprzez podgrzewacz do reaktora. Metoda powyższa wykorzystuje dogodność prowadzenia procesu zmydlania tłuszczy w obecności specjalnych katalizatorów z wyeliminowaniem agresywnych alkaliów. W metodzie tej niedogodnością jest wymagany znaczny nadmiar metanolu w stosunku do oleju. Mieszanina surowców i katalizatora przechodzi przez reaktor, a później produkty kierowane są do rozdzielacza metanolowego, w którym następuje ich rozprężanie i oddzielenie metanolu od estrów i gliceryny. Opary metanolu z góry rozdzielacza przechodzą do kolumny destylacyjnej, skąd czysty metanol jest zawracany ponownie do procesu przygotowania surowców, tworząc tzw. obieg recyklingu. Estry i gliceryna przechodzą do rozdzielacza glicerynowego, gdzie następuje ich rozdzielenie na dwie warstwy. Górną stanowią estry, a dolną gliceryna. Estry są podawane przez podgrzewacz do kolumny destylacyjnej, w której usuwane są zanieczyszczenia. Oczyszczone estry poprzez schładzacz kierowane są do składu paliw. Gliceryna w swoim dalszym cyklu może być na miejscu lub w odrębnej jednostce produkcyjnej poddawana oczyszczeniu i destylacji na czystą chemicznie zgodnie z wymogami norm zastosowania, np. w przemyśle obronnym. Metoda powyższa posiada zaletę dużej wydajności procesu i czystości produktów. Istotną wadą, obok wspomnianego wyżej nadmiaru metanolu, są bardzo wysokie koszty budowy instalacji technologicznej oraz konieczność posiadania mediów utrzymujących wysokie temperatury w procesach technologicznych.

8.2. Metoda bezciśnieniowa

Proces otrzymywania estryfikowanych metanolem olejów roślinnych zachodzi również w warunkach bezciśnieniowych i w niskich temperaturach ogólnie określanych jako atmosferyczne.

Otrzymywanie estrów metylowych z oleju przeprowadza się w obecności katalizatora alkalicznego w przedziale temperatur od 20°C do 70°C pod ciśnieniem atmosferycznym. Zaletą jest przeprowadzanie reakcji estryfikacji przy niewielkim nadmiarze metanolu w odniesieniu do metody ciśnieniowej wysokotemperaturowej. Po przeprowadzeniu reakcji następuje sedymentacyjne rozdzielenie produktów na dwie warstwy, estrową i glicerynową. Każda z warstw odbierana jest do procesu dalszej obróbki technologicznej. Z warstwy estrowej oddestylowuje się metanol i oddziela katalizator z rozpuszczalnikiem, zawracane łącznie w cyklu recyklingu do procesu produkcji. Surowy ester w zależności od wymaganych własności jest oczyszczany lub destylowany.

Z powyższej technologii bezciśnieniowej wyodrębnia się dwa procesy produkcji zależne od temperatury przebiegu reakcji.

Prowadzenie procesu produkcji w niskich temperaturach ~ 20°C; praktycznie temperatura wynikowa procesu w warunkach otoczenia wymaga stosowania kilkakrotnie większych ilości katalizatora niż w reakcji realizowanej w wyższych temperaturach 60 - 70°C. Zwiększenie ilości katalizatora ma negatywne skutki między innymi w następnych etapach procesu, powodując trudniejszy rozdział produktów oraz większą ilość ścieków i odpadów. Proces powyższy wymaga bardziej dokładnego przygotowania surowca o niskiej zawartości wolnych kwasów tłuszczowych w przeciwieństwie do metody ciśnieniowej. Zaletą tej metody są bardzo niskie koszty inwestycyjne. Prowadzenie procesu produkcji w temp. ~ 60 - 70°C zużywa mniejsze ilości katalizatora alkalicznego. Wydajność reakcji jest większa, choć nie dorównuje metodzie ciśnieniowej. Stan przygotowania oleju surowego ma identycznie wysokie wymagania, jak w, procesie l. Jest to proces droższy zarówno w nakładach inwestycyjnych, jak również eksploatacyjnych od procesu l.

Ciąg (dalszy artykułu w następnym numerze miesięcznika).

Biopaliwa płynne w rozwoju napędów - część l