Człowiek i stworzona przez niego cywilizacja, aby trwać i dalej się rozwijać, potrzebują coraz większych ilości energii. Przede wszystkim energii w formie ciepła, elektryczności i źródeł napędu silników spalinowych. W tym artykule skoncentruję się na paliwach silnikowych, bo to silniki spalinowe poruszają samochody osobowe, ciężarówki, lokomotywy spalinowe, samoloty, ciągniki i maszyny rolnicze, a także często generatory prądu elektrycznego. Podstawowym paliwem do silników są produkty przerobu ropy naftowej. Dzisiaj ludzkość zużywa około 80 milionów baryłek ropy naftowej dziennie (1 baryłka to ok. 159 litrów). Z tej ilości aż 53 miliony baryłek dziennie zużywa transport.
Co obecnie jest paliwem do silników?
Dzisiaj paliwa silnikowe to prawie w całości przetworzone kopaliny – głównie ropa naftowa, gaz ziemny i węgiel. Są to źródła nieodnawialne i z całą pewnością, przy takim jak obecnie tempie ich eksploatacji, kiedyś się wyczerpią. Najprawdopodobniej pierwsze skończą się zasoby ropy (a to jest główne źródło paliw silnikowych). Szacuje się, że już teraz wzrost zużycia ropy jest większy niż ilość nowo odkrywanych złóż. A warto tu przypomnieć, że na arenę światowych konsumentów paliw dopiero zaczynają wkraczać Chiny!
Paliwa ze źródeł kopalnych mają ponadto ogromny, negatywny wpływ na zmiany klimatu. Coraz wyraźniej odczuwalne ocieplenie i nasilające się anomalie klimatyczne zmuszają ludzkość do zastanowienia się, jak temu przeciwdziałać. Racjonalne kierunki działania to przede wszystkim ograniczanie zużycia energii dzięki stosowaniu coraz oszczędniejszych technologii oraz zastępowanie energii ze źródeł kopalnych energią ze źródeł odnawialnych.
Własne "pola naftowe"?
W dzisiejszym świecie transport osób i towarów oraz praca maszyn napędzanych silnikami to nieodzowny warunek funkcjonowania całej gospodarki. Jak dotkliwe mogą być zachwiania dostaw ropy pokazały wielkie kryzysy naftowe. Ropa naftowa jest surowcem o bodaj największym znaczeniu strategicznym. Niestety rozmieszczenie jej zasobów na świecie jest nierówne. Kraje o największym zużyciu ropy muszą ją importować, a eksporterzy ropy starają się to uzależnienie wykorzystywać politycznie.
Każde państwo stara się zapewnić sobie dostępność i ciągłość dostaw paliw. Wczoraj i w znacznym stopniu jeszcze dzisiaj jedynym na to sposobem było i jest posiadanie lub przynajmniej kontrolowanie pól naftowych i złóż gazu. Kontrola oznacza najczęściej uzależnienie ekonomiczne i/lub polityczne, wspierane bardzo często siłami wojskowymi. Dla wielu krajów oznacza to, że aby zapewnić sobie bezpieczeństwo energetyczne, trzeba o to walczyć zbrojnie. Część obywateli tych krajów musi więc założyć hełm na głowę, zarzucić karabin na ramię i rozpocząć walkę, prawdziwą, na śmierć i życie (na przykład w Iraku).
Tak zdobywane bezpieczeństwo energetyczne kosztuje jednak coraz więcej (ekonomicznie, społecznie i politycznie). Dlatego coraz więcej państw decyduje się na "budowanie" własnych "pól naftowych" – czyli na rozwój produkcji paliw z własnych, odnawialnych źródeł. W dużym uproszczeniu takimi "polami naftowymi" stają się uprawy roślin energetycznych, wytwarzające biomasę (np. rzepak, słonecznik, kukurydza, burak cukrowy). Następuje gwałtowny rozwój technologii pozwalających na produkcję paliw będących alternatywą dla paliw kopalnych.
Biopaliwa I i II generacji
Obecnie wytwarzane paliwa silnikowe ze źródeł odnawialnych można podzielić na 3 zasadnicze grupy:
- paliwa gazowe (głównie jest to metan) – jako biogaz oraz jako gaz "wysypiskowy",
- oleje roślinne i tłuszcze zwierzęce – jako samoistne paliwa lub jako ich estry,
- alkohole – głównie etanol i w mniejszym stopniu metanol.
Powyższe paliwa określane są mianem biopaliw I generacji. Ich produkcja, mimo że technologie ich wytwarzania znane są od wieków, wkracza dopiero w fazę intensywnego rozwoju. Natomiast pojawiają się już biopaliwa określane mianem biopaliw II generacji.
Najbardziej obiecującą technologią wytwarzania biopaliw II generacji wydaje się być przetwarzanie materiałów ligninowo-celulozowych. Działają już nawet pilotażowe zakłady (w Szwecji, Hiszpanii i Danii), produkujące bioetanol z biomasy ligninowo-celulozowej. Technologia ta oparta jest na ogół na enzymatycznym "cięciu" cząstek długich łańcuchów celulozy i ligniny na krótsze "odcinki", czyli na związki (cukry) dostępne dla drożdży w procesie fermentacji alkoholowej. To "cięcie" może też odbywać się na drodze chemicznej hydrolizy lub na drodze termolizy.
Podobnie obiecująca wydaje się technologia "upłynniania" biomasy (też głównie ligninowo-celulozowej) do postaci tak zwanej "syntetycznej ropy", która jest doskonałym surowcem do produkcji paliw. Działają już na skalę półtechniczną instalacje wytwarzające "syntetyczną ropę" (głównie w Niemczech), ale uzyskiwana w nich "sprawność energetyczna" jest jeszcze niezadowalająca (zbyt dużo energii trzeba zużyć do wyprodukowania jednostki energii zawartej w takim paliwie). Ale postępy tej technologii są niezwykle obiecujące.
Duże nadzieje wiąże się także z produkcją biodimetyloeteru (bioDME), gdyż jest on świetnym paliwem i rozwój technologii jego wytwarzania posuwa się szybko.
Z biomasy wytwarzać można także wodór, który sam jest świetnym nośnikiem energii (w wyniku jego spalania powstaje tylko energia i woda). Wodór stanowi najlepsze paliwo do ogniw paliwowych. Gdyby ogniwa takie były dzisiaj tańsze (a trwają nad tym intensywne prace), istniałoby olbrzymie zapotrzebowanie na wodór. Trwają także obiecujące prace nad rozwiązaniem problemów z dystrybucją wodoru (gromadzeniem, transportem i bezpieczeństwem stosowania).
Opłacalność produkcji biopaliw
Stosując dzisiaj najlepsze dostępne technologie, biopaliwa mogłyby konkurować z paliwami kopalnymi, gdyby cena baryłki ropy wynosiła około 77 $ (około 60 Euro) w przypadku biodiesla, lub 116 $ (około 90 Euro) w przypadku bioetanolu. Ale cena baryłki ropy Brent oscyluje dzisiaj (koniec roku 2006) na londyńskiej giełdzie w okolicach 60 $. Warto nadmienić jednak, że jeszcze kilka lat temu cena ta wynosiła zaledwie około 30 $. Specjaliści rynku paliw oceniają, że psychologiczną granicą, po przekroczeniu której nastąpi gwałtowny wzrost produkcji biopaliw, będzie cena baryłki ropy na poziomie 100 $. Może to nastąpić za kilka lub kilkanaście lat, ale może stać się to także jutro! Wystarczy (niestety) jedno tragiczne wydarzenie – na przykład kolejny kataklizm naturalny (jak huragan Katrina niszczący platformy wydobywcze w Zatoce Meksykańskiej) lub wstrząs polityczny wywołany np. atakiem amerykańskich wojsk na instalacje atomowe Iranu lub udana próba pocisku rakietowego Korei Północnej dosięgającego Japonię.
Opłacalność produkcji biopaliw należy jednak rozpatrywać też pod kątem ich znaczenia dla ochrony środowiska, znaczenia dla ożywienia gospodarczego obszarów wiejskich, znaczenia dla budowania samowystarczalności energetycznej lub przynajmniej zmniejszania stopnia uzależnienia od importu. Te aspekty są niezwykle ważne, szczególnie dla Polski.
Coraz więcej krajów wspiera bardzo silnie rozwój produkcji i stosowania biopaliw poprzez stosowanie różnego rodzaju zachęt ekonomicznych (głównie w formie ulg podatkowych). Niemcy najsilniej wspierają produkcję biodiesla oraz bezpośrednie stosowanie olejów roślinnych jako paliwa, a także w ostatnich latach zwielokrotnili produkcję biogazu. Amerykanie nie chcąc, aby konflikty na Bliskim Wschodzie dyktowały im cenę paliwa, masowo zaczynają stosować w swoich samochodach mieszankę E-85 składającą się z 15% benzyny i 85% etanolu (głównie z kukurydzy), Brazylijczycy już od wielu lat jeżdżą autami przystosowanymi do spalania czystego etanolu (z trzciny cukrowej). Na etanol jako paliwo do silników stawiają także Szwedzi.
Biopaliwa w polskiej ustawie o biokomponentach i biopaliwach ciekłych
Od 1 stycznia 2007 roku zaczęła w Polsce obowiązywać ustawa z 26 sierpnia 2006 roku o biokomponentach i biopaliwach ciekłych. Reguluje ona między innymi:
- zasady wytwarzania i magazynowania biokomponentów,
- zasady wprowadzania do obrotu biokomponentów i biopaliw ciekłych,
- zasady wytwarzania przez rolników biopaliw ciekłych na własny użytek.
Ustawa, która zapewne nie jest doskonała i po pewnym okresie doświadczeń z jej funkcjonowania będzie wymagała nowelizacji, jest ogromnym krokiem w kierunku złamania monopolu na wytwarzanie i dystrybucję paliw płynnych. Szczególne przywileje ustawa daje producentom rolnym, pozwalając im wytwarzać na własne potrzeby 100 litrów biopaliwa na 1 ha użytków rolnych. Trudno dzisiaj ocenić, jak szansa ta zostanie przez nich wykorzystana. Można przewidywać, że rolnicy wytwarzający biopaliwa na własne potrzeby (a więc na niewielką skalę), będą musieli konkurować z wielkimi producentami wykorzystującymi efekt skali dla obniżenia kosztów jednostkowych. Ale to rolnicy będą dysponować kluczowym surowcem – biomasą do wytwarzania biopaliw. Jak ten atut wykorzystają, w jakim stopniu z producentów żywności staną się producentami energii? Czas pokaże.
Ustawa określa także, że biopaliwami ciekłymi są:
- benzyny silnikowe zawierające powyżej 5% objętościowo biokomponentów lub powyżej
- 5% objętościowo eterów,
- olej napędowy zawierający powyżej 5% objętościowo biokomponentów,
- ester, bioetanol, biometanol, dimetyloeter oraz czysty olej roślinny – stanowiące samoistne paliwa,
- biogaz uzyskiwany z biomasy,
- biopaliwa syntetyczne (syntetyczne węglowodory lub ich mieszanki wytwarzane z biomasy) – stanowiące samoistne paliwa.
Praktycznie producenci rolni (czyli rolnicy lub grupy producenckie) zainteresowani są najbardziej produkcją bądź biodiesla (czyli zestryfikowanych olejów lub tłuszczów), bądź czystego oleju roślinnego stanowiącego samoistne paliwo. Z pewnością rzadziej podejmować będą produkcję bioetanolu lub biogazu jako paliw silnikowych.
Technologia olejów roślinnych
Oleje roślinne (i w dużo mniejszym stopniu tłuszcze zwierzęce) wykorzystywane mogą być w dwóch zasadniczych kierunkach:
- jako surowiec do produkcji tzw. biodiesla (czyli estru metylowego lub etylowego) – ten kierunek oznacza dostosowanie paliwa do wymagań obecnie używanych silników wysokoprężnych (a raczej do wymagań producentów tych silników),
- jako samoistne paliwo do przystosowanych silników wysokoprężnych – ten kierunek oznacza dostosowanie silników do dostępnych paliw!
Kierunek pierwszy oznacza, że nie dokonujemy żadnych lub prawie żadnych zmian w silnikach, a staramy się uzyskać paliwo o parametrach zbliżonych do mineralnego oleju napędowego. Proces jego uzyskiwania składa się z dwóch zasadniczych faz – wytłaczania lub ekstrakcji oleju z nasion roślin oleistych, a następnie estryfikacji tego oleju z użyciem alkoholu (najczęściej metylowego) w obecności katalizatora, którym na ogół jest wodorotlenek potasu (KOH). Typowy skład wsadu do małego reaktora do produkcji biodiesla to na 100 l oleju 14,5 l metanolu oraz 1,66 kg KOH. Uzyskuje się wówczas około 88 l biodiesla i 27,3 l tzw. fazy glicerynowej. Estryfikacja oleju technicznie nie jest procesem skomplikowanym, jest łatwa do opanowania i stosowania. Ale dużym problemem może być fakt, że zarówno używany w tym procesie metanol, jak i produkt uboczny, czyli faza glicerynowa (zawierająca poza gliceryną resztki metanolu i wodorotlenku potasu), są silnymi truciznami i podlegają specjalnym przepisom ochrony środowiska.
Warto jednak pamiętać, że twórca silnika z zapłonem samoczynnym, Rudolf Diesel, pierwsze swoje konstrukcje zasilał olejem roślinnym! Tyle że wówczas olej roślinny był produktem drogim, a ropa naftowa w wielu miejscach Europy wyciekała prosto z ziemi i jej zasoby wydawały się nieograniczone. To dlatego rozwój silników wysokoprężnych poszedł w kierunku wykorzystania do ich zasilania olejów mineralnych. Dzisiaj coraz bardziej zasadne wydaje się rozwijanie technologii zasilania silników wysokoprężnych czystym olejem roślinnym. Wiele firm przygotowuje się do zaoferowania swoim klientom dwóch wersji pojazdów czy ciągników i maszyn rolniczych: jednej z silnikami standardowymi (na olej napędowy mineralny), drugiej z silnikami fabrycznie dostosowanymi do zasilanie olejem roślinnym. Pojawiło się także wiele firm specjalizujących się w dostosowywaniu silników do zasilania olejem roślinnym. Polega ono na ogół na zmianie wtryskiwaczy, wkładów filtrów paliwowych, montażu systemów podgrzewania oleju w zbiorniku i na dopływie do układu wtryskowego oraz na innej regulacji pompy wtryskowej i kąta wyprzedzenia wtrysku. W ciągnikach i maszynach rolniczych oraz starszych typach samochodów często stosuje się technologię polegającą na montowaniu dodatkowego zbiornika (niewielkiego) na olej napędowy i systemu przełączania zasilania silnika po nagrzaniu na oleju napędowym na zasilanie olejem roślinnym ze zbiornika głównego.
Perspektywy dla olejów jako paliw silnikowych
Oleje roślinne mogą stać się znaczącą alternatywą dla ropy naftowej tylko wtedy, gdy nastąpi wzrost ich podaży. Aby to nastąpiło, musi wzrosnąć powierzchnia uprawy roślin oleistych. W naszych warunkach glebowo-klimatycznych największy potencjał plonotwórczy ma oczywiście rzepak ozimy, ale możliwości zwiększenia jego zbiorów są ograniczone. Ze względów agrotechnicznych rzepak może być uprawiany na glebach dobrych w zmianowaniu nie częściej niż co 4 lata. Rzepak może zastępować w płodozmianie buraka cukrowego (wymaga podobnie żyznych gleb i dobrze wykorzystuje nawożenie organiczne). Ale rzepak w naszym klimacie czasami nie najlepiej zimuje. Dlatego warto pamiętać, że w dalszej perspektywie trzeba różnicować uprawy roślin oleistych. Duże nadzieje wiąże się obecnie ze znaną niegdyś, a dziś już zapomnianą lnianką. Ma ona zarówno formę jarą, jak i ozimą. Lnianka dobrze udaje się na glebach lżejszych. Forma ozima daje plony dochodzące do 2,5 t/ha, a forma jara ponadto nadaje się do upraw współrzędnych. Na przykład w Bawarii w gospodarstwach ekologicznych coraz częściej uprawia się lniankę jarą z jęczmieniem lub grochem. Okazało się, że nie obniża to plonu rośliny głównej (a w przypadku grochu nawet go podnosi), lnianka ponadto hamuje rozwój chwastów. W takich warunkach nawet niewielki plon nasion lnianki (rzędu 300-600 kg/ha) jest niejako dodatkową korzyścią rolnika. Gdy hodowcom uda się zwiększyć masę tysiąca nasion lnianki, ten plon może znacząco się podnieść. (Red.: O uprawie lnianki będziemy pisać w następnym numerze). Gatunków roślin oleistych w naszym klimacie jest ponad 30! Pamiętajmy, że poza rzepakiem i wspomnianą już lnianką są jeszcze np. gorczyce (kilka gatunków), len, słonecznik, dynia oleista, rzodkiew oleista, ostropest plamisty, soja, łubiny, konopie, malwa oleista, rącznik (rycynus), wiesiołek, ogórecznik i wiele, wiele innych. Możliwa jest więc spora dywersyfikacja roślin oleistych.
Wzrost podaży oleju roślinnego oznacza także wzrost podaży białka roślinnego. Obecnie w Polsce białko paszowe pochodzi w przeważającej części z importu i zawarte jest w soi (śrucie sojowej). Nasze uzależnienie od tego importu (z krajów amerykańskich) jest podobne do naszego uzależnienia od importu ropy z Rosji. W Bawarii rolnicy – hodowcy bydła poziom produkcji oleju określają przez poziom zapotrzebowania na śruty i makuchy z roślin oleistych.
Dzięki technologii wykorzystania oleju roślinnego do napędu silników diesla w rolnictwie możliwa jest samowystarczalność energetyczna. Jeden hektar rzepaku przy plonie zaledwie 2,6 tony daje około 1000 litrów oleju (lub około 800 litrów biodiesla), a to oznacza własne paliwo do ciągników i maszyn rolniczych wystarczające do uprawy około 10 ha. Nawet plon 400 kg z hektara lnianki jarej uzyskany w uprawie współrzędnej (a więc bez zabierania powierzchni) daje tyle oleju, ile potrzeba do uprawy tego 1 hektara.
Olej roślinny może być także wykorzystany do celów grzewczych. Najlepszym obecnie rozwiązaniem jest wówczas kogeneracja, czyli skojarzona produkcja ciepła i prądu równocześnie. Polega to na zastosowaniu układu złożonego z silnika Diesla napędzanego olejem roślinnym sprzężonego z generatorem prądu (prądnicą). Prąd sprzedawany jest najczęściej do sieci energetycznej, a układ chłodzenia silnika jest źródłem ciepła dla systemu grzewczego. Dostępne są na rynku w pełni zautomatyzowane układy do ogrzewania zarówno domów jednorodzinnych, jak i wielkich obiektów.
Na zdjęciu widoczny jest jednocylindrowy silnik Diesla zasilany olejem roślinnym, napędzający generator prądu o mocy 8 kW, wytwarzający podczas pracy 6-14 kW energii cieplnej. Podczas pracy układ ten zamknięty jest w obudowie termoizolacyjnej i tłumiącej hałas silnika. Pracując z pełną mocą agregat zużywa 2,5 l/godz. oleju roślinnego o kaloryczności 38.000 kJ/kg (zdjęcie autora z targów EuroTier w Hanowerze w listopadzie 2006 r.).
Na koniec warto jednak podkreślić, że biopaliwa są obecnie produkowane niemal w całości z powierzchni, które można by przeznaczyć na produkcję żywności. W miarę wzrostu zapotrzebowania na żywność powierzchnia upraw energetycznych będzie prawdopodobnie ograniczana. Dlatego równolegle do rozwoju technologii pozyskiwania energii ze źródeł odnawialnych trzeba rozwijać technologie pozwalające na oszczędne nią gospodarowanie.
Najlepsza i najtańsza jest energia zaoszczędzona!
Komisja Europejska planuje do 2020 r. ograniczyć o 20% zużycie energii w państwach członkowskich, co ma przynieść 100 mld Euro oszczędności.
Źródło: Kujawsko-Pomorski Ośrodek Doradztwa Rolniczego, www.kpodr.pl
