|
Aktualności
|
|
Informacje
Numery
Numer 12/2007
Energetyka jutra to... Rolnictwo i leśnictwo
|
|
|
W poszukiwaniach substytutów ropy, gazu ziemnego oraz węgla gospodarka światowa stawia przede wszystkim na surowce z rolnictwa i leśnictwa. Już dziś wytwarza się z biomasy w niemałej skali energię elektryczną, ciepło użytkowe oraz paliwa silnikowe. Od wielu już lat nasila się rozwój tych obszarów energetycznych.
|
Doskonalone są technologie oraz techniki upraw i przetwarzania różnorakich roślin z celem pozyskiwania paliw botanicznych o jak najwyższej wydajności z hektara ich upraw.
Biomasa jest po prostu zmagazynowaną energią słoneczną w systemie naturalnego obiegu węgla, wodoru oraz tlenu (w postaci CO2, H2O i O2) wszelkiego życia wraz z roślinami na naszej planecie. Samego węgla w tym obiegu jest około 200 mld ton.
Człowiek korzysta z biomasy od swego pojawienia się na ziemi. Również odnawialne źródła energii: węgiel, ropa i gaz ziemny są przetworzoną biomasą pod pokładami skał oraz pisaków przed paroma setkami miliomów lat.
Struktura molekularna – w istocie swego rdzenia – tak nieodnawialnych, jak i odnawialnych nośników energii obejmuje przede wszystkim atomy węgla oraz wodoru.
Według szacunków ekspertów agrarnej jednostki FAO przy Organizacji Narodów Zjednoczonych, ludzkość ma do swojej dyspozycji około 5 miliardów ha ziemi uprawnej wraz z pastwiskami. W wysokorozwiniętych krajach 10 ha ziemi agrarnej zapewnia wyżywienie 25-30 mieszkańcom. Dla celów energetycznych pozostaje prawie 2,4 miliarda ha ziemi. Już dziś z 1 ha zbiera się rocznie 20 ton suchej masy nie tylko wierzby krzewiastej, której wartość spalania odpowiada 7000 litrom ropy. Dalsze tego typu przeliczenia wykazują, że obecny, światowy przerób ropy na poziomie prawie 4 miliardów ton rocznie można w całości pokryć dostępną biomasą.
Pierwszym krajem naszej planety, który zamierza do roku 2020 pokryć swoje potrzeby ropy przetwórstwem biomasy jest Szwecja. Realność tych planów potwierdza Brazylia, która już dziś połowę benzyny zastępuje bezwodnym spirytusem z taniej trzciny cukrowej. Równie aktywne w tej dziedzinie są Stany Zjednoczone, które w tym roku przeznaczyły aż 20% terenów agrarnych pod rośliny – głównie kukurydzę – dla produkcji bioetanolu.
Amerykanie wytwarzają aktualnie 17 miliardów litrów bioetanolu rocznie. Podczas, gdy w USA wytwarza się z 1 ha2000 litrów alkoholu etylowego rocznie, to w Brazylii aż 6000 litrów.
Podobne działania są również rozwijane na terenie Niemiec, gdzie prawie 33% ziemi rolniczej, tj. 1,6 miliona ha przeznaczy się do 2020 roku pod uprawy roślin energetycznych.
Wykładnią ogromu tego typu przedsięwzięć w RFN jest kończąca się w tym roku budowa największej w świecie biogazowej elektrowni o mocy 20 MW, którą w części ilustruje rys. 1. Należy ona do firmy Nawaro AG, znajduje się w miejscowości Penkun, w pobliżu polsko-niemieckiej granicy, w okolicach Szczecina. Obejmuje ona 40 betonowych wytwornic biogazu, każda o średnicy 28 metrów i pojemności 2500 m3, w których przebiega beztlenowa fermentacja roślin z gnojowicą. Każda z tych wytwornic biogazu, zawierającego 65% metanu obok 35% dwutlenku węgla i nieco siarkowodoru, tworzy samodzielny blok energetyczny o mocy 500 kW z 12 cylindrowym silnikiem Otta, sprzężonym z elektrogeneratorem. Siarkę z gazu usuwa się w relatywnie prosty sposób na rudzie żelazowej z udziałem powietrza. Teren wokół Penkun obejmuje 230 000 ha terenów rolniczych, na których w czasach NRD uprawiano 15% kukurydzy (bilansu krajowego) dla celów paszowych. Dla nowo zbudowanej biogazowni potrzeba 8 000 ha gruntów pod uprawę kukurydzy, ze sprzedaży której zarobek rolnika brutto wynosi 1000 € z 1 ha i przewyższa efektywnością ekonomiczną hodowlę bydła lub uprawę zbóż.
Cała elektrociepłownia przetwarza w bioreaktorach 300 000 – 350 000 t/r kukurydzy, 60 000 – 80 000 t/r gnojowicy z okolicznych gospodarstw rolnych oraz około 20 000 t/r zbóż. Osady pofermentacyjne, których po wysuszeniu będzie 25 000 t/r miesza się z 10% pyłu skalnego z kamieniołomów i uzyskuje wysokoefektywny nawóz rolniczy.
Z 1 ha uprawy kukurydzy uzyskuje się 3560 kg biogazu, którego wartość opałowa wynosi tyle, ile uzyskuje się z 4984 litrów benzyny. Jak widać na rys. 2 żaden inny proces przetwarzania biomasy do paliw silnikowych nie jest dziś tak efektywny, jak jej beztlenowa fermentacja.
Ten szybki i na ogromną skalę dokonujący się rozwój biopaliw odczuwa już większość ludzkości. W ubiegłym roku światowe ceny kukurydzy wzrosły aż o 80%. Doprowadziło to do masowych demonstracji w Meksyku, gdzie mączka kukurydziana jest jednym z głównych, codziennych artykułów spożywczych. W dodatku biedne kraje zwiększają eksport olejów roślinnych do Europy dla wytwórczości biodiesla. Produkuje się go w prosty sposób poprzez reestryfikację metanolem – a efektywniej octanem metylu (wg ostatniego wariantu uzyskuje się biodiesel wraz z biobenzynowym komponentem).
W efekcie tych działań biedni w krajach trzeciego świata głodują, by bogaci mogli jeździć autami, zasilanymi bioetanolem oraz biodieslem. Syntetycznie ujmuje to hasło: „Wdzięczność za udane żniwa owocuje pełnym bakiem paliwa”.
Tymczasem uprawa roślin oleistych w Europie nie jest tak efektywną, jak się powszechnie propaguje. Mówiąc bowiem, że z 1 ha ziemi uzyskać można 1550 litrów biodiesla, pomija się pokaźne nakłady energetyczne dla uprawy rzepaku. Z uzyskanej ilości biodiesla trzeba bowiem odjąć 150 litrów na hektar dla działających różnego rodzaju maszyn rolniczych oraz dodatkowo 300 litrów na produkcję potrzebnych nawozów i środków ochrony roślin. W ten sposób wytwórczość biodiesla brutto obniża się do poziomu netto 1100 litrów z 1 ha rocznie. Analogiczny spadek produkcji netto w przypadku bioetanolu jest procentowo jeszcze większy przez dodatkowe energochłonne operacje rektyfikacyjne.
Samochody oraz samoloty są skazane na paliwo o wysokiej koncentracji energetycznej, zajmujące mało miejsca i w dodatku winne wykazywać niewielką gęstość.
Stąd konieczność pilnego opracowania technologii produkcji biopaliw drugiej generacji, które nie będą wytwarzane ze spożywczych roślin lub ich części, ale z innych, a w dodatku będą osiągały znacznie większą produktywność z 1 ha rocznie.
Do tych roślin zalicza się drewno, słomę, trawę, itp. Dzięki temu istniejące obszary agrarne – a są one w większości krajów niemałe, co dokumentuje rys. 3 – będą wykorzystane znacznie efektywniej.
Wytwarzanie etanolu z drewna, czy słomy nie zostało dotąd opanowane w skali wielkoprzemysłowej. Rozpracowuje się tu różnorakie technologie. Jedna z nich – wysoce obiecująca – wykorzystuje enzymy z grzybni trichoderma reesei, która wygląda jak zielona pleśń na starym chlebie, co ilustruje rys. 4. Wyzwalane przez te grzybnie enzymy hydrolizują strukturę lignocelulozową drewna, czy słomy do cukrów, które przetwarza się następnie w etanol tak, jak dziś czyni się to ze zbóż, czy buraków cukrowych (Ch. Wüst; SPIEGEL SPECIAL, 57, 1, 2007 r.). Na tej drodze uzyska się rocznie z 1 ha uprawy drewna, czy słomy około 10 000 litrów etanolu. Jest to ponad trzykrotnie więcej niż dziś ze standardowych upraw rolniczych.
Kolejnym strategicznie ważnym biopaliwem drugiej generacji jest proces przetwarzania drewna do syntetycznej ropy, z maksymalizacją produkcji oleju napędowego dla silników Diesla. Stosowna technologia została opracowana przez firmę Choren we Freibergu, w RFN. Po pomyślnych testach w skali pilotowej jest obecnie – wspólnie z koncernem Shell – wdrażana na skalę przemysłową o wydajności 16,5 milionów litrów oleju napędowego rocznie. Proces bazuje w Iº naszybkiej pirolizie surowca w temperaturze około 500 st. C, a w II°uzyskiwany olej, gazy i koks są poddawane tlenowo-parowemu zgazowaniu. Wytworzoną mieszaninę tlenku węgla z wodorem przetwarza się następnie na kobaltowym katalizatorze do syntetycznej ropy wg metody Fischera-Tropscha. Tego typu ropa maksymalizuje produkcję oleju napędowego i bywa przerabiana do paliw silnikowych identycznie, jak naturalna w Polskim Koncernie Naftowym „ORLEN” w Płocku.
W tym procesie z 1 ha uprawy wierzby krzewiastej uzyskuje się rocznie około 4 ton ropy przy własnych kosztach produkcji oleju napędowego w wysokości 90 eurocentów za litr.
W obu tych – nowej generacji – przedsięwzięciach badawczo-wdrożeniowych biopaliw intensywnie działają liczne państwa Unii Europejskiej. Pora najwyższa, aby nasz kraj włączył się w te strategicznie ważne działania innowacyjne, tak w odniesieniu do rolnictwa jak i ze względu na bezpieczeństwo energetyczne Polski.
|
|
|
|
