Vývoj technologie výroby bioetanolu ze slámy v České republice úspěšně ukončen

Dílčí výstup řešení projektu NAZV QE 1324 "Technologie výroby bioetanolu z lignocelulózové fytomasy"

1. Úvod

Výroba bioetanolu jako obnovitelného motorového paliva nebo suroviny pro přípravu aditiv (ETBE) do benzínových směsí z lignocelulózních materiálů je dnes v popředí zájmu řady petrolejářských firem (Shell, Philips Petroleum, RAPAD). Na výzkum a vývoj v této oblasti jsou vynakládány řádově stovky milionů dolarů a vývoj již směřuje k pilotním jednotkám. Firma Shell informovala odbornou veřejnost, že do 6 měsíců bude mít vlastní know - how na výrobu bioetanolu ze slámy.

Výzkum v oblasti vývoje technologie výroby bioetanolu ze slámy ve VÚRV Praha Ruzyně, který je prováděn na poloprovozním zařízení MHZ-30/2 byl provázen především nedostatkem finančních prostředků. Celkový příspěvek MZe na výzkum v rozmezí 2,5 let je 1,6 mil. Kč. Zbytek, řádově 5 mil. Kč byl z vlastních finančních prostředků a z příspěvků sponzorů. V současné době je možné konstatovat, že na kontinuálním hydrolýzním zařízení o hodinovém výkonu zpracování 30 kg slámy bylo dosaženo parametrů požadovaného zvýšení výtěžnosti zkvasitelných cukrů. Vytvořená nová koncepce plnícího lisu s jednostupňovou hydrolýzou je zřejmě v kompaktním pojetí světově nová. Dosaženými výsledky jsme na tak velkém poloprovozním zařízení předběhli světové firmy usilující o řešení a jsme dnes schopni vytvořit projekt provozního zařízení o minimálním hodinovém výkonu 1000 kg slámy, který by byl ekonomicky efektivní. Zároveň jsme nabídli relevantním zahraničním firmám naše know-how na výrobu bioetanolu a dalších vedlejších žádaných výstupních produktů (lignin, fural, organické kyseliny).

2. Metodika

Před provedením vlastních experimentů bylo nutno připravit vstupní materiál (pšeničná sláma o zrnitosti 2 - 5 mm) a kalibrovat dávkované množství plnícím lisem k zajištění hydromodulu 1 : 5 (náběhově 1 : 10), nastavit příslušné otáčky šneků hydrolyzérů, zajišťujících požadovanou dobu expozice, zajistit požadovanou teplotu v obou hydrolyzérech a eventuální přídavek kyseliny. Zhydrolyzovaná suspense byla na filtračním lisu rozdělena na roztok hydrolýzních cukrů a tuhý ligno - celulózový podíl. Analýzu vstupní suroviny prováděla laboratoř VÚRV, laboratorní zhodnocení výstupu prováděla jednak laboratoř VÚRV a 3 nezávislé laboratoře dalších organizací (Mikropur, s.r.o.,Hradec Králové, Analab Praha 10, Labo MS, s.r.o. Praha 5)

3. Výsledky vlastní práce

Uvádíme výsledky jen významných zkoušek, některé sledované parametry neuvádíme z důvodu ochrany know-how. Jde o výsledky jen z prvního technologického kroku bez recyklace nezregenerované, ale již rozštěpené tuhé fáze v rozsahu cca 13,5 - 15% zpět do hydrolýzního procesu.

Výtěžnost hydrolýzních cukrů je vypočítána na základě chemických rozborů 3 organizací, které použily odlišné metody stanovení. Mikropur používá refraktometrickou metodu (polarizační měření nebylo možné provést vzhledem k silnému zabarvení vzorků), VÚRV stanovuje zkvasitelné cukry anhtronovou metodou a Analab použil metodu podle Auerabach - Bodländerové s reprezentací pouze glukózy. Výtěžnost s použitím této metody je zjišťována na základě vstupu celulózy.

Z tab. č. 1 vyplývá, že nejlepších výsledků bylo dosaženo při teplotě hydrolýzy 198°C, tlaku 1,5 MPa, expozicí 11 min a s nástřikem 0,5% kyseliny.

Z výstupu experimentu 4R vyplývá průměrná výtěžnost (ØMikropur a VÚRV) hydrolýzních cukrů 72% ze vstupu celulózy a hemicelulózy. Z dříve provedených experimentů s recyklací nezreagované, ale již rozštěpené tuhé fáze je možno v přepočtu na původní vstup získat minimálně dalších 8% hydrolýzních cukrů.

Přídavkem 1 kg pšeničné slámy o vlhkosti 15% aplikovaného v experimentech vstupů do systému 0,85 kg sušiny, 0,38 kg celulózy a 0,26 kg hemicelulózy, celkem 0,64 kg celulózových substrátů. Při předpokládané výtěžnosti 80% je možno z 1 kg pšeničné slámy získat 0,51 kg hydrolýzních cukrů z převahou glukózy. Z tohoto množství hydrolýzních cukrů je možno získat 0,26 kg bioetanolu, což představuje cca 0,33 l bezvodého alkoholu (98%).

Z 1 t pšeničné slámy je možno získat 330 l bezvodého alkoholu.

4. Návrh na využití výzkumných výsledků

Vyřešená technologie výroby bioetanolu ze slámy, vykazující prvky světové novosti by měla podstatně snížit výrobní náklady bezvodého bioetanolu ve srovnání s produkcí stávajících agrobioetanolů. Lze předpokládat, že stávající agrární politika nebude tento způsob výroby bioetanolu podporovat, neboť bude konkurovat agrolihovarům zpracovávajícím klasické lihové plodiny nižšími výrobními náklady.

Z hlediska podpory obnovitelných energií tato technologie nevykazuje na jednotku investičních a provozních nákladů takový efekt bioenergie jako vzniká v kotelnách na spalování biomasy. Použití bioetanolu je ekologicky významné jako oktanové přísady do benzínových směsí (ETBE) pro zážehové motory, snižující zároveň emise CO a uhlovodíků. Přísada bioetanolu do paliv pro vznětové motory silně redukuje kouřové částice, což je žádané např. u městských autobusů.

Na základě dosažených výzkumných výsledků navrhujeme projekt "Centrum výroby fytopaliv", který by byl vhodný zejména pro severozápadní Čechy. V tomto projektu uvažujeme, že část výtěžku hemicelulózních cukrů bude použita k výrobě 2-furaldehydu (furalu) a vedlejšími produkty bezvodého bioetanolu bude čistý lignin a organické kyseliny. Jednotkové ceny těchto produktů v současné době násobně převyšují cenu bioetanolu. Z důvodu vyššího využití některých zařízení (kotelna, sušárna, dezintegrátory) bude součástí "centra"i linka na výrobu topných pelet a briketovací linka.

5. Centrum výroby fytopaliv

V zařízení budou použity tří technologické linky:

1. linka k výrobě topných pelet,
2. briketovací linka,
3. linka pro tepelně tlakovou hydrolýzu biomasy včetně linky pro výrobu bezvodého bioetanolu.

Tyto linky budou mít společné zařízení pro výrobu tepelné energie na bázi biomasy (teplo pro sušení biomasy a pro hydrolyzéry a destilaci). Společné bude rovněž drtící zařízení pro fytomasu. Výrobní linky budou umístěny spolu s energetickým zařízením ve výrobní hale. Dalším stavebním objektem bude sklad biomasy a sklad produktů.

Investiční náklady

Technologický soubor pro výrobu peletek
včetně drtícího zařízení, 10 000 t / rok	8 mil. Kč
briketovací linka 20 000 t / rok	9 mil. Kč
kotelna a sušárna	7 mil. Kč
hydrolýzní linka a linka výroby bioetanolu	63 mil. Kč
technologické soubory celkem	87 mil. Kč
stavební objekty (výrobní hala a sklad biomasy a výrobků	13 mil. Kč
Investiční náklady celkem	100 mil. Kč
Roční výrobní náklady
Biomasa včetně dopravy	55,000 mil. Kč
Odpisy	6,295 mil. Kč
Opravy a údržba	5,180 mil. Kč
Osobní náklady (30 pracovníků)	7,890 mil. Kč
Elektrická energie	10,500 mil. Kč
Ostatní výrobní a správní režie	16,973 mil. Kč
Celkem	101,838 mil. Kč

Roční výroba

Hrubý zisk

Příjem mil. Kč	120,108 mil. Kč
Náklady mil. Kč	101,838 mil. Kč
Hrubý zisk	18,270 mil. Kč

Návratnost investice

Investiční náklady	100
------------------------------	= -----------------------------------	= 4,07 let
hrubý zisk + odpisy	18,270 + 6,297

Vytvořený počet pracovních míst při provozu investice:

a) na výrobním závodě	30 pracovních míst
b) při produkci a dopravě biomasy	110 pracovních míst
Celkem	140 pracovních míst

6. Závěr

Na základě provedeného výzkumu na poloprovozním hydrolýzním zařízení MHZ-30/2 byla navržena nová technologie výroby bioetanolu ze slámy obilnin a olejnin. V této technologii je dosahováno 80% výtěžnosti cukrů ze vstupu celulóz a hemicelulóz.

Pro podmínky České republiky byl navržen ekonomicky efektivní záměr Centra výroby biopaliv s roční produkcí 1346 t bezvodého bioetanolu a 30 000 t tvarovaných fytopaliv, který zajistí 30 nových pracovních míst na výrobním závodě a 110 dalších pracovních míst v zemědělství a ve službách.

Anotace

Vývoj technologie výroby bioetanolu ze slámy byl v České republice úspěšně ukončen

Výzkum byl prováděn na poloprovozním hydrolýzním zařízení o hodinovém výkonu 30 kg vstupní suroviny. Nejlepších výsledků bylo dosaženo při teplotě 198°C, tlaku 1,5 MPa s expozicí po dobu 11 min. a s nástřikem 0,5% kyseliny. Dosažená výtěžnost hydrolýzních cukrů ze vstupu celulózy a hemicelulózy je 72% s recyklem nezreagované, ale již rozštěpené tuhé fáze až 80%. Z 1 t pšeničné slámy je možno získat až 330 l bezvodého bioetanolu.

Na základě dosažených výsledků byla vytvořena kompaktní světově nová technologie.

Tweet

Regulace teploty plynových motorů

Technologie zvyšující efektivitu výroby bioplynu

Bioodpady z našich kuchyní: Cesty k hygienickému a udržitelnému zpracování

Efektivní hospodaření s digestátem

Výpočty úspor emisí v bioplynu, biometanu a pevné biomase