Další vývoj v oblasti kapalných biopaliv

Když Rudolf Diesel v roce 1898 poprvé demonstroval svůj tlakově vznětový motor na výstavě v Paříži, použil olej z burských oříšků: Diesel věřil v biomasu jako zdroje pro paliva a rostlinný olej se pak používal až do roku 1920. V oblasti motorových paliv benzínového typu byl průkopníkem Henry Ford se svým modelem T motoru na etanol z kukuřice.

Po roce 1920 ale byla biopaliva nahrazena naftou z ropy. Zlatá éra ropy pak trvala desítky let až do dvou významných ropných krizí: první v roce 1973-1974 (arabské ropné embargo) a druhé v roce 1978-1979 (Iránská revoluce). Země OPEC, kontrolující majoritu, redukovaly dodávky a zvýšily ceny. Ve Spojených státech si tehdy plně uvědomili svoji závislost na cizích zdrojích – a od této doby se rozvíjí i serioznější výzkum v oblasti aplikace bionafty a bioetanolu.

Klasická biopaliva v dopravě

Klasické bio-aplikace v transportním průmyslu jsou v současnosti oleje, bionafta a bioetanol (biolíh).

Oleje

U robustnějších vznětových motorů lze, na první pohled bezproblémově, aplikovat jako palivo přímo olej. A to olej jakýkoli, tedy i použitý fritovací olej například od Mac Donalds. Jenže oleje při spalování v dieselovém motoru hoří nedokonale a i když jsou spaliny z hlediska skleníkových plynů celkem pozitivní, je zde jeden významný negativní ukazatel: Procento malých nespalitelných částic na milión molekul vzduchu (tzv. ppm částic) je zde řádově vyšší než u jiných paliv. Tyto malé částice jsou karcinogeny a masová aplikace spalování olejů by pravděpodobně vedla k vyššímu výskytu rakoviny v populaci. Zdá se, že tudy cesta pokroku nevede.

Bionafta

Vyrábí se zušlechtěním olejů chemickým procesem, tzv. transesterifikací, kdy vzniká methyl ester mastných kyselin a jako vedlejší produkt-glycerol.
Jako výchozí surovina může sloužit jakýkoli olej či tuk. V ČR je to hlavně  řepkový olej a v tom případe vzniká methyl ester řepkového oleje (MEŘO). Ve světě ale funguje, ve své podstatě nesmyslný, transport zdrojového oleje, např. palmového, z jednoho místa zeměkoule na druhé ke zpracování v transesterifikační (potažmo hydrogenační) zpracovatelské technologii.
MEŘO lze přimíchávat do nafty. Prozatímní složení, podpořena legislativou, je do 5 % obsahu MEŘO a 95 % stávající nafty. Podíl do 5 % je ale velmi malý - o „bionaftě“ by se mělo mluvit až když je když podíl MEŘO nad 30 %. O větších podílech se ale prozatím reálně neuvažuje.

Bioetanol

Známá a technologicky dostupná je cesta rozkladu cukrů a škrobů na alkoholy, v našich podmínkách na etanol, případně butanol. Výsledné palivo má sice horší vlastnosti než benzín (nižší vypařovací tlaky, nižší energetická hodnota atd.) nicméně lze zjednodušeně říct, že etanol lze bez problému přimíchávat do benzínu až do poměru 100 %. Na čistý etanol jezdí dnes i tzv. FFV automobily (Fuel Flexible Vehicle), které si dovedou sami nastavit spalovací poměry podle toho, v jakém výsledném poměru je etanol a benzín v nádrži.

Důvody pro paliva 2. generace

Logické otázky zní: Proč nepostačuje jen intenzifikace a zvýšení produkce stávajících biopaliv tzv. 1.generace? Proč je třeba vyvíjet tzv. 2.generace biopaliv? Důvodů je několik:

Spor potraviny versus biopaliva

„Biopaliva jsou příčinou světového hladu a celosvětového růstu cen potravin.“
Tento výrok jsme slyšeli jak z Bruselu, tak z české Agrární komory. Skutečnost je však složitější.

V podmínkách ČR, kde se množství neobdělávané půdy odhaduje ve statisících hektarů, to rozhodně pravda není a množství půdy zde v důsledku neobdělávání postupně degraduje. V celosvětovém kontextu je tomu ale jinak. Například v tzv. třetím světě, kde místní statkář zajišťuje potraviny pro lokální komunity s průměrným příjmem pod 2 UDS/den/osobu, je současná situace poměrně stabilní. Nicméně je těžké odhadnout, jak se tento statkář zachová při objednávce z vyspělého světa na olejnatou či cukrnatou plodinu (případně jakoukoli lokální biomasu) za násobně vyšší cenu, než mu nabízí stávající sice stabilní, ale chudé okolí. Pragmatický ekonom v tom asi problém nevidí, ale obávám se, že důsledně trvat na volném trhu v této oblasti je krátkozraké. Prozíravější je ponechávat stávající stabilní komunity ve stavu stability a hledat obnovitelné zdroje na lokálních úrovních.

Energetická bilance biopaliv v celém životním cyklu

Tento pojem se začal uplatňovat koncem 80tých let minulého století. Proces výroby biopaliv se tehdy začal pojímat mnohem komplexněji: Řetězec biopaliv se začal bilancovat již od prvního zaorání a osevu výchozí plodiny pro biomasu, přes bilanci zemědělské produkce a související transporty, až po užití v energetice, tedy v našem případě spálením v motoru. Komplexnost tohoto přístupu, tzv. LCA (Life Cycle Assessment – bilance životního cyklu) se vztahuje k oběma zásadním indikátorům výroby biopaliv – tedy energetické a environmentální stránce.

V energetické bilanci se etabloval ukazatel E/R (energy/ratio) – tedy podíl energie vstupující do procesu výroby a energie získané z výsledního paliva. Čím je podíl vstupu nižší a výstupu vyšší, tím více E/R klesá (neboli čím menší číslo, tím lépe). Když je poměr větší než jedna, proces je neefektivní, neboť je třeba vložit víc energie, než  získáme.

Výzkumu v této oblasti se účastnilo mnoho institucí, i když s částečně rozdílnými výsledky zejména z důvodů nejednotné metodologie. Analyzovala se bilance při transferu ze základních vstupních surovin -  cukrová řepa, obiloviny, kukuřice a lignoceluloza (1) (graf 2). Při hypotetické přímé aplikaci E 100 (přímá aplikace 100% etanolu jako paliva) vychází průměrná hodnota E/R u cukrovky a obilovin 1,6 u kukuřice kolem 1,2 u lignocelulózy dokonce nad 3. Tyto hodnoty se objevují v většiny národních výzkumních institucí.

V oblasti MEŘO vychází LCA lépe než u etanolu a řepka je navíc výbornou zemědělskou předplodinou. Nicméně je zde problém z hlediska nepřiměřené výměry řepky olejky, resp. biodiverzity. Řepka olejka by měla v zemědělství zůstat jen doplňkovou plodinou a neměla by převzít roli hlavní plodiny.

Environmentální bilance biopaliv v celém životním cyklu

Obdobně byla v kontextu celého cyklu (LCA)  analyzována i produkce skleníkových plynů, především CO2.

Nejpropracovanější je pravděpodobně kalkulátor, který vznikl na Imperial College London (2).Celý proces výroby bioetanolu je zde podrobně analyzován a zadáním konkrétních parametrů (v oblasti hnojení, transportů, atd.) je možné dospět k výsledným hodnotám konkrétního výrobního případu. LCA zde začíná kultivací půdy, obvyklou metodologii pěstování a aplikací herbicidů, pesticidů, sklizně, zpracování a tak dále. Hovoří se o tzv. CO2 equivalentu, který zohledňuje mix všech skleníkových plynů (viz grafy 3 a 4).. Zjistilo se, že spalování samotného biopaliva je sice výrazně pozitivní v porovnání se spalováním fosilního paliva, ale je zde i něco jako „výrobní agro fáze“ paliva.

LCA - největší „problém“ biopaliv

Bilance životního cyklu biopaliv (LCA) ukazují, že energetická či environmentální náročnost těžby a likvidace stávajícího fosilního zdroje je nepoměrně nižší, než u stávajících biopaliv 1.generace. V této oblasti to obnovitelný zdroj skutečně „nemá jednoduché“: Na jedné straně je lokálně koncentrovaný fosilní podzemní zdroj, který příroda tvořila miliony let. Tuto „práci“ ale naše společnost kalkuluje a oceňuje nulovou hodnotou, resp. ji nemá komu zaplatit. Považuje ji za benefit vlastníka zemského povrchu, pod kterým se ložisko nachází. Na druhé straně obnovitelný zdroj na zemském povrchu je lokálně rozptýlen na velkých plochách, a to i jak v rámci zajištění biodiverzity, tak kvůli potravinové bezpečnosti společnosti. Náklady optimálně lokalizované vrtné soupravy včetně jejího provozu a těžby milionů barelu ropy jsou nesrovnatelně nižší než náklady na obhospodaření půdy, její rekultivace a sklizeň energetických plodin. Lze tedy vůbec fosilní zdroj „porazit“ zdrojem obnovitelným? A splní tento cíl 2.generace?

Perspektivní zdroje

Samotné biopalivo je při spalování z hlediska skleníkových plynů výrazně příznivější než fosilní palivo (mimo přímého spalování olejů). Tato výhoda je ale z hlediska LCA eliminována právě fází obnovitelnosti, kterou paradoxně fosilní palivo v sobě vůbec neobsahuje. Problematika se tedy přesouvá nejprve do roviny výchozí suroviny.
Základní otázkou je, zda je vůbec možné zajištění takové obnovitelné suroviny, která je z hlediska LCA srovnatelná z těžbou fosilního zdroje. Kladnou odpovědí může být jen nová, levná a ekologická zdrojová báze. Tedy „odpad“, či hmota, kterou člověk (ani zvíře) primárně nepotřebuje a navíc získaná na lokální úrovni. A právě proto je dnes už i jakýkoli odpad (včetně komunálního) potenciálně řazen do kategorie suroviny.
Otevírá se prostor a perspektiva zejména pro tyto zdroje:

Dendromasa:

• lesní těžební zbytky a nehroubí, případně prořezávky
• rychle rostoucí dřeviny (RRD) – především vrby a topoly, případně miscanthus

Biomasa:

• cíleně pěstované energetické plodiny
• zemědělské zbytky, sláma, lusky a podobně
• trvale travnaté porosty (TTP)
• řasy a mikrořasy

Odpady:

• biologicky rozložitelný komunální odpad (BRKO)
• kejda
• druhotné suroviny

Racionální přístup ke zdrojům biopaliv ale musí mít jinou podstatu, než je přístup ke stávajícím zdrojům energie. Především nesmí jít o dobývání a likvidaci ložisek. Na druhou stranu ale musí pravidla obnovitelnosti, biodiverzity, potravinové bezpečnosti vystoupit z roviny prázdných hesel do roviny uchopitelné. Proto se již ve světě připravují postupy (certifikace) jednotlivých kroků (graf 5).

Perspektivní technologie

Technologicky lze 2. generaci biopaliv rozdělit v zásadě na dva základní způsoby – fermentaci (kvašení) a gasifikaci (zplyňování).

Škála finálních biopaliv z obou procesů je široká (platí to zejména pro gasifikaci) a z obou cest je možné získat vodík, což je perspektivně velmi významný zdroj energie (graf 6). Všeobecně také platí, že cesta fermentace vede spíše k benzínovým typům a gasifikace spíš k palivům dieselového typu (graf 7).

Je nutné ale mít na zřeteli, že 2. generace biopaliv není prozatím komerčně dostupná. Největší výroba je v německé firmě Choren (gasifikace) a v kanadské firmě IOGEN (fermentace). U obou je vstupní surovinou dřevní štěpka.

Ani 2.generace však není konečná a již dnes je třeba rozvíjet zejména tzv. princip biorafinerie, tj. prvotní separace všech chemických frakcí vhodných pro medicínu a kosmetiku, či přímo pro chemický průmysl (graf 8).

Integrovaný přístup biorafinerie je ale z dnešního pohledu budoucnost vzdálená desítky let. V ČR je dnes nezbytné otevřít alespoň prostor pro 2.generaci, neboť na našem území není v současnosti v provozu žádná významnější jednotka (když pomineme laboratorní gasifikátory v Ústavu chemických procesů Akademie věd, či malé zplyňovací jednotky na vysokých školách v Brně a Ostravě). Dokonce lze konstatovat, že nám v tomto směru tak trochu „ujíždí vlak“.

Zdroje:

• (1) http://www.ethaplus.ch/fileadmin/templates/main/pdf/argus/ENERS_EBCE_2005_Article.pdf
• (2) http://www.hgca.com/document.aspx?fn=load&media_id=2324&publicationId=2732
• (3) Concawe, EUCAR a JRC/IES: Well-to-Wheels Analysis of Future Automotive Fuels and Powertrains in the European Kontext

Tweet

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu