Trvale udržitelná výroba bioetanolu

Úvod

K napsání tohoto sdělení mne vedla studie z University of California, Berkeley a Cornell University (USA), zabývající se efektivností výroby bioethanolu z kukuřice, ze které vyplývá, že celková vstupní energie při výrobě bioethanolu z kukuřice je 3,4krát větší než je energetická hodnota vyrobeného bioethanolu. Autoři studie uvádí, že vstupní hodnota energie je 241 GJ/ha a energetický obsah vyrobeného bioethanolu pouze 68,2 GJ/ha. To je s ohledem na nutnost zavádění produkce bioethanolu, vyplývající z požadavků Evropské unie tristní výsledek, který je výrazně aplikován na internetové stránce jaderných energetiků „Pro Atom web“ s cílem zesměšnění snahy o zavádění bioenergií. Při blízkém seznámení s příslušnou studií naleznete chybu, která by se dala tolerovat ještě u gymnaziálních studentů, ale nikoliv u univerzitních vědců. Do vstupu energií byla započtena i energie získaná fotosyntézou ve výši 160 GJ/ha, kterou je nesmyslně navýšen input energií, který by podle mého názoru neměl zahrnovat obnovitelné energie. Ale i v případě, že zahrneme do položky input pouze energii spotřebovanou na pěstování kukuřice dodanou ve formě pohonných hmot, pracovní síly, energie ve hnojivech, pesticidech, mechanizace apod. ve výši 29,3 GJ/ha a k tomu připočteme energii na vlastní transformaci kukuřice na bioethanol ve výši 52,0 GJ/ha, je celková energie v důsledku antropogenních vstupů ve výši 81,3 GJ/ha a poměr vstup/výstup se snižuje na 1,19. Ale ani tento poměr nezabezpečuje trvale udržitelnou výrobu bez dotace z jiných druhů fosilních energií. Proto chceme nabídnout odborné veřejnosti výrobu bioethanolu z vedlejších produktů a odpadů lignocelulózového charakteru nebo dokonce z odpadního papíru z občanského sběru, kde energetické vklady na pěstování lihových plodin jsou nahrazeny příznivějšími náklady na svoz a úpravu odpadů a vedlejších produktů. Tato technologie vznikla na základě řešení výzkumného projektu NAZV. V současné době, kdy po některých úplatkářských aférách je výroba bioethanolu v České republice předmětem volné soutěže se zvýšil zájem o tuto technologii a její know-how ze strany investorů. Proto jsem se rozhodl zveřejnit i některé dosud nepublikované údaje z této technologie.

Nezbytnost výroby bioethanolu

Plán odpadového hospodářství České republiky klade důraz na materiálové využívání odpadů. Při materiálovém využívání biologicky rozložitelných odpadů jsme si vytyčili cíl rozšířit stávající technologie kompostování a výroby bioplynu na výrobu motorových biopaliv a to zejména na bioethanol. Tato snaha koresponduje se snahou Evropské unie nahradit do roku 2020 jednu pětinu spotřeby fosilních pohonných hmot alternativními palivy a pro Českou republiku byl stanoven indikativní cíl zvýšení podílu biopaliv v roce 2010 na 6%, což představuje ke stávající výrobě bionafty zajistit výrobu minimálně dvou milionů hektolitrů bioethanolu ročně.

S očekáváním ukončení těžby ropy v tomto století se bioethanol již v řadě států využívá nejčastěji jako složka ETBE (Ethylterc-butyl-éteru) přidávané 13-15% hm. do bezolovnatých benzínů typu Natural jako aditivum. Existuje však celá řada dalších alkoholových motorových paliv, zejména pro vznětové motory. Při využití ethanolu k výrobě paliv jde v České republice zásadně o tzv. agroalkohol vyráběný klasickým postupem z cukernatých nebo škrobnatých zemědělských plodin. S ohledem na drahou zpracovávanou surovinu je tento způsob nemyslitelný bez dotačních podpůrných programů. Při řešení výzkumného projektu zpracování odpadu na bioethanol jsme vycházeli z pracovní hypotézy, že bioethanol získaný zpracováním bioodpadů bude levnější než vyráběné agroalkoholy, do kterých se promítá cena za nákup suroviny. Navíc lze uvažovat s environmentálními efekty v důsledku zpracování odpadů. Zaměřili jsme se na bioodpady s vysokým obsahem lignocelulózy, zejména na odpady z rostlinných tkání, odpady z lesnictví, odpady ze zpracování dřeva a výroby papíru a celulózy a z komunálních bioodpadů na papír a lepenku z odděleného sběru, dřevo neobsahující nebezpečné látky a na biologicky rozložitelný odpad ze zahrad a parků.

Technologie zpracování odpadů na bioethanol

Teoretickým základem této technologie je hydrolýza odpadních hmot na bázi rostlinných tkání prováděná při teplotě 180 - 210°C a při tlaku 1,1 - 1,6 MPa v kyselém prostředí. Při této hydrolýze dochází k rozštěpení lignocelulózového komplexu a k přeměně celulózy na glukózové sacharidy a k přeměně hemicelulóz na zkvasitelné hemicelulózové cukry. Vedlejšími produkty této hydrolýzy je surový lignin, fural a organické kyseliny. Tyto vedlejší produkty se dají upravit na žádané suroviny (čistý lignin, 92% fural, kyselina octová a mravenčí). V návaznosti na hydrolýzu se získaný cukerný roztok zpracovává klasickým lihovým kvašením.

Při řešení vlastního projektu jsme se zaměřili na vývoj kontinuální technologie zpracování lignocelulózových odpadů na poloprovozním malotonážním hydrolýzním zařízení (obrázek č.1). Toto zařízení o zpracovatelském výkonu 30 kg . h^-1 upravených odpadů bylo vybudováno v areálu Výzkumného ústavu rostlinné výroby v Praze - Ruzyni a po provedení řady technických úprav sloužilo pro provádění hydrolýzních experimentů. Součástí této linky je i zařízení na rozdělení hydrolyzované suspenze na cukerný roztok a na tuhou nezreagovanou fázi obsahující lignin a zbytkovou celulózu (obr. č.2). Technickým problémem kontinuální jednostupňové hydrolýzy bylo zejména konstrukční řešení plnících, přivádějících a výtlačných lisů umožňujících transport suspenzí do vysokého protitlaku v hydrolyzérech (obr. č.3) a vyřešení koncepce tepelné jednotky olejového ohřevu. V průběhu řešení vyplynula nezbytnost nástřiku cca 0,5 - 0,75% kyseliny (HCl) tak, aby hydrolýza probíhala při pH cca 3,5. Hydrolyzovaná hmota je předávána do expanderů, kde dojde k jejímu ochlazení a ke snížení tlaku. Parní fáze z expanderů je přes tepelný výměník vedena do zásobníku furalové směsi, ze kterého je prováděna separace furalu.

Obr. 2: Zařízení na rozdělení hydrolyzované suspenze

Obr. 3: Hadrolyzér a plnící, přiváděcí a výtlačné lisy

Při provádění experimentů na poloprovozním hydrolýzním zařízení bylo nutno řešit řadu problémů, spočívajících v mechanické úpravě odpadu, zabezpečující bezproblémový průchod suspenze zařízením. Experimenty s jednotlivými druhy lignocelulózových odpadů umožnily zjistit optimální tlakové a teplotní parametry hydrolýzy a optimální dobu expozice při kterých dojde k nejvyšším výtěžkům zkvasitelných cukrů a dalších vedlejších produktů (fural). Zejména hydrolýza dřevního odpadu ve formě štěpky činila značné potíže z důvodů protáčení hrubé suspenze ve šnekovnicích hydrolyzérů i plnící jednotky. Tento nedostatek byl úspěšně vyřešen kontinuálním rozvlákňováním dřevního odpadu na extruderu se dvěma rozvlákňovacími šneky vyhřívanými na teplotu 240 – 260°C.

Experimenty prováděné na hydrolyzačním zařízení

Jako první modelový typ rostlinného odpadu byla použita pšeničná sláma drcená na zrnitost 5-10 mm. Nejvyšší výtěžek zkvasitelných cukrů při hydrolýze pšeničné slámy byl získán při teplotě 198°C, tlaku 1,5 MPa a při expozici 11 minut s nástřikem kyseliny na pH 3,5. Za těchto podmínek bylo získáno z 1 kg pšeničné slámy 0,51 kg hydrolýzních cukrů s převahou glukózy, což umožnilo získat kvasným procesem 0,26 kg bioethanolu, tj. 0,33 l bezvodého alkoholu. Obdobná výtěžnost byla dosažena i u ostatních nedřevních rostlinných odpadů (kukuřičné oklásky, odpad ze zeleně). V nejúspěšnějším experimentu s hydrolýzou extrudovaného odpadu z lesní těžby (smrkové dřevo) při teplotě 200°C a tlaku 1,6 MPa bylo získáno v sušině hydrolyzátu 46,2% sacharidů, kdežto při hydrolýze pšeničné slámy bylo v sušině hydrolyzátu získáno 67,4% cukrů. Z l kg sušiny smrkového dřeva bylo získáno 0,35 kg hydrolýzních cukrů, což umožnilo získat 0,17 kg bioethanolu. Tento údaj však nelze zobecnit, neboť dřevní odpad vykazuje rozdílné chemické složení v závislosti na druhu a stáří dřeviny, zda půjde o odpad z těžby nebo z průřezů nebo ze zpracování dřeva.

Dalším odpadem, který jsme zpracovali na bioethanol, byl papír z odděleného domácího sběru po odstranění tiskových barev v recyklační lince. Pro hydrolýzu jsou též vhodná krátká celulózová vlákna nepoužitelná pro výrobu kvalitního papíru (primární papírenský kal). Při hydrolýze těchto hmot odpadají problémy z přítomnosti ligninu a hemicelulóz v odpadu, které jsme museli řešit při hydrolýze rostlinných odpadů. Při hydrolýze suspenze obsahující rozvlákněný papír a lepenku nastávalo intenzivní pěnění v hydrolyzérech a nalepování jemných nečistot na bázi polymerních látek v hustotě blízké hustotě celulózy na teplonosné plochy s následným snížením přístupu tepla a výtěžnosti hydrolýzních produktů. Tento jev nastal pouze při zpracování suspenze rozmělněného papíru a lepenky bez jakýchkoli dalších přídavků. Již při přídavku cca 30% zrnitosti drcení slámy nebo rozvlákněných dřevních odpadů do suspenze rozvlákněného papíru a lepenky, došlo k omezení negativních jevů při hydrolýze a k podstatnému zvýšení výtěžnosti hydrolýzních cukrů, zejména při nižším pH. Hydrolyzováním suspenze obsahující 0,7 kg rozmělněného papíru a 0,3 kg drcené slámy se podařilo získat 0,5 kg glukózy a následně 0,25 kg bezvodého bioethanolu. Domnívám se, že zpracování části sběrového papíru a papírenských odpadů na palivový bioethanol je reálnou technologií s vysokým environmentálním efektem.

Tabulka 1: Hydrolýza drcené slámy

Teplota °C	Tlak MPa	Expozice min.	Výtěžnost cukrů kg/t suš.	Výtěžnost bioetanol (98%) l/t suš.
185	1,1	10	257	174
195	1,4	12	329	223
198	1,5	12	382	259
195	1,5	14 (recykl)	431	292
198	1,5	14 (recykl)	510	329

Tabulka 2: Hydrolýza dalších odpadů

Odpad	Teplota °C	Tlak MPa	Expozice min.	Výtěžnost cukrů kg/t suš.	Výtěžnost bioetanol l/t suš.
Dřevo	185	1,1	12	209	142
Dřevo (recykl)	205	1,6	12	347	215
Papír	195	1,4	12	352	238
Papír	205	1,6	12	397	269
Papír + sláma	205	1,6	12	448	303

Možnosti praktického využití výsledků výzkumu

Reálné využití technologie zpracování lignocelulózových a celulózových odpadů na bioethanol a další produkty závisí na ekonomické efektivnosti zpracovatelského závodu. Uvažujeme zpracování lignocelulózových odpadních hmot na bioethanol bez jakékoliv státní podpory. Tuto podporu v České republice obdrží pouze výroba bioethanolu ze zemědělských surovin. Na základě připravené studie proveditelnosti budou investiční náklady závodu o hodinové zpracovatelské kapacitě 1 t sušiny odpadů 62 mil. Kč. Se čtyřsměnným provozem tohoto zařízení je uvažováno ročně 300 dnů. Roční zpracovatelská kapacita je v přepočtu na sušinu 7200 t. Předpokládáme roční zpracování 3600 t papíru ze separovaného sběru a 7000 t dřevního a rostlinného odpadu. Předpokládaná roční produkce bezvodého bioethanolu bude 1,8 mil. l s realizační cenou 14,00 Kč . l^-1. Dalším produktem bude 360 t čistého ligninu s realizační cenou 17 Kč . kg^-1 a 274 t furalu 92% s realizační cenou 26 Kč. kg^-1. Celkový roční příjem zpracovatelského zařízení bude 38,444 mil. Kč. Fural bude využíván v chemickém a farmaceutickém průmyslu s ve stavebnictví. Lihové výpalky budou zbioplynovány, energie bioplynu bude využita k výrobě tepla pro hydrolýzu a destilaci. Digestát bude využit pro výrobu kompostu, čímž vznikne bezodpadový provoz.

Roční náklady bez odpisů budou 23,03 mil. Kč. Návratnost vynaložených investic bude 6,55 let, což s ohledem na životnost investic představuje vysokou ekonomickou efektivnost. Zařízení v čtyřsměnném provozu zaměstná 21 pracovníků.

Závěr

Výroba bioethanolu a dalších surovin z lignocelulózových a celulózových odpadů je ekonomicky efektivní i bez státní intervence a je konkurenceschopná tzv. agrolihovarům, které předpokládají, že výrobní náklady na nově vybudovaných zařízením představují 17 – 19 Kč . l^-1 bioethanolu. Námi navržený způsob výroby bioethanolu je ve srovnání s tradičním výrobou efektivnější též ekologicky a energeticky.
 

Příspěvek byl zpracován v rámci výzkumného záměru MZE 0002700601 „Principy vytváření kalibrace a validace trvale udržitelných a produktivních systémů hospodaření na půdě“.

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