Potenciál Slovenska pre LCF biorafinérie

Jedným z najväčších spracovateľov lignocelulózových materiálov na Slovensku je celulózo-papierenský priemysel. Hlavné výstupy sú buničina a papier, ale aj produkcia elektrickej a tepelnej energie. Z dôvodu náhrady fosílnych zdrojov obnoviteľnými zdrojmi sa predpokladá sa, že celulózo-papierenský priemysel sa transformuje na LCF biorafinérie (Ligno-Cellulosic Feedstock Biorefinery - LCF Biorefinery).

Biorafinácia predstavuje proces spracovania biomasy na spektrum bio-produktov (potravín, krmív, chemikálií a materiálov) a bioenergiu (biopalivá, elektrickú a tepelnú). Biorafinéria využíva konverzné technológie na premenu biomasy na palivo, energiu a na chemikálie s pridanou hodnotou [1-6], a tak nahrádza doteraz používané fosílne zdroje surovín.

Súčasná situácia

Celulózo-papierenský priemysel je celosvetovo jedným z najväčších priemyselných odvetví spracovávajúcich obnoviteľnú biomasu. Výhodou je, že vyrobené produkty sú recyklovateľné. V súčasnosti je základným produktom buničina a papier, spálením rozpustených organických podielov dreva vzniká tiež energia.

Celoslovenská výroba buničiny bola v roku 2008 asi 600 000 t/rok. V prvom polroku 2009 sa na Slovensku vyrobilo 468 543 ton papiera a lepenky. Z toho 274 928 ton grafických papierov, 68 334 ton hygienických papierov a 125 281 ton baliacich papierov a lepeniek. V tomto období sa spracovalo 1146 205 m³ drevnej hmoty, z toho 191 367 m³ z dovozu. Ako konkrétny príklad materiálovej a energetickej bilancie uvádzame sulfátovú celulózku v Hencovciach, Vranov nad Topľou, ktorá spracováva 405 000 t dreva, produkuje 130 000 t buničiny, tepelnej energie 1631 TJ/rok a elektrickej energie 27 MW/rok.

Rozdiel medzi vstupom suroviny a výstupným produktom, ktorý predstavuje 275 000 ton hmoty, sa síce v súčasnosti zužitkuje vo forme energie, ale v biorafinérii by sa dali z tejto hmoty získať ešte zlúčeniny s pridanou hodnotou a zvyšok by sa využil ako zdroj energie.

Produkty výroby

Produktom delignifikačných postupov sú celulózové vlákna (surovina na výrobu papiera, viskózových vlákien, celofánových fólií a.i.). Približne 50 % vstupnej suroviny, hlavne lignínu sa chemicky rozpúšťa a po odparení vody sa spaľuje v kotle, pričom sa produkuje para pre výrobu elektrickej energie a procesová para pre použitie vo výrobe buničín a papiera [7]. Pri výrobe 1 tony sulfátovej buničiny z ihličnatých druhov dreva možno získať súčasne 1,19 t organického materiálu rozpusteného v čiernom lúhu. Hlavnými zložkami čierneho lúhu sú pritom lignín a hydroxykarboxylové kyseliny, extraktívne látky, alifatické kyseliny a metanol. Popri buničine sa získa tiež kôra, talový olej a terpentín.

Všetky tieto zložky sa môžu ďalej spracovať na chemikálie, materiály a konečný zvyšok z ich spracovania na energie. Extrakty z vodnej predhydrolýzy dreva sú zdrojom pentózanov a hemicelulóz, môžu byť zdrojom aditív pre buničinové vlákna, ďalej aditív pre zlepšenie bariérových vlastností a hydrogélov. Lignín môže byť zdrojom pre produkciu fenolických zlúčenín, uhlíkových vlákien, glejidiel a látok pre zlepšenie vlastností pôdy, pevných alebo kvapalných palív a ako zdroj pre výrobu elektrickej energie [8] (schéma 1).

Príležitosť pre LCF

Množstvo biomasy, ktoré každoročne celulózo-papierenský priemysel spracováva, ho predurčuje na úspešnú transformáciu na LCF biorafinérie. Niektoré celulózky spracovávajú vedľajšie produkty hydrolýzy polysacharidov. Príkladom je Biocel Paskov, a. s., ktorý vyrába špeciálne kvasnice pre ďalšie biotechnologické spracovanie. Ďalším príkladom je výroba xylitolu, produktu vodnej predhydrolýzy dreva, v celulózke Hencovce.

Vedľajším produktom spracovania dreva je aj veľké množstvo kôry, ktorá sa využíva len na produkciu energie. V budúcnosti sa navrhuje, že kôra bude surovinou pre extrakciu mastných kyselín, farmaceutík, bioaktívnych chemikálií a v konečnom dôsledku aj zdrojom paliva. Súčasná celulózo-papierenská technológia likviduje cenné zlúčeniny spálením, ktoré sa dajú využiť pre výrobu rôznych materiálov, chemikálií a v poslednom rade aj na výrobu energie. Jediný problém, ktorý vzniká pri snahe o využívanie obnoviteľnej energie vo väčšej miere, by mohol viesť k využívaniu dreva ako energetickej suroviny skôr ako na konci jeho životného cyklu [9] (schéma 2).

Recyklácia papiera

Papierenský priemysel má veľký potenciál v recyklácii papiera, ktorý je tiež cennou surovinou pre LCF biorafinérie. Papier sa recykluje veľmi dobre, ale v nezmenenej podobe sa nedá recyklovať donekonečna. Čiže dôležitým opatrením je úprava zberového papiera pred každým recyklačným stupňom. Sekundárne vlákna už raz prešli zariadením na prípravu látky a teda ich rozvlákňovanie vyžaduje menej energie, ako je potrebné na chemické a hlavne mechanické (TMP) rozvlákňovanie. Najväčšia spotreba energie (30 % z celkovej spotreby) pri spracovaní zberového papiera je použitá pri zahusťovaní a dispergácii (schéma 3). Energetický potenciál vlákien pri jednotlivých spracovateľských postupoch je uvedený v tabuľke 1.

Tab.1: Energetický potenciál recyklovaných buničín v kWh/t

Ukazatel	Sulfátová technológia	Sulfitová technológia	Termicko-mechanická technológia
Lignocelulózový materiál na vstupe	3400 až 4000	3400 až 4000	3400 až 4000
- Spotreba energie na výrobu buničiny	(700 až 800)	(750 až 1200)	(1800 až 3600)
- Spotreba energie na výrobu papiera	(450 až 1100)	(450 až 1100)	(450 až 1100)
- Spotreba energie na recykláciu	400	400	400
Zostatková energia vyrobeného papiera	+1100 až +4350	+1150 až +1950	-450 až +100

Vstupná surovina – lignocelulózový materiál, je nositeľom určitého množstva energie, ktorú nadobudol v priebehu svojho vzniku. Energetický potenciál uschovaný v takomto materiále prestavuje 3400 až 4000 kWh na tonu materiálu. V dôsledku spracovania je nutné pridávať vstupnej surovine určité množstvo energie na jej pretvorenie na požadovaný medziprodukt alebo výsledný produkt. V tabuľke je znázornená energetická bilancia papiera vyrobeného rôznymi technologickými postupmi, v ktorej je zhrnutý jeden recyklačný stupeň. Ako je vidieť, papier vyrobený chemickým postupom je naďalej nositeľom časti vstupnej energie. Na druhej strane, termicko-mechanický postup výroby buničiny a následná výroba papiera vyžaduje prídavok väčšieho množstva energie než bola energia vstupnej suroviny.

Odpady vznikajúce pri úprave zberového papiera sú definované ako vláknité kaly, ktoré sú heterogénnou zmesou organických a anorganických látok. Sú tvorené papierenskými vláknami, organickými a anorganickými pigmentmi, anorganickými plnivami, minoritnými zvyškami farieb z odpadových vôd mikroflotácie. Kaly sú zaujímavé z hľadiska získavania energie. Jeden zo spôsobov ich využitia je ich spaľovanie v jednoúčelových kotloch, pričom sa spáli celý organický podiel a zostávajúci anorganický popol sa predáva do tehelní a cementární. Druhým spôsobom je ich použije v bioreaktore na výrobu metánu, kde vstupuje organický podiel z čističky odpadových vôd. Najväčšími spracovateľmi zberového papiera na Slovensku sú: Metsä Tissue, a. s., Žilina a SHP, a. s., Harmanec a donedávna aj Smurfit KAPPA, a. s., Štúrovo. Najväčším výrobcom buničiny na Slovenku je Mondi SCP, a. s., Ružomberok.

Potenciál Slovenska

Na Slovensku sú tri potenciálne celulózky na premenu na LCF biorafinérie. Sú to celulózky v Ružomberku, Štúrove a v Hencovciach. V Ružomberku a v Hencovciach sa používa sulfátový spôsob delignifikácie pričom v Ružomberku je moderná technológia CBC. V Štúrove bola celulózka na výrobu polochemickej vysoko výťažkovej buničiny procesom SAQ (Soda Antraquinon). Je to bezsírna technológia a lignín získaný týmto spôsobom bude z hľadiska jeho ďalšieho spracovania oveľa cennejší. Všetky uvedené celulózky majú potenciál v budúcnosti byť prebudované na LCF biorafinérie. Najväčší potenciál z hľadiska kvality suroviny (bezsírna technológia) by mala určite celulózka v Štúrove. Jej nevýhodou je však výroba vysoko výťažkovej buničiny a tým aj malého podielu rozpusteného lignínu a polysacharidov vo výluhu. Sulfátové celulózky bez väčších problémov môžu byť transformované na LCF biorafinérie. Ich nevýhodou je síra chemicky viazaná v produktoch procesu.

V celulózkach sa predpokladá, že časť výluhov bude spracovávaná na produkty s vysokou pridanou hodnotou lebo iba tak sa ich oplatí vyrábať v porovnaní s výrobou energie. Potenciál zberového papiera nie je viazaný na jeho spracovanie v papierňach. Z recyklovaných vlákien tak isto môžeme získavať vzácne produkty rafináciou. V súčasnosti sa recyklované vlákna používajú na výrobu bioplynu v bioplynových staniciach. V budúcnosti môžu byť surovinou pre sacharidy získané hydrolyticky alebo bio-oleje získané skvapalňovaním biomasy.

Tab. 2 – Súčasný stav celulóziek na Slovensku

Miesto - Spoločnosť	Ružombero- Mondi SCP	Hencovce - Vranov nad Topľou Bukóza Holding
Surovina	ľistnaté aj ihličnaté drevo	listnaté drevo - buk
Buničina	bielená sulfátová	bielená aj nebielená buničina
Výťažok buničiny	50 %	50 %
Produkcia buničiny	350 000 t / rok	120 000 t/rok
Varný proces	sulfátový – CBC (diskontinuálne varáky)	sulfátový, klasický, diskontinuálny
Varné chemikálie	NaOH, Na2S	NaOH, Na2S
Charakter výluhu	sulfátový, obsah organických látok: asi 50 % z dreva, prevažne lignín a sacharínové kyseliny	sulfátový, obsah organických látok: asi 50 % z dreva, prevažne lignín a sacharínové kyseliny

Poznámka: Celulózka v Štúrove je momentálne mimo prevádzky, ale potenciálne predstavuje ďalšiu kapacitu pre biorafinérie

Závěr

Potreba optimálneho zhodnotenia obnoviteľných surovín poskytuje dobrú východiskovú situáciu pre transformáciu súčasnej výroby buničín na biorafinérie, ktorá umožňuje využiť zvyškový energetický potenciál lignocelulózových surovín. Umožňuje to súčasná podoba celulózky, ktorá disponuje vhodnou infraštruktúrou, vypracovanou logistikou a technológiami na spracovanie veľkých objemov drevnej suroviny. Na Slovensku existujú v súčasnosti celulózky, ktoré sú vhodné na transformáciu na biorafinérie.

Poďakovanie

Tento článok vznikol vďaka podpore v rámci OP Výskum a vývoj pre projekt: Dobudovanie Národného centra pre výskum a aplikácie obnoviteľných zdrojov energie (ITMS: 26240120028), spolufinancovaný zo zdrojov Európskeho fondu regionálneho rozvoja.

Celý seznam autorů

Štefan Šutý, Martina Botková, Lucia Kučerková, Anna Orságová, Csilla Lipková, Milan Vrška, Igor Šurina, Slovenská technická univerzita v Bratislave, Fakulta chemickej a potravinárskej technológie, Ústav polymérnych materiálov, Oddelenie chemickej technológie dreva, papiera a celulózy

Literatúra

• [1] TAYLOR, E.: Coproducts and Byproducts of Woody Biorefinery Processing. Transitation to a Bioeconomy - The Role of Extension in Energy. 2009, Little Rock, Arkansas.
• [2] CHERUBINI, F., ULGIATI, S.: Crop residues as raw materials for biorefinery system - A LCA case study. Applied Energy, 2010, číslo 87, strana 47-57.
• [3] CHERUBINI, F., BIRD, N. D., COWIE, A., JUNGMEIER, G., SCHLAMADINGER, B., WOESS-GALLASCH, S.: Energy- and greenshouse gas-based LCA of biofuel and bioenergy systems: Key issues, ranges and recommendations. Resources, Conservation and Recycling, 2009, číslo 53, strana 434-447.
• [4] B. Kamm, M. Kamm, P. Gruber, Biorefinery Systems –an Overview, In: Biorefineries – Industrial Processes and Products. Status Quo and Future Directions. (Eds: B. Kamm, M., Kamm, P. Gruber), WILEY-VCH, Weinheim 2006, Vol. 1, pp. 3-40.
• [5] B. Kamm, P. Gruber, M. Kamm, Biorefineries- Industrial Processes and Products, Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, 7th ed. WILEY-VCH 2007
• [6] A.A. Koutinas, R. Wang,, G.M. Campbell, C. Webb,, A Whole Crop Biorefinery System: A closed System for the Manufacture of Non-food-Products from Cereal, in Biorefineries-Industrial Processes and Products, Status Quo and Future Directions (Eds: B. Kamm, M. Kamm, P. Gruber), WILEY-VCH, Weinheim 2006 Vol. 1, 165-191
• [7] ŠUTÝ, L.: Výroba a vlastnosti buničín, Alfa Bratislava, SNTL Praha, 1982.
• [8] BLAŽEJ, A., KOŠÍK, M.: Fytomasa ako chemická surovina, Veda - vydavateľstvo Slovenskej akadémie vied, Bratislava, 1985.
• [9] GIELEN, D., TAM, C.: Energy Use, Technologies and CO₂ Emissions in the Pulp and Paper Industry, 2006.

Tweet

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

Biometan se vyplatí a má budoucnost