Tepelně chemické zpracování biomasy na motorová paliva a suroviny

Diskuze o užitečnosti přidávání bioložky do motorových paliv poněkud zastiňují fakt, že biopliava neznamenají jen žluté lány řepky olejky a výroba biolihu. Dnes již existuje celý systém zpracování biomasy nejen na motorová paliva, ale také na různé cenné chemické látky. Používají se přitom zejména tepelně chemické procesy.

Obr. 1: Technologické procesy výroby pohonných hmot a syntetických paliv

Technologických procesů výroby zelené nafty a syntetických paliv je celá řada (viz schéma 1). Biomasa, fosilní energetické nosiče nebo jejich směsi jsou nejprve reakcí s vodní parou a kyslíkem přeměňovány na syntetický surový plyn a po vyčištění a kondicionování transformovány na požadovaný produkt. Již zavedenou hlavní chemickou cestou k produkci syntetických pohonných hmot je Fischer-Tropschova syntéza (FTS) a methanolová syntéza (schéma 2). Surový Fischer-Tropsch produkt (FT) se skládá z rozsáhlého spektra uhlovodíků, které jsou vždy podle požadovaného cílového produktu oddělovány a dále zpracovávány. Metanol je na jedné straně meziprodukt pro proces MtG (metanol na benzin), např. přes postup LURGI MtS (metanol na syntetické palivo). Je ale také upotřebitelný přímo v hospodářství pohonných hmot. Nachází uplatnění při syntéze antidetonačních prostředků MTBE (terciární metyl-butyl-eter), k výrobě MEŘO (řepkový metylester, bionafta) esterifikací z řepky a přímá pohonná hmota jako nosič vodíku při použití ve vysoko-teplotních palivových článcích.

Obr. 2: Cesty využití syntetického plynu

Pyrolýzní procesy s decentralizovaným zpracováním biomasy

Blokové schéma je uvedeno ve schématu 2, schéma 4 pak ukazuje použitelnou koncepci decentralizované produkce biosyntetické ropy jako směsi pyrolýzního oleje a pyrolýzního koksu a centralizovaného zpracování na chemická a syntetická paliva. Tímto způsobem může být z asi 7,5 t vzduchem sušené slámy vyrobena asi 1 t syntetické pohonné hmoty. Přitom zůstává necelých 50 % energie původně obsažené v tekutém produktu. Jako vedlejší produkty jsou vyráběny teplo a proud, kterými se dá zcela pokrýt potřeba energie celého procesu. Energetickou a hmotnostní bilanci pyrolýzního procesu uvádí schéma 5. Dosavadní práce ukazují, že také biokaše s vysokým obsahem koksu z produktů pyrolýzy biomasy mohou být čistým kyslíkem ve zplyňovači s letícím proudem přeměněny při vysokých tlacích spolehlivě a úplně na syntetický plyn bez dehtu. Tento postup je prakticky vhodný pro všechny hmoty, které při rychlopyrolýze poskytují dostatečně stabilní kondenzát pro suspenzi koksu v prášku: vedle slámy také ostatní stébelnatá zbytková biomasa, jako seno neupotřebitelné jako krmivo, ale také dřevo a papírové a lepenkové odpady. Vhodnost energetických plodin se nyní zkoumá.

Hydrozpracování rostlinných olejů a živočišných tuků

Komerčně se bionafta vyrábí v mnoha zemích světa s různými ekonomickými a legislativními podmínkami. Technologie výroby je vysoce sofistikovaná, kvalita je dána technickými normami, v EU EN 14214, v USA ASTM D6751.

Obr. 3: Pyrolýzní proces s decentralizovaným postupem zpracování vhodných zbytků biomasy, energetických rostlin a bioodpadů

Již delší dobu je známo, že lze v petrochemických rafinériích použít rostlinné oleje a živočišné tuky a to v procesu odsíření středního destilátu a v procesu hydrokrakování. Přitom dochází k odstranění tzv. heteroatomů některých prvků nežádoucích pro finální palivo. Z kyslíku vznikne voda, z dusíku amoniak a ze síry sirovodík. Tyto zplodiny jsou separovány. Olefíny jsou nasyceny vodíkem a řetězce uhlovodíku jsou kráceny. Produkují se n-parafíny s dlouhými řetězci jako součásti dieselova paliva, methan a propan jako topné plyny. Objektivně posouzeno je nutné zohlednit, že se nezíská glycerol jako je tomu při transesterifikaci, ale spotřebovává se vodík, což zvyšuje energetickou hodnotu paliva oproti mono-alkyl esterům mastných kyselin.

V současné době ověřuje finská firma NESTE OIL, podnikající v oblasti olejů (kotovaná na Helsinské burze), technologii NExBtL, uplatňující vysokotlakou hydrogenaci mastných kyselin. Na schématu 6 je znázorněno schéma tohoto technologického procesu s hmotnostní bilancí.

Obr. 4: Decentralizovaně-centralizovaná koncepce zplyňování „biokaše“

V tabulce 1 je provedeno srovnání procesů a stavu techniky obnovitelných kapalných paliv s fosilními palivy se zřetelem na NExBtL. V tabulce 2 je uvedeno srovnání vybraných vlastností paliv NExBtL (Neste oil - vysokotlaká hydrogenace rostlinných olejů a tuků), GtL (Gas to liquid – kapalné palivo ze zemního plynu ev. biomethanu), FAME a motorové nafty podle platných technických norem. Oproti FAME je NExBtL bezkyslíkaté uhlovodíkové palivo a je podobně jako FAME výborně mísitelné s motorovou naftou. Technická norma pro motorovou naftu EN 590+A1 (2009) dovoluje max. podíl FAME 7 % V/V. Lze s vysokou pravděpodobností očekávat, že bude legislativně podporováno v blízké budoucnosti míchání 10 % V/V příměsi do motorové nafty, skládající se ze 7 % V/V FAME (FAEE) a 3 % V/V hydrogenovaných rostlinných olejů a živočišných tuků.

Nejen NESTE OIL klade důraz na zavádění dalších vhodných biosurovin, zvláště nejedlých olejnin jako je např. Jatropha Curacas, řas, mikroorganismů obsahujících tuk. Vhodné jsou také oleje s vysokou teplotou filtrovatelnosti. Jestliže je řepkový olej vynikající surovina pro MEŘO, ukazuje se vhodnou surovinou pro NExBtL také olej palmový.

Tab. 1 – Porovnání procesů a stavu techniky obnovitelných pohonných hmot s fosilními palivy se zřetelem na NExBtL

Tab. 2 – Průměrná plošná produktivita a nákladovost (1 € = 25 Kč, bez DPH)

• 1 řepkový olej: 33,8 MJ/l = 9,4 kWh/l
• 2 bioethanol: 20,9 MJ/l = 5,8 kWh/l
• 3 bioplyn: 22 MJ/m³ = 6,1 kWh/m³
• 4 výnos butanolu o asi 22 % vyšší
• 5 BtL – energetická a hmotnostní bilance: 33,4 MJ/l = 9,3 kWh/l
• 6 při 15 % H₂O

Tepelně fyzikální transformace

Obr. 5: Energetická a hmotnostní bilance pyrolýzního procesu s decentralizovaným postupem zpracování biomasy (tepelné ztráty se pohybují kolem 6 až 10 %)

Při tepelně fyzikální transformaci vhodné biomasy TPT (Thermo-Physikalische-Transformation), resp. tepelné depolymerizace TDP - Thermal De-Polymerization se štěpí (krakují) dlouhé uhlovodíkové řetězce na malé části, které jsou následně zpětně syntetizovány na požadovanou kvalitu nafty. Tento postup je srovnatelný s procesem BtL, ale rozsah použitelných surovin se ukazuje jako širší. Vhodným se ukazuje jakákoliv biomasa. Dřevní biomasa je méně vhodná z důvodu obsahu ligninu. Lze zpracovat i organické odpady, vč. plastových. Je nutné zde zdůraznit, že ekonomická životaschopnost této technologie je stále v posuzování. Ovšem první výrobna tohoto typu byla v roce 2006 uvedena do provozu v Carthage, Missouri a zpracovává biogenní odpad z vedlejší krůtí farmy. Na schématu 7 je znázorněno technologické schéma „zaolejovacího“ zařízení – Verölungsanlage OM 1000 MME AG Bünde pro výrobu syntetické nafty z biogenních surovin a zbytků. Schéma znázorňuje základní postup procesu. Biogenní suroviny a zbytky jsou vysušeny a ve vhodném zařízení rozmělněny na jemný prášek. Tento prášek je smíchán s kontaktním olejem a specifickým tepelným ošetřením je zahájena depolymerizace a krakování. Pomocí frakční destilace je získána požadovaná naftová frakce ze směsí.

Zpracování netříděného tuhého komunálního odpadu

Tuhý komunální odpad (TKO) obsahuje až 80 – 90 % polymerovaných hydrokarbonových molekul s dlouhými řetězci. Depolymerizací, resp. krakováním mohou být tyto molekuly s dlouhými řetězci rozloženy a změněny na molekuly s krátkými řetězci s asi 10 – 20 uhlíkovými (C) atomy na BtL.

Konkrétní závod - biorafinérie na výrobu BtL z TKO procesem BIOTECH – BIO2DI (USA) má kapacitu 100 000 t/rok TKO a 15 mil. l/rok Btl. Závod zahrnuje tyto stavební objekty:

• I. Složiště a manipulační plocha TKO
• II. Hala pro předúpravu a recyklaci netříděných TKO
• III. Skladování jednotlivých frakcí TKO
• IV. Bioplynová stanice s plynojemem bioplynu
• V. Závod na výrobu BtL z upraveného TKO.

Obr. 6: Jednotlivé operace a hmotnostní bilance technologie NExBtL vysokotlaké hydrogenace mastných kyselin rostlinných olejů a živočišných tuků

Obr. 7: Technologické schéma „zaolejovacího“ zařízení pro výrobu syntetické nafty ze zbytků biomasy a biogenních surovin OM 1000 zahrnující proces tepelné depolymerizace

Důkladné primární třídění TKO přímo u jeho zdrojů se nevyžaduje, což zjednodušuje “sběrnou“ dopravu a snižuje investiční náklad na sběrné nádoby.

Základní technicko-ekonomické pohledy

Zaměření úsilí na nejúčelnější způsoby přeměny produkce biogenních pohonných hmot významně zvýší pravděpodobnost dosažení záměrů pro zabezpečení udržitelných dodávek biogenních pohonných hmot a obnovitelné energie z biomasy. Hlavní aspekty vyvstávající v této souvislosti jsou:

• hodnocení technické proveditelnosti různých technologií přeměny;
• technicko-ekonomické hodnocení logisticky a technicky různých výrobních postupů pro nosiče energie z biomasy;
• zhodnocení vhodných směsí z biomasy, přičemž do úvahy jsou brány oblastní, zemědělské, technologické, ekonomické a environmentální podmínky;
• analýza potenciálních technických, sociálně-ekonomických a ekologických dopadů, přínosů a rizik na různých úrovních;
• identifikace doporučení a požadovaných kroků v oblasti výzkumu a vývoje pro dosažení úspěšné realizace.

Analýza ceny suroviny je založena na běžně používaných postupech rostlinné výroby a zásobovacím řetězci. Největší podíl nákladů připadá v rostlinné výrobě na stroje, následují kultivační vstupy, tj. osivo, hnojiva a prostředky ochrany rostlin. To je počáteční bod úsilí o snížení nákladů na výrobu energetických plodin omezením intenzity výroby, tj. vstupů a procesních kroků. Průměrné náklady na produkci energetických plodin se značně liší v závislosti na specifické vhodnosti půdy k obdělávání a na vybraném dodavatelském řetězci. Hranaté balíky a štěpkovací řetězce jsou efektivní z hlediska nákladů v případě biomasy s nízkým obsahem vlhkosti. Pro vlhkou biomasu je silážní řetězec výhodný z důvodu nízkých nákladů a dobré trvanlivosti.

Pro produkci BtL přichází v úvahu především biomasa obsahující lignocelulózu. Z dnešního pohledu jsou to obzvláště zbytky dřevní, bylinné a ovocné biomasy, celý obilní porost, krátce pořezané rychlerostoucí dřeviny, vlhká biomasa (siláž a senáž) a příp. traviny typu C4. Pěstování rychlerostoucích dřevin může vyústit v pozitivní ekologické účinky z důvodu relativně nízkých plynných emisí a akumulace těžkých kovů ve stromech. Také výrobní náklady jsou relativně nízké. Pěstování rychlerostoucích dřevin je ovšem zatím málo praktikováno z důvodu současných právních a ekonomických překážek. Podobně „nové“ energetické plodiny jako ozdobnice čínská nebyly farmáři přijaty. Environmentální důsledky pěstování energetických plodin ukazují větší rozdílnost možných dopadů. To posiluje potřebu vyvinout osevní postup, který kombinuje pozitivní účinky a vyvažuje negativní dopady pěstování energetických plodin.

V tab. 2 se uvádí průměrná plošná produktivita a surovinová nákladovost biopaliv pro rozhodující zemědělské plodiny. Výnosy jsou zaokrouhlené průměrné statistické hodnoty v ČR za roky 2005 - 2009. Hodnoty v závorce představují reálně dosažitelné výnosy. Ceny se týkají tzv. CZV (ceny u zemědělských výrobců – E.X.W.).

Článek: Tisknout s obrázky | Tisknout bez obrázků | Poslat e-mailem

Související články:

Bionafta a směsná motorová nafta
Energetická bilance a životní cykly biogenních pohonných hmot – 1
Udržitelná energie ze zemědělství

Zobrazit ostatní články v kategorii Kapalná biopaliva, Obnovitelné zdroje energie

Datum uveřejnění: 25.2.2013
Poslední změna: 21.2.2013
Počet shlédnutí: 10489

Citace tohoto článku:
JEVIČ, Petr: Tepelně chemické zpracování biomasy na motorová paliva a suroviny. Biom.cz [online]. 2013-02-25 [cit. 2024-11-24]. Dostupné z WWW: <https://biom.cz/cz-pestovani-biomasy/odborne-clanky/tepelne-chemicke-zpracovani-biomasy-na-motorova-paliva-a-suroviny>. ISSN: 1801-2655.

Komentáře:

	11 Dec 2014 10:34	janec	FTsyntéza
	11 Dec 2014 10:37	janec	FTsyntéza

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