Odborné články

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.

Obr. 1: Poloprovozní malotonážní hydrolýzní zařízení

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“.

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

Související články:

Biopaliva zatím jen na půli cesty
Obejde se zemědělství bez nafty?
Výpalky jako krmná surovina
Zhodnocení ekologického potenciálu paliva E85
Biobutanol – vhodnější náhrada benzinu
Rostlinné oleje jako motorová paliva
Trh s etanolem přichází na tichých cestách
Kapalná biopaliva – cíle a perspektivy
Zpráva ze setkání výboru AEBIOMu – Evropské asociace pro biomasu
Biorafinerie - zařízení pro trvale udržitelný život na této planetě
Výroba bioetanolu ze slámy se stává realitou
Využívání obnovitelných surovin v České republice
Výroba bioetanolu z lignocelulózové fytomasy
Vývoj technologie výroby bioetanolu ze slámy v České republice úspěšně ukončen

Zobrazit ostatní články v kategorii Kapalná biopaliva

Datum uveřejnění: 2.5.2006
Poslední změna: 1.5.2006
Počet shlédnutí: 22932

Citace tohoto článku:
VÁŇA, Jaroslav: Trvale udržitelná výroba bioetanolu. Biom.cz [online]. 2006-05-02 [cit. 2019-12-10]. Dostupné z WWW: <https://biom.cz/cz/odborne-clanky/trvale-udrzitelna-vyroba-bioetanolu>. ISSN: 1801-2655.

Komentáře:
02 May 2006 18:29 jjjj
- Strašně složité a neefektivní
03 May 2006 10:11 Jaroslav Váňa
- Strašně složité a neefektivní
11 May 2006 11:30 Petr Gabriel
- Strašně složité a neefektivní
02 May 2006 18:36 jjjj
- Za půl eura za litr to stojí za to
03 May 2006 14:33 čtenář
- články
21 Jul 2006 20:24 nagy
- otázka
ilustrační foto ilustrační foto ilustrační foto ilustrační foto ilustrační foto