Energetická bilance a životní cykly biogenních pohonných hmot – 2

Pouhé porovnání výfukových emisí při hodnocení vlivu biopaliv na životní prostředí není dostatečné. V úvahu musí být brán i proces výroby paliva a dopravy. Proto byly vyvinuty metody pro hodnocení ekologických rizik biopaliv „od kolébky do hrobu“. V první části článku byly shrnuty závěry vybraných studií zaměřených na bioetanol. Ve druhé části jsou vyhodnoceny studie zaměřené na bionaftu.

Obr. 1: Energetická bilance a životní cykly biogenních pohonných hmot

Cílem Analýza životního cyklu (LCA) je porovnání určitých kategorií ekologického dopadu obnovitelného energetického zdroje a konečného energetického zdroje, který může být nahrazen [1]. Jde o poměrně nový obor, takže metody použité různými týmy a interpretace výsledků nezřídka odráží zájem určitých klientů. V roce 1997 došlo ke standardizaci postupů pro LCA normami ISO 14040/43. Nicméně analýzy životního cyklu je stále obtížné porovnat, neboť jen výjimečně používají stejný referenční scénář.

Porovnání s konvenčním palivem

V uplynulých letech se dramaticky zvýšila obliba bionafty (MEŘO, FARME) zejména v Německu, Francii, Rakousku, Itálii a ČR. Současně od začátku devadesátých let probíhají výzkumy zaměřené na vliv MEŘO na životní prostředí v porovnání s konvečním naftovým palivem. Například Ústav pro energii a výzkum životního prostředí – IFEU (Gärtner, Reinhardt a Braschkat 2003) provedl podrobnou environmentální analýzu této záležitosti a pokračuje v aktualizaci a rozvoji těchto hodnocení.

Schéma 1: Schéma životního cyklu motorové nafty (MN) a MEŘO zohledňující účinek předplodiny, emise N2O, výrobu medu a metanogenezi bioplynu z řepkových šrotů [3]

Rozbory IFEU vyústily do mnoha důležitých závěrů, které byly potvrzeny dalšími institucemi jak v Německu, tak i v cizině. MEŘO nabízí pozitivnější výsledky ve srovnání s naftovým palivem, je-li cílem zakonzervovat fosilní energii a omezit skleníkový efekt. Ovšem je-li důležitějším hlediskem snížení okyselení (zabraňuje vstupu živin do půdy a povrchových vod) a omezení vyčerpání ozónu, pak konvenční naftové palivo nabízí uspokojivější výsledky. S tímto obecným výsledkem dospěla diskuze o výhodách či nevýhodách MEŘO ve srovnání s motorovou naftou částečně ke konci a zdá se, že systém může být spolehlivě hodnocen.

Ekobilance výroby a využití methylesterů mastných kyselin - Energetická bilance Energetické bilance jsou navrženy pro znázornění vztahu mezi vstupem fosilní energie nezbytné pro výrobu specifického nosiče energie a obsaženou užitečnou energií (vztah vstup : výstup). Jak je znázorněno v tab. 1, všechny uváděné studie uvádějí pozitivní energetickou bilanci pro bionaftová paliva. Methylestery mastné kyseliny odvozené od řepky (MEŘO), sóji (SME) nebo recyklovaného kuchyňského oleje (RFO-ME) obsahují alespoň 1,9násobné množství fosilní energie, která byla spotřebována během jejich produkce. Srovnatelně široký rozsah výsledků může být vysvětlen aplikací různých bilančních metod, neboť ty studie, které nebraly do úvahy zdvojené produkty, nebo je uvažovaly jen zčásti, došly k poněkud nižším energetickým hodnotám.

Výroba bionafty vyžaduje vstup fosilní energie pro výrobu dusíkatých hnojiv, pro výrobu oleje lisováním a extrakcí a pro výrobu methanolu použitého pro reesterifikaci. První dva kroky nejsou relevantní k recyklovanému kuchyňskému oleji jako odpadnímu produktu. Tudíž methylestery recyklovaného kuchyňského oleje vykazují vztah vstup:výstup, který je dokonce více pozitivní, než je tento vztah u bionaftových paliv z jiných zdrojů, ačkoliv zdvojené produkty nebyly uvažovány ve prospěch RFO-ME v příslušných výpočtech provedených Süssem (1999). V případě fosilní motorové nafty (MN) souhlasí uvedení výzkumní pracovníci s negativní energetickou bilancí. Důvodem toho je fakt, že až 20 % obsažené energie je použito pro výrobu paliva.

Tab. 1 – Typické výsledky energetické bilance pro různé typy bionaftových paliv a pro fosilní motorovou naftu [1] + Zdvojené produkty nejsou zamýšleny ve prospěch bionafty v příslušných výpočtech.

Schéma 2: Schéma aplikace hnojiv

Schéma 3: Schéma odejmutí živin

Analýzy životního cyklu

V uplynulých letech nastal další pokrok v oblastech zemědělského výzkumu, jako jsou emise skleníkových plynů v zemědělství nebo účinek předplodiny řepky na výnosy následné plodiny. Navíc nedávné zvýšení produkce řepky vedlo k větší dostupnosti vedlejších produktů (např. řepkového medu) a k inovaci využívání těchto produktů (jako je fermentace řepkových šrotů pro tvorbu bioplynu), což může být schopné samostatné existence z ekonomického hlediska. Rozbory těchto účinků byly předmětem studia prováděného IFEU v zastoupení Union for the Promotion of Oil and Protein Plants (Svaz pro podporu olejnatých a bílkovinných plodin) na začátku roku 2003. Při celkovém porovnání konvenční motorové nafty a MEŘO se šetření zaměřilo na čtyři důležité aspekty životního cyklu MEŘO (viz graf):

1. Účinek předplodiny: Na základě její charakteristiky ovlivňuje řepkové semeno výnosový potenciál následné plodiny. V úvahu jsou brány výsledky nedávného výzkumu.
2. Emise N₂O: Uvolňování oxidu dusného (N₂O) z půdy je způsobeno mikrobiální aktivitou. Protože emise jsou závislé na různých faktorech, jsou brány v úvahu odpovídající výsledky výzkumu.
3. Výroba medu:Výroba medu a jeho vedlejší produkty – včelí vosk a pyl – jsou začleněny do bilance MEŘO včetně důvěryhodných ekvivalentních produktů, které jsou nahrazeny řepkovým medem a jeho vedlejšími výrobky.
4. Tvorba bioplynu z řepkových šrotů: Namísto využívání řepkových šrotů jako krmiva pro zvířata (v současnosti téměř výhradně) mohou být fermentovány v provozech na výrobu bioplynu a využity pro výrobu energie. Tato aplikace je uvažována v současných studiích.

Pro dodatečné výpočty byly použity následující údaje:

• Pro základní scénář: Aktualizace dodávek dusíkatého hnojiva přicházejících od Patyk a Reinhardt (1997): 12 g N₂O na 1 kg dusíkatého hnojiva. Emise N₂O ve výrobě sóji: 2 kg N₂O na 1 ha a rok - IFEU (2003).
• Pro účinek předplodiny u řepky: Konverze přebytku následnou plodinou podle Kaltschmitt a Reinhardt (1997).
• Pro výrobu medu (výběr nejdůležitějších údajů): Výnos: 80 kg řepkového medu, 2 kg včelího vosku, 2 kg propolisu. Vstup: cukerný roztok 60 kg, síra 0,2 g, chemická činidla 50 g, elektrická energie 0,35 kWh (všechny údaje na 1 ha a 1 rok), IFEU (2003) podle Härtl (2003). Med ze zahraničí: hmotnostní ekvivalent, doprava 10 000 km, používání třtinového cukru; jahodová marmeláda: hmotnostní ekvivalent, 60 % obsah cukru, potřeba páry 1,3 MJ/kg; melasa: hmotnostní ekvivalent, potřeba páry 1,5 MJ/kg; čokoládová pomazánka s lískovými oříšky: hmotnostní ekvivalent, cukr 38 kg, rostlinný olej 14 kg, lískové oříšky a kakao – každý 10 kg, doprava lískových oříšků 5000 km, kakaa 8000 km, požadavek páry 1,3 MJ/kg; léky a léčiva 100 g na 1 ha a 1 rok; karnaubový vosk: hmotnostní ekvivalent, doprava 10000 km, požadavek páry 1,3 MJ/kg (všechny údaje IFEU 2003).
• Pro fermentaci řepkových šrotů (výběr nejdůležitějších údajů): Výnos plynu: 350 l/kg řepkových šrotů, účinnost kombinovaného provozu teplo/elektřina (CHP) – el. energie 35 % a teplo 55 %, požadavek systému na energii – 10 % výstupu energie provozu CHP, požadavek systému na teplo – 20 % výstupu tepla (IFEU 2003 na základě Gegner 2003, Keymer 2003 a Krämer 2003), podíl N ve zbytku dostupném pro provozy, odpovídající 100% bilanci živin – 76 kg N na 1 ha a 1 rok, horní a spodní limit emisí čpavku – 0,3, resp. 0,12 g NH₃–N/g N (IFEU 2003 podle Edelmann et al. 2001 a Krämer 2003), emisní faktory provozu CHP jsou založeny na IFEU 2003, zbývající údaje na základě Edelmann et al. (2001). V základním scénáři a scénářích „výroba medu“ a „fermentace řepkových šrotů“ je uveden rozdíl mezi MEŘO a naftovým palivem. Pro scénář N₂O je uveden vztah k základnímu scénáři. Navíc jsou výsledky stručně diskutovány s uvedením nejdůležitějších zjištění. Pro popis dopadů na životní prostředí a výpočet výsledků byla dána přednost srozumitelným termínům před abstraktními vědeckými termíny (např. „okyselování“ namísto „potenciální okyselování na základě ekvivalentů SO₂“).

Schéma 3: Schéma odejmutí živin

Analýza dopadů na životní prostředí

Popis dopadů na životní prostředí je uveden v seznamu v tab. 2. Smysluplné a kvalitní bilance pro uvažované kategorie lidské toxicity a ekotoxicity v současné době podle našeho mínění není možné vypočítat, neboť databáze v oblasti spalování paliv jsou nedostatečné. Pro další dvě kategorie dopadů na životní prostředí DIN-NAGUS – tj. hluk a využívání půdy – není obecně přijatelný bilanční postup stále k dispozici.

V současné době jsou řepkové šroty téměř výhradně používány jako krmení pro zvířata (základní scénář). Avšak volba používání řepkových šrotů pro tvorbu energie je brána na zřetel také z politických důvodů. Z tohoto pohledu je možné několik různých scénářů (viz schémata).

Tab. 2 – Analýza dopadů na životní prostředí – LCA motorové nafty a MEŘO [3]

Závěry pro MEŘO

U MEŘO jsou hodnocení životního cyklu jedny z nejpropracovanějších a současná analýza obsahuje mnoho modifikací. Jako doplněk k základnímu scénáři vykazují numericky aktualizované základní údaje o emisích N₂O příznivější výsledky v kategoriích ochuzení ozonu a skleníkový efekt. Na druhé straně doplňkové úvahy o výrobě medu a jeho vedlejších produktech z řepkových polí, jakož i nejnovější výsledky účinku předplodiny při pěstování řepky, nevykazují žádné významné změny výsledků LCA. Potenciální fermentace řepkových šrotů ovšem významně zlepšuje hodnocení životního cyklu MEŘO. Tím lze výsledky shrnout následovně:

• S ohledem na účinek předplodiny neuvádějí ani nedávné publikace žádné nové poznatky pro hodnocení životního cyklu MEŘO.
• V úvahách o účinku „předplodiny“ neexistují žádné významné změny v současném hodnocení MEŘO při srovnání s předcházejícím hodnocením.
• Výklad nejnovějších výsledků o emisích N₂O z řepkových polí a z neobdělávané půdy v osevním postupu přináší nové základní údaje, které ve skutečnosti potvrzují fundamentální výsledky a číselně zlepšují současné hodnocení MEŘO.
• MEŘO na rozdíl od motorové nafty šetří skleníkové plyny a uvolňuje více N₂O. V současných studiích jsou úspory skleníkových plynů u MEŘO větší než v předešlých studiích, zatímco přebytek emisí N₂O je menší.
• Je možné doporučit používání nově odvozených základních údajů v hodnoceních životního cyklu o přínosy z výroby medu a z výroby bioplynu z řepkových šrotů.

Úvahy o výrobě medu a jeho vedlejších produktech (včelí vosk, propolis, pyl a mateří kašička) z řepkových polí jsou částí hodnocení MEŘO. Nicméně i za extrémních předpokladů ovlivňují úvahy o výrobě medu a jeho vedlejších produktech celkové hodnocení pouze okrajově a mohou být nahrazeny buď výhodami nebo nevýhodami MEŘO v závislosti na příslušném scénáři. Vedlejší produkty včelí vosk a propolis a výsledné druhy odpovídajících alternativních produktů hrají pouze minimální roli.

Schéma 4: Schéma uvolňování oxidu dusného N2O

Schéma 5: Schéma využití řepkových šrotů pro výrobu bioplynu [3]

Při srovnání tvorby bioplynu z řepkových šrotů versus krmení pro zvířata environmentální výhody, tak i nevýhody pramení z rozdílného používání řepkových šrotů. Z tohoto důvodu je možné, vědecky ospravedlnitelné, objektivní hodnocení. Avšak je třeba poznamenat, že výhody a nevýhody jsou téměř stejné jako při srovnání MEŘO s motorovou naftou: výhody v kategorii úspora energie a skleníkový efekt, nevýhody v kategoriích okyselení a vstup živin. S ohledem na ochuzení ozonu má tvorba bioplynu dodatečnou výhodu ve srovnání s volbou krmení pro zvířata. Tedy může být stanoven následující závěr: je-li učiněno rozhodnutí ve prospěch MEŘO místo motorové nafty na základě hodnotového opatření – jako důsledek téměř stejného hodnotové opatření, potom tvorba bioplynu z řepkových šrotů musí mít jasnou přednost před jejím používáním jako krmivo pro zvířata.

Obr. 2: Energetická bilance a životní cykly biogenních pohonných hmot

Při srovnání využití řepkových šrotů „pro krmení zvířat versus spalování“ a „tvorba bioplynu versus spalování“ mohou být analogicky učiněny podobné závěry, jestliže řepkové šroty jsou spalovány přímo namísto jejich používání jako krmiva pro zvířata nebo v bioplynových stanicích. Pro srovnání „krmení pro zvířata versus spalování“ je dávána přednost u MEŘO pro spalování - viz [Gärtner a Reinhardt 2001]. Pro srovnání „tvorba bioplynu versus spalování“ má spalování určitou nevýhodu pouze v kategorii ochuzování ozonu. Na základě stejných hodnotových opatření, jak je výše uvedeno, je spalování zřetelně příznivější než fermentace řepkových šrotů.

Při obecném hodnocení srovnání „krmení pro zvířata, tvorba bioplynu nebo přímé spalování řepkových šrotů“ může být učiněn následující závěr: na základě hodnotového opatření, které favorizuje MEŘO před motorovou naftou z důvodu přínosů týkajících se úspory energie a skleníkového efektu, může být výběr klasifikován následovně: přímé spalování řepkových šrotů je vhodnější než fermentace, co se týče množství vytvořeného bioplynu, který na druhé straně je vhodnější než používání řepkových šrotů pro krmení zvířat.

Z hlediska významnosti je současné hodnocení tvorby bioplynu prováděno na základě průměrných specifických podmínek. Stručně řečeno, výsledky odvozené pro možnosti krmení zvířat, fermentace nebo spalování řepkových šrotů v této studii mohou být pokládány za spolehlivé.

Literatura:

1. Mittelbach, M., Remschmidt, C.: Biodiesel – the comprehensive handbook. First Ed. Vienna, 2004. 332 s.
2. Schmitz, N., Henke, J.: Innovations in the production of bioethanol and their implications for energy and greenhouse gas balances. World Ethanol & biofuels report, vol. 3, No. 24/12.08.2005, F.O.Licht GmbH, s. 494 – 498
3. Gärtner, S. O., Reinhardt, G. A.; Braschkat, J.: Life Cycle Assessment of Biodiesel: Update and New Aspects. [Final Report]. Heidelberg, Institute for Energy and Environmental Research Heidelberg GmbH Germany, IFEU, May 2003. 20 s.

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