Energetická bilance a životní cykly biogenních pohonných hmot – 1

V diskuzi o účincích paliv na životní prostředí se ukázalo, že jen porovnání výfukových emisí není dostatečné a musí být brány v úvahu i dopady při výrobě paliva, jeho přeměně a dopravě. Proto byly vyvinuty metody pro hodnocení ekologických rizik biopaliv „od kolébky do hrobu“. V tomto článku jsou vyhodnoceny závěry vybraných studií zaměřených na bioethanol, zpracovaných v různém období. V příštím čísle budou vyhodnoceny studie zaměřené na bionaftu.

Obr. 2: ilustrační foto - kapalná biopaliva

Na počátku 80tých let byly zavedeny energetické bilance zdrojů energie podle vztahu mezi vstupem energie a výstupem použitelné energie. Tato metoda byla v 90tých letech rozšířena o hodnocení životního cyklu (LCA = ekobilance). Cílem analýzy životního cyklu je porovnání určitých kategorií ekologického dopadu obnovitelného energetického zdroje a konečného energetického zdroje, který může být nahrazen ^[1].

Hodnocení životního cyklu je poměrně novým oborem, 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.

Graf 1: Grafické vyjádření vstupní fosilní energie MJ/litr pro výrobu bioethanolu z pšenice a cukrovky [2]

Graf 2: Výnosy čisté energie při výrobě bioethanolu a pšenice, cukrovky, zrna (kukuřice) a cukrové třtiny podle různých studií [2]

Ekobilance výroby a užití bioetanolu

Z hlediska vlivu na podnebí je používání bioethanolu jako obnovitelného paliva dosud nezřídka pokládáno za kontroverzní [2]. Kritici zejména poukazují, že z důvodu komplexních procesů přeměny nebyly vyžadované a limitované zisky energie, rovnováha skleníkových plynů při výrobě bioethanolu a její využití příliš příznivé.

Obr. 1: Koloběh oxidu uhličitého při výrobě a spotřebě bioethanolu

Současné studie o rovnováze energie a skleníkových plynů uvádějí velký rozsah výsledků, závisející na přijatých předpokladech. Mnoho studií zatím neobsahuje zlepšení účinnosti výroby zemědělských surovin ani optimalizace a inovace v konverzním procesu. Navíc se nezohledňuje využívání vedlejších produktů.

Systematická analýza výběru nejdůležitějších současných studií byla počátečním bodem naší práce. Hlavní zaměření je na Evropu, ale do analýzy jsou zahrnuty také studie o situaci v USA a Brazílii. Přehled není vyčerpávající, avšak uvádí některé obecné výsledky: Zohledňují se účinky nových technologií, úspory z velkovýroby, optimalizace energie a zlepšené využívání vedlejších produktů. Dále je bráno do úvahy používání různých surovin pro výrobu bioethanolu. Kromě tradičních procesů je analyzována výroba bioethanolu založená na lignocelulóze, což je pokládáno za slibné v celosvětovém měřítku jak z hlediska ekologického, tak i ekonomického. Celkem bylo detailně posuzováno devět současných výrobních postupů a budoucí koncepty sedmi různých výrobců (tab. 1).

Tab. 1 – Bilance nové energie a skleníkových plynů na základě skutečných a budoucích výrobních postupů ^[2]

Mnoho dřívějších studií o energetické rovnováze a rovnováze skleníkových plynů bylo založeno na zastaralých předpokladech a údajích, týkajících se technologií používaných v zemědělské výrobě a při přeměně zemědělských surovin na bioethanol. Studie z 80tých let a z počátku 90tých let docházely někdy dokonce k závěru, že neexistuje žádný prospěch čisté energie, tj. vstupy energie během celého procesu výroby energie byly vyšší než je obsah energie v konečném produktu – bioethanol (viz graf 1).

Graf 3: Úspory skleníkových plynů CO2ekv. u bioethanolu z pšenice, cukrovky, cukrové třtiny a řepkového methylesteru (RME) podle různých studií [2]

Graf 4: Hodnoty vstupní energie pro výrobu bioethanolu z různých biosurovin [2]

Studie z období přelomu tisíciletí a předpovědi IEA již prokázaly zlepšené výsledky a významné úspory čisté energie. Dvanáct nedávno vypracovaných studií, které byly vybrány, jsou obzvláště relevantní pro současnou studii a byly začleněny do analýzy za účelem provedení přehledu o současném stavu rovnováhy energie a skleníkových plynů pro výrobu bioethanolu, jak je popsáno v literatuře. Tyto studie potvrdily trend směrem k neustálému zlepšování rovnováhy energie a skleníkových plynů. Všechny tyto studie uvádějí značný zisk čisté energie, přičemž největší zisky energie jsou zjištěny mezi 8 - 15 MJ/l (viz graf 2).

Obr. 3: ilustrační foto - kapalná biopaliva

Nicméně rozdíly ve výsledcích jsou poměrně významné a to zejména z důvodu odchylek v přístupu k ekologickému a ekonomickému hodnocení vedlejších produktů a dále v přeměně zemědělských surovin na bioethanol a z důvodu rozdílnosti limitů stanovených pro různé systémy.

Výsledky současných studií pro rovnováhu skleníkového plynu ukazují rozsah mezi 0,5 kg úspor CO₂ ekv. na jeden litr při výrobě bioethanolu z pšenice a 2,2 kg při výrobě bioethanolu z cukrové třtiny v Brazílii. Pro bioethanol vyrobený v Německu ^[2] je nejlepší hodnota 1,5 kg úspor CO₂ ekv, při výrobě z cukrovky (viz graf 3).

Bilance energie a skleníkového plynu

Cílem bylo stanovit bilanci energie a skleníkového plynu pro současná zařízení výroby ethanolu a pro budoucí modely výroby. Toto bylo provedeno pro devět různých výrobních procesů, z nichž pět je již využíváno komerčně, a čtyři jsou koncepty pro budoucnost. Tyto výrobní procesy byly odvozeny od výše uvedených sedmi výrobců v pěti různých zemích. Z důvodu srovnatelnosti se předpokládalo, že výrobní jednotky byly realizovány v Německu ^[2]. Tudíž rovnováha energie a skleníkového plynu neodráží skutečnou situaci v příslušných státech a neměly by být interpretovány jako rovnováha energie nebo skleníkového plynu specifických společností. V každém případě byly hodnoceny vstupy energie a emise skleníkového plynu v průběhu celého výrobního řetězce konečného produktu bioethanolu a jeho přeměna na ETBE. To zahrnuje výrobu zemědělské suroviny, výstavbu výrobny na bioethanol, proces přeměny a dopravu k zákazníkovi. Pomocný výrobní materiál a vedlejší produkty jsou také vzaty do úvahy. Konečně analýza je založena na mezinárodních normách pro ekobilance.

Tabulka 2 ukazuje charakteristiky devíti různých výrobních procesů založených na energetickém konceptu použitých zdrojů. Jsou analyzovány čtyři výrobní procesy s konverzí, založené výhradně na zdrojích fosilní energie (lignit, zemní plyn a těžký topný olej) a pět založených na zdrojích nefosilní energie (bioplyn a odpad). Surovinovou základnu různých výrobních procesů tvoří melasa, cukrovka, pšenice, C-škrob, různé další plodiny a sláma.

Tab. 2 – Výrobny bioethanolu podle suroviny a energetického konceptu ^[2]

Hodnoty vstupní energie

Z grafu 4 je patrný vstup energie pro výrobu bioethanolu z různých biosurovin. Prvních pět sloupců je z výroben, které jsou skutečně v provozu, další čtyři jsou založeny na modelech a testech v pilotních jednotkách. Zdroji energetického vstupu jsou použitá energie, zemědělský výrobní řetězec a přínosy z vedlejších produktů. Čtyři z pěti stávajících operací vyžadují vstup fosilní energie 12,3 – 14,8 MJ/litr. Většina spotřebované energie je požadována jako energie na zpracování při konverzi (přibližně 65 – 80 % celkové energie). Další hlavní prvek je vstup energie pro surovinu. Vstup energie pro dopravu, výstavbu a odstranění staveb výrobny a pro pomocný materiál hraje pouze okrajovou roli v celkové energetické bilanci. Využití vedlejších produktů zlepšuje energetickou bilanci ve většině případů o 10 – 20 %, avšak, když se aplikuje společná výroba tepla a el. elektřiny, je to mnohem více. Provoz na zpracování obilního odpadu jako zdroje energie vyžaduje pouze 6,7 MJ/litr bioethanolu, neboť odpad nespadá do kategorie „fosilní“. Ovšem to není typický případ, který by mohl být aplikován ve větším měřítku. Nejnižší vstup fosilní energie je požadován koncepty obiloviny/bioplyn a pro výrobu ethanolu, založenou na slámě. V modelech obiloviny/bioplyn je okrajový tok lihovarských výpalků přeměněn na bioplyn, který potom pokrývá potřebu energie konverzního procesu. To vyústilo v zisk čisté energie od 15,7 do 21,3 MJ/litr bioethanolu pro obiloviny/bioplyn a konverzi slámy. Použití odpadu jako zdroje energie vede k zisku čisté energie 14,5 MJ/litr. Současné výrobní procesy založené na různých fosilních zdrojích energie a použití melasy, C-škrobu a obilovin jako zemědělské suroviny, vykazují podobný vstup fosilní energie a dosahují úspory čisté energie mezi 6,4 a 8,9 MJ/litr. To také dokazuje, že konverzní proces zemědělské suroviny na bioethanol zajišťuje největší potenciál pro optimalizaci energetických bilancí.

Hodnoty emisí plynů

Graf 5: Hodnoty emisí CO2ekv. na jeden litr bioethanolu vyrobeného z různých biosurovin [2]

Na grafu 5 je přehled výsledných emisí skleníkového plynu u různých výrobních procesů. Výroba bioethanolu založená na slámě produkuje nejmenší emise skleníkového plynu z důvodu použité suroviny a vyžaduje málo fosilní energie pro konverzní proces. Za těchto okolností činily emise skleníkového plynu pouze 0,04 a 0,3 kg CO₂ ekv./litr bioethanolu. Dále výroba ethanolu založená na pšenici zdvojená s výsledky výroby bioplynu vykazuje relativně nízké emise skleníkového plynu. V rámci skupiny již postavených výroben vykazuje konverzní proces založený na C-škrobu a obilovinách spolu s odpadem jako zdrojem energie pro konverzní proces nejlepší výkonnost. Zde emise činí 0,8 kg a 0,7 kg CO₂ ekv./litr bioethanolu. Nejvyšší emise skleníkového plynu vznikají z výroby založené na cukrovce a použití lignitu jako fosilní zdroj energie (1,6 kg CO₂ ekv./litr bioethanolu).

Bilance zisků čisté energie a redukční potenciál Zisk čisté energie, redukční potenciál skleníkových plynů různých biosurovin, zdrojů energie a výrobních procesů u bioethanolu je zřetelný ze souhrnné tabulky 3.

Tabulka 3 – Srovnání bilancí energie a skleníkových plynů ^[2]

Zisk čisté energie je vypočítán odečtením požadovaného vstupu energie pro výrobu ethanolu (viz graf 4) od referenční hodnoty ethanolu (21,2 MJ/litr). Získaná hodnota jasně ukazuje, že všechny současné výrobní procesy mají zisk čisté energie a že inovační výrobní postupy zlepšují nadále celkovou situaci. Druhý sloupec v tab. 3 ukazuje snížení skleníkových plynů na 1 litr ethanolu za předpokladu, že 1 litr ethanolu nahrazuje 0,647 l benzínu. Emise skleníkových plynů budou sníženy ve všech případech, avšak spektrum je široké. Použití lignitu jako zdroje energie pro bioethanol má za následek relativně nízké emise skleníkových plynů (0,3 kg), přičemž použití zemního plynu, odpadu nebo bioplynu má velice pozitivní dopad na redukční potenciál.

Nejvyšší redukční potenciál skleníkových plynů může být dosažen použitím slámy jako suroviny a bioplynu jako zdroje energie (1,6 – 1,8 kg snížení skleníkových plynů na 1 litr ethanolu). Použití zrna a současně i slámy pro výrobu ethanolu a bioplynu by významně zvýšilo výnos energie na 1 ha, což by přispělo ke zvýšení globální konkurenceschopnosti výroby bioethanolu v Evropě.

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