Szanuj energie

NEWSLETTER

Jeśli chcesz otrzymywać informacje
wpisz swój adres email:

FORUM

Zapraszamy na nasze forum
na którym można dowiedzieć się
wielu interesujacych rzeczy

Wejdź
drukuj
22.02.2011 / Tadeusz Zakrzewski

Biopaliwa - informacje naukowo-techniczne

Dr Tadeusz Zakrzewski
Wiceprezes Krajowej Izby Biopaliw
[Broker zielonych technologii]

Biopaliwa z wykorzystaniem mikroalg

W styczniu 2007 r. Unia Europejska ustaliła, iż będzie dążyć do zwiększenia udziału biopaliw do poziomu 10% ogółu paliw wykorzystywanych w sektorze transportowym do roku 2020. Prof. Jerzy Tys z Instytutu Agrofizyki PAN twierdzi, że duże obszary ziemi ornej, obecnie wykorzystywanej do produkcji żywności, będą musiały zostać wykorzystane inaczej, jeśli produkcja biopaliw ma się dramatycznie zwiększyć. Europa, jak stwierdził, będzie musiała wykorzystywać ponad 50% obszarów rolnych do wytwarzania paliwa stanowiącego 10% obecnego zużycia. Dla porównania, Brazylii wystarczyłoby zaledwie 3%, a Stanom Zjednoczonym 30%. Miałoby to także wpływ na ceny podstawowych składników pożywienia, jak pszenica i kukurydza. Między innymi te argumenty powodują, że rozwój biopaliw odbywać się musi w sposób zrównoważony, a osiągnięcie celu wskaźnikowego na poziomie 10% wymagać będzie wprowadzenia na rynek biopaliw drugiej generacji.

Energetyczne wykorzystanie mikroalg

Jakie w związku z tym powinniśmy postawić wymagania biopaliwom transportowym drugiej generacji? Przede wszystkim powinny występować one w dostatecznie dużych ilościach oraz powinny być tanie w produkcji i sprzedaży oraz stanowić mniejsze zagrożenie dla środowiska niż paliwa dotychczas stosowane. Ponadto koncepcja rozwoju biopaliw drugiej i trzeciej generacji opiera się na założeniu, że surowcem do ich wytworzenia powinna być zarówno biomasa jak i odpadowe oleje i tłuszcze zwierzęce nieprzydatne w przemyśle spożywczym. Aby nie stanąć przed koniecznością wyboru: energia lub żywność konieczne staje się opracowanie nowych metod całościowego przetwarzania biomasy. Z tych między innymi powodów Instytut Agrofizyki PAN w Lublinie ukierunkował swoją działalność badawczą na biopaliwach drugiej i trzeciej generacji otrzymywanych w procesach zgazowania biomasy i syntezy. Produkcja gazowych biopaliw drugiej generacji z wykorzystaniem biomasy mikroalg jest, zdaniem wspomnianego prof. J. Tysa otwiera nowe kierunki dla rozwoju energetyki odnawialnej.
Mikroalgi podobnie jak rośliny naziemne asymilują CO2 z powietrza, wykorzystując do swojego wzrostu proces fotosyntezy. Wbrew obiegowej opinii nie są to wyłącznie organizmy wodne. Można je spotkać we wszystkich ekosystemach na Ziemi. Są one pozyskiwane zarówno do celów konsumpcyjnych, jak i przemysłowych. Przeciętna produktywność biomasy glonów hodowanych w celu pozyskania oleju, w dobrze zaprojektowanym systemie umieszczonym w obszarze o wysokim stopniu nasłonecznienia, może wynosić 1500 kg/m3/d. Przy takim poziomie produktywności, zakładając przeciętną zawartość oleju na poziomie 30% suchej masy, uzyskuje się 120 m3 oleju/ha/rok. Najnowsze doniesienia podane przez Biofuels Digest są wyjątkowo optymistyczne i według tych informacji jedna z amerykańskich firm uzyskuje 700 m3 oleju z 1 ha w ciągu roku. Wynika to z faktu, że w przeciwieństwie do innych roślin, glony rosną niezwykle szybko i potrafią podwoić swoją masę w ciągu 24 godzin. W sprzyjających warunkach hodowli faktyczny czas podwojenia biomasy glonów podczas ich wzrostu może wynieść zaledwie 3,5 godzin.

Hodowla mikroalg

Uprawa mikroplanktonu może odbywać się w otwartych akwenach, takich jak jeziora czy stawy oraz w ściśle kontrolowanych warunkach, fotobioreaktorach. Główną wadą zbiorników otwartych jest stałe narażenie na zmieniające się warunki atmosferyczne. W hodowli kultur glonów na skalę przemysłową, najbardziej wydajnym okazują się być zamknięte fotobioreaktory cylindryczne. Mają one zazwyczaj formę szklanych bądź plastikowych rur, paneli lub kolumn, w których recyrkulacja materiału zachodzi przy pomocy pomp mechanicznych. Budowa wysoko zaawansowanego bioreaktora, który z jednej strony zapewniałby optymalne warunki dla hodowli alg, z drugiej zaś był tani i gwarantował wysoką wydajność procesu, jest kwestią badań naukowców z Instytutu Agrofizyki PAN. W przypadku różnych typów fotobioreaktorów niezwykle istotne jest odpowiednie mieszanie materiału hodowlanego. Zapobiega ono osadzeniu się komórek glonów oraz wspiera dystrybucję ditlenku węgla. Ponadto, odpowiednie przemieszczanie materiału ułatwia penetrację światła w bioreaktorze, co przekłada się bezpośrednio na plonowanie, przez równomierny wzrost i rozwój mikroorganizmów.
Zbiór alg może się odbywać jedno lub dwuetapowo. Algi zazwyczaj mają dużą zawartość wody, która powinna być usunięta podczas zbioru. Z literatury wynika, że nie ma uniwersalnej metody zbioru zapewniającej jednoczesną redukcję wody.
Rozwój technologii uprawy i zbioru glonów stworzy duże – jak sądzę możliwości efektywnego wykorzystania tych mikroorganizmów w zakresie wytwarzania różnych nośników energii. Są wśród nich biowodór i biometan.

Biowodór

Biowodór jest to wodór wyprodukowany w procesie fermentacji biomasy. Produkcja biowodoru w oparciu o algi zachodzi w wyniku bezpośredniej biofotolizy wody. Jest ona znanym zagadnieniem od lat. Jednak postęp naukowo techniczny daje dzisiaj możliwości wykorzystania tego procesu do produkcji czystego biopaliwa. Główną zaletą produkcji biowodoru jest fakt, iż nie jest on akumulowany w komórkach kultur glonów, lecz szybko uwalniany do fazy gazowej. W przypadku innych produktów np. fermentacji, ich zawartość może wzrastać do poziomu, przy którym staje się toksyczny dla komórek. Ponadto, unikalnym z punktu widzenia produkcji paliw jest fakt, iż podczas procesu powstawania biowodoru w reakcji bezpośredniej biofotolizy nie są generowane związki węgla. Oznacza to, że większość atmosferycznego i przemysłowego CO2 jest redukowana.
Z punktu widzenia nowoczesnej energetyki biowodór jest wysoce atrakcyjnym paliwem, gdyż jego spalanie prowadzi do powstania... wody. Tak więc jedyną "stratą" dla środowiska podczas jazdy samochodem napędzanym wodorem, byłoby wzbogacenie atmosfery o kilka kubłów czystej wody.

Biometan

W Polsce potencjał biometanu szacuje się na 6,6 mld. m3. Jednak zaspokojenie potrzeb energetycznych technologiami związanymi z fermentacją metanową oraz produkcją biometanu może zostać ograniczone z powodu braku wystarczającej ilości odpowiedniego surowca. Ponadto, jak do tej pory nie udało nam się wniknąć w naturę procesów biologicznych i chemicznych zachodzących w komorze fermentacyjnej biogazowni. Oczywiście teoretycznie, wiemy dużo. Ale w rzeczywistości mamy do czynienia z czarną skrzynką. Pomiary dokonuje się w bardzo ograniczonej skali (o ile w ogóle), a ich wyniki zazwyczaj nie są publikowane. Często obsługujący biogazownie mają duże doświadczenie praktyczne w pracy z własną biogazownią, ale nie znają naukowych podstaw jej działania. Naukowcy natomiast mają masę danych pomiarowych, ale nie potrafią przełożyć opracowanych technologii na możliwe do realizacji zastosowania praktyczne. Wykorzystanie typowo lądowych roślin pochodzących z upraw kierunkowych stwarza obecnie coraz większe trudności. W tym aspekcie alternatywą jest wykorzystanie mikroalg. Z tych między innymi powodów badania i udoskonalenia na tym polu są niezwykle potrzebne i ważne.
Biometan może być produkowany z biomasy wielu roślin. Jednak głównym czynnikiem ograniczającym wzrost produkcji biometanu z biomasy roślin, jest jej dostępność. Dlatego biomasa alg, która plonuje o 40 – 60 razy więcej niż większość tradycyjnych roślin uprawowych skupia swoją uwagę świata naukowego. Szacowany plon biomasy alg możliwy do osiągnięcia w nowoczesnych zamkniętych fotoreaktorach wynosi około 400 – 500 ton z hektara rocznie. Taka ilość może zapewnić roczną produkcję biometanu na poziomie 400 000 m3 – 500 000 m3. Wybrane typy mikroalg posiadają wysoką zawartość lipidów, skrobi i białek, a brak trudno fermentującej ligniny sprawia, że mikroalgi są idealnym substratem dla produkcji biometanu. Fermentacja biomasy alg zachodzi dość szybko, a biogazownia poradzi sobie z relatywnie dużą zawartością wody w biomasie glonów. Ponadto mikroalgi fotosyntezują CO2 w specjalnie zaprojektowanych bioreaktorach tak, by w przypadku fermentatora biogazowego powstawaniu biometanu stanowiło źródło powstawaniu CO2, które od razu jest dostępne do produkcji mikroalg, tworząc w ten sposób zamknięty obieg CO2.
Biorąc pod uwagę potencjał i zasoby biometanu, ekonomię jego pozyskania oraz możliwości wykorzystywania, to biometan jest najbardziej przyszłościowym paliwem. Jego przetwarzanie do biodimetyloeteru może odegrać w Polskiej gospodarce i energetyce, taką samą rolę, jaką w XX wieku odegrała ropa naftowa.

Ogniwa paliwowe

Jak wiadomo proces wytwarzania prądu w konwencjonalnej elektrowni jest bardzo złożony. Zaczyna się od sił wiązań elektronów w atomach a kończy się na wytwarzaniu elektronów. Najprościej byłoby brać bezpośrednio z atomów elektrony i tworzyć prąd. To czynią ogniwa paliwowe.

Sposobem na dostarczanie wodoru do ogniw paliwowych wykorzystywanych w środkach transportu jest metanol, natomiast w ceramicznych ogniwach paliwowych – metam. Dlatego powinniśmy dążyć, aby kraj nasz stał się głównym dostawcą biopaliw (biometanu i biometanolu) do ogniw paliwowych na europejski i światowy rynek.
Ogniwo paliwowe jest urządzeniem, które łączy tlen i wodór, wytwarzając w ten sposób energię elektryczną, zaś woda i ciepło są produktami ubocznymi tego procesu. Sprawność energetyczna, niezawodność, oraz korzyści dla środowiska naturalnego, jakie są związane z ogniwami paliwowymi, stanowią podstawę do traktowania ich jako technologii kluczowych dla wszystkich sposobów użytkowania energii. Dotyczy to zastosowań zarówno w transporcie i urządzeniach przenośnych, w których zastosowanie mają ogniwa paliwowe bezpośrednio zasilane metanolem, oraz zastosowań w stacjonarnej energetyce rozproszonej wykorzystującej wysoko temperaturowe ceramiczne ogniwa paliwowe.

Zmniejszenie emisji CO2

Co do problemów zmniejszenia emisji ditlenku węgla przez stosowanie biopaliw to już wiemy, że biopaliwa pierwszej generacji mają zerowy lub nieznaczny wpływ. Dlatego że uprawa rośliny to nie jest tylko jej wzrost na polu i potem zamiana na energię w procesie spalania. Możemy sobie wyobrazić, że po spaleniu biopaliwa, nowa generacja tej rośliny na polu, w tej samej ilości skonsumuje dwutlenek węgla, który został wydzielony z jej spalania. To jest atom węgla za atom węgla, węgla z dwutlenku węgla wydzielonego ze spalania i węgla, który wraca do organizmu roślinnego w procesie fotosyntezy w cząsteczce CO2. Wtedy bilans wychodzi na zero. Wobec tego, jeżeli zastąpimy paliwo mineralne jakąś częścią paliwa bio, to siłą rzeczy ta część paliwa nie uczestniczy w efekcie cieplarnianym, bo wnosi zerowy udział w emisji CO2. Można by powiedzieć, że biopaliwa znacząco obniżają emisję dwutlenku węgla. Ale trzeba pamiętać, że uprawa każdej rośliny wymaga środków technicznych; maszyny, które poruszając się po polu spalają na razie ciągle jeszcze paliwa mineralne, środki techniczne niezbędne do syntezy nawozów mineralnych. W środkach technicznych mamy więc ukrytą emisję dwutlenku węgla. Kolejna emisja wiąże się ze spalaniem podczas prac polowych: produkt rolny trzeba przecież przewieźć do miejsca, gdzie się go przerabia, używając silników, które spalają duże ilości paliwa i przeważnie mineralnego. Nie jest więc prawdą, że wzrost rośliny i jej przerób na biopaliwo jest związany z zerową emisją dwutlenku węgla, tylko ze znacząco dużą emisją.



* * *

Produkcja gazowych biopaliw drugiej generacji z wykorzystaniem biomasy mikroalg jest dynamicznie rozwijającą się dziedziną pozyskiwania energii. Algi przewyższają tradycyjne rośliny pod względem plonowania, wartości energetycznej, a ich hodowla eliminuje niemal całkowicie problem konkurencyjności roślin uprawianych na cele konsumpcyjne i energetyczne. Na podstawie wyników badań prowadzonych na całym świecie można stwierdzić, że biomasa mikroalg jest najbardziej obiecującym paliwem przyszłości.

 


Grudzień 2010 rok

< powrót
pn wt śr cz pt so nd
      1
2345678
9101112131415
16171819202122
23242526272829
30      

Budowa serwisu dofinansowana przez Wojewódzki Fundusz Ochrony
Środowiska i Gospodarki Wodnej w Warszawie
www.wfosigw.pl

2010-2011 Szanuj-Energie.pl

StudioGraficzne.com: Projektowanie stron internetowych