Wady i zalety bioetanolu.pdf

Wady i zalety biopaliw na przykładzie bioetanolu

January BIEŃ, Magdalena ZABOCHNICKA – ŚWIĄTEK, Lucyna SŁAWIK

Politechnika Częstochowska, Instytut Inżynierii Środowiska

ul. Brzeźnicka 60A, 42-200 Częstochowa, e-mail: lucyna.slawik@interia.pl

Streszczenie

Wzrost rozwoju przemysłu i gospodarki pociąga za sobą potrzebę wykorzystania ogromnej ilości

energii. Zapotrzebowanie na energię dotyczy również transportu. Jak dotąd energia jest pozyskiwana głównie z

ropy naftowej, gazu ziemnego oraz węgla kamiennego. Jednak te źródła nie są niewyczerpalne. W związku z

tym istnieje konieczność pozyskiwania innych alternatywnych źródeł energii. Takim alternatywnym źródeł

energii mogą być: wiatr, woda, czy też biomasa. Coraz większym zainteresowaniem cieszą się biopaliwa. Do

biopaliw zaliczamy paliwa płynne (np. biodiesel, bioetanol) i gazowe (np. syngaz). Obecnie jednym z głównych

powodów prowadzącym do wstrzymania produkcji biopaliw jest rosnąca niechęć ludzi do wykorzystania

obszarów uprawnych, które są potencjalnymi źródłami energii. Ta niechęć wynika ze świadomości, że

potencjalnie jadalne rośliny będą przeznaczone do produkcji biopaliw i może prowadzić do zmniejszenia

zasobów żywności na świecie, a tym samym podniesienia cen żywności. W związku z tym powstał pomysł

produkcji etanolu z resztek pożniwnych oraz roślin, które nie są przeznaczone do jedzenia, np. glonów.

Biopaliwa mają szereg zalet, które powodują, że stają się one atrakcyjnym źródłem energii. Pozwalają na

zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych, co umożliwia zmniejszenie stopnia ocieplenia klimatu. Ponadto są

biodegradowalne, umożliwiają uzyskanie zrównoważonego rozwoju. Niestety mają także wady. Jednym z

głównym problemów są koszty produkcji. W artykule wyjaśniono co to są biopaliwa oraz jakie typy biopaliw są

produkowane. Przedstawiono wady i zalety biopaliw. Skupiono się głównie na bioetanolu. Dokonano

porównania bioetanolu z powszechnie stosowanym paliwem transportowym – benzyną.

Słowa kluczowe: biopaliwa, bioetanol

1. Wprowadzenie

Ciągły rozwój industrializacji pociąga za sobą konieczność zaspokajania coraz

większych potrzeb energetycznych [1, 2]. Rozwój przemysłu transportowego pociąga za sobą

produkcję coraz większej liczby samochodów, a co za tym idzie coraz większe

zapotrzebowanie na paliwa. Samochody stanowią ponad 70% światowej emisji tlenku węgla

i 19% światowej emisji dwutlenku węgla [3]. Obecnie do produkcji energii wykorzystuje się

głównie paliwa kopalne. Jednak ich zasoby nie są nieograniczone. Ponadto istnieją obawy

o bezpieczeństwo energetyczne, a także konieczność reagowania na zmiany klimatyczne.

Powyższe aspekty doprowadziły do rosnącego zainteresowania na całym świecie w produkcji

biopaliw. Alternatywnym paliwem mogącym całkowicie lub częściowo zastąpić paliwa

kopalne jest bioetanol [1, 2]. Bioetanol lignocelulozowy jako paliwo transportowe może stać

się źródłem znacznych, a w wielu przypadkach, niepowtarzalnych, środowiskowych,

ekonomicznych i strategicznych korzyści [4]. Powiązanie wzrastającego światowego popytu

z przewidywanym spadkiem produkcji ma konsekwencje dla bezpieczeństwa energetycznego

wielu krajów [5]. Biopaliwa są tradycyjnie produkowane przy użyciu katalizatora

chemicznego. Jednak najnowsze osiągnięcia w dziedzinie białej biotechnologii i zielonych

technologii umożliwiły zastosowanie wielu enzymów i mikroorganizmów [6, 7 ].

Celem niniejszej pracy było przeanalizowanie zalet i wad biopaliw płynnych, a także

porównanie bioetanolu z powszechnie stosowanym paliwem - benzyną.

2. Zalety i wady biopaliw

Biopaliwa są paliwami odnawialnymi pochodzącymi z surowców biologicznych.

Należą do nich zarówno paliwa płynne (np. biodiesel, bioetanol), jak i gazowe takie, jak

biogaz (np. metan). Zalety biopaliw można podzielić na trzy sektory: ekonomiczny,

środowiskowy i bezpieczeństwo energetyczne. Biopaliwa oferują wiele korzyści technicznych

i środowiskowych w stosunku do konwencjonalnych paliw kopalnych, co czyni je

atrakcyjnym jako alternatywy w sektorze transportu [8]. Do bezpośrednich korzyści możemy

zaliczyć, m.in. [1, 2, 9]:

• redukcję emisji gazów cieplarnianych (głównie dwutlenku węgla (CO 2 )

i metanu (CH 4 ),

• dywersyfikację w sektorze paliwowym,

• biodegradowalność,

• poprawę wydajności pojazdów,

• rozwój rynku produktów rolnych.

Do ekonomicznych skutków produkcji i stosowania biopaliw zalicza się:

zrównoważony rozwój, różnorodność paliwa, wzrost liczby miejsc pracy na wsi przy

produkcji, zwiększenie podatku dochodowego, zwiększenie inwestycji w aktywa trwałe

rozwoju rolnictwa, międzynarodowa konkurencyjność [10]. Zwolennicy produkcji biopaliw

uważają, że uprawa roślin energetycznych pozwala na rozwój terenów wiejskich poprzez

wykorzystanie gruntów do produkcji biomasy [1, 2, 9]. Dzięki produkcji biopaliw możliwy

będzie wzrost zatrudnienia i zamożności rolników na obszarach wiejskich krajów

rozwijających się. Przykładowo, rolnicy z małych gospodarstw w Jambi, czy Sumatrze

inwestują w produkcję oleju palmowego (jako olej jadalny lub biodiesel) oraz gumy

(w odpowiedzi na rosnące zapotrzebowanie na kauczuk naturalny ze względu na wysokie

ceny kauczuku syntetycznego otrzymywanego z ropy naftowej) [2]. Poza tym większe

inwestycje w rolnictwie mogą przyczynić się do poprawy wydajności i efektywności

produkcji [11]. Produkcja bioetanolu ze zboża pociąga za sobą korzyści z uzyskania ko-

produktów, np. pasz dla zwierząt (mączka kukurydziana). Biopaliwa mogą także równoważyć

produkcję ekwiwalentów np. soi. W procesie produkcji bioetanolu z kukurydzy powstają

produkty uboczne - suszone gorzelniki ziaren ( ang. DDG ) powszechnie stosowane jako

zamienniki soi paszowych [10].

Bezpieczeństwo energetyczne dotyczy: krajowych celów niezawodności dostaw,

ograniczenia stosowania paliw kopalnych, łatwej dostępności, dystrybucji krajowej,

odnawiania [10].

Polityczne i społeczne poparcie dla biopaliw zostało ostatnio podważone pod

względem ochrony środowiska i bezpieczeństwa żywności. Kwestionuje się uzasadnienie, że

biopaliwa przyczyniają się do znacznego zmniejszenia emisji dwutlenku węgla. Pojawiła się

krytyczna ocena wpływu biopaliw na środowisko oraz kosztów związanych z ich produkcją,

doborem odpowiedniej technologii i surowców. Produkcja biopaliw może doprowadzić do

zmniejszenia różnorodności biologicznej, podwyżki cen żywności oraz rywalizacji o zasoby

wodne. Możliwe jest zmniejszenie kosztów poprzez produkcję biopaliw z odpadów biomasy

oraz wybór odpowiedniej technologii produkcji (np. pirolizy) [2]. Biorąc pod uwagę w ilu

krajach w dzisiejszych czasach ludzie głodują, produkcja biopaliw jest postrzegana jako

zagrożenie dla wzrostu cen podstawowych artykułów żywnościowych [12].

Ostatnie badania wskazują na to, że niektóre technologie produkcji biopaliw mogą

prowadzić do emisji gazów cieplarnianych. Niemniej jednak niektórzy politycy i naukowcy

uzasadniają, że wraz z rozwojem następnej generacji biopaliw, takich jak etanolu

celulozowego, istnieją realne możliwości wykorzystania biomasy do zaspokojenia potrzeb

energetycznych [13 - 15]. Biopaliwa uznaje się za neutralne co do emisji dwutlenku węgla,

ponieważ CO emitowany podczas spalania biopaliw jest wiązany przez rośliny w fazie ich

wzrostu. W rzeczywistości jednak gazy cieplarniane mogą być emitowane w procesie

technologii produkcji biopaliw. Badania przeprowadzone w ostatnim piętnastoleciu wskazują

na to, że zastąpienie benzyny lub oleju napędowego przez biopaliwa może doprowadzić do

redukcji emisji gazów cieplarnianych o 31% w przypadku bioetanolu, 54% w przypadku

biodiesla i 71% w przypadku etanolu celulozowego. Ważnym czynnikiem wpływającym na

równowagę gazów cieplarnianych jest również rodzaj energii wykorzystywanej na różnych

etapach produkcji biopaliw [2].

Przez dziesiątki lat aż do 2000 r., spadek cen żywności pozwalał milionom ludzi na

całym świecie uciec od ubóstwa [16]. Jednak w tym tysiącleciu ceny podstawowych

produktów żywnościowych (pszenicy, ryżu) wzrastają. W 2007 i 2008, wzrost cen

podstawowych artykułów spożywczych osiągnął alarmujące rozmiary. Wówczas ogłoszono

globalny kryzys żywnościowy co osiągnęło duży rozgłos w mediach [2, 16, 17]. Przyczyn

wzrostu cen żywności są liczne i złożone. Należą do nich takie czynniki jak niekorzystne

warunki pogodowe, które wpływają na produktywność roślin, spekulacyjny lub

zapobiegawczy popyt na towary spożywcze, oraz nieodpowiednie działania polityczne, np.

zakaz eksportu żywności [16]. Ostatnio obserwuje się wzrost cen żywności, co w

rzeczywistości nie powinno stanowić zaskoczenia. Jeszcze przed kryzysem żywnościowym

sugerowano, że produkcja biopaliw pociągnie za sobą wzrost cen nie tylko surowców do ich

produkcji, lecz także artykułów żywnościowych dla ludzi i zwierząt, które konkurują o grunty

rolne [16 - 19]. Zwiększenie produkcji biopaliw zapewne doprowadzi do znacznych zmian

przeznaczenia gruntów bezpośrednio i pośrednio [20]. Bezpośrednie zmiany przeznaczenia

gruntów mają miejsce wówczas, gdy wprowadza się zakaz wykorzystania gruntów rolnych

lub agro- leśnych dla upraw biomasy do produkcji biopaliw. Pośrednie zmiany przeznaczenia

gruntów występują w przypadku wykorzystania gruntów nierolnych, odłogów do produkcji

żywności, pasz (np. kukurydzy) lub użytków rolnych (np. pola kukurydzy) do produkcji

biopaliw (np. bioetnol z kukurydzy). Takie zmiany gruntów mogą przyczyniać się do

emisji gazów cieplarnianych poprzez straty węgla biomasy magazynowanego nad i/lub pod

usuwaną ziemią. W ten sposób może także dojść do utraty gruntów, które stanowiły miejsce

sekwestracji dwutlenku węgla (np. przez rosnące lasy) w zamian pod uprawę roślin

przeznaczonych do produkcji biopaliw [2]. Ponadto, mogą pojawiać się konflikty

zainteresowanych stron dotyczące wykorzystania gruntów. W wyniku uprawy tylko

wybranych odpowiednich gatunków roślin może dojść do potencjalnych strat różnorodności

biologicznej i siedlisk. W przyszłości intensyfikacja produkcji roślin uprawianych do

produkcji biopaliw, bez odpowiednich ograniczeń, może spowodować, że te gatunki zostaną

zaliczone do endemicznym [20].

3. Bioetanol

Bioetanol jest najczęściej używanym biopaliwem na świecie [21]. Bioetanol to alkohol

etylowy (etanol) o wzorze chemicznym C 2 H 5 OH stanowiący ekwiwalent benzyny [20, 22].

Alkohol ten może być używany jako paliwo do transportu i surowiec w przemyśle

chemicznym [23]. Obecnie można zaobserwować stale rosnący wzrost globalnej produkcji

bioetanolu. Największymi producentami bioetanolu są: USA, Brazylia i Chiny [2].

Bioetanol może być produkowany z każdego cukru lub skrobi zbóż, które mogą zostać

przekształcone alkohol w procesie fermentacji. Może być także wytwarzany

z lignocelulozowej biomasy. Główne surowce do produkcji etanolu to trzcina cukrowa

w Brazylii, i ziarna kukurydzy w Stanach Zjednoczonych [9, 24]. Produkcja bioetanolu

obejmuje trzy procesy. Pierwszym etapem jest hydroliza cukrów wyższych do monomeru

glukozy. Drugi etapem jest fermentacja glukozy do etanolu i dwutlenku węgla. Trzecim

etapem jest proces termo-chemiczny, polegający na destylacji w celu uzyskania etanolu

absolutnego [25]. W przypadku produkcji bioetanolu z lignocelulozy konieczna jest obróbka

wstępna [10].

Etanol jest atrakcyjnym paliwem alternatywnym, ponieważ jego produkcja jest oparta na

odnawialnych zasobach biologicznych i jest bogaty w tlen. Dzięki temu istnieje możliwość

zmniejszenia emisji cząstek stałych przez silniki wysokoprężne [26]. Bioetanol może

zmniejszyć emisję CO na dwa sposoby: poprzez zastąpienie paliw kopalnych, oraz poprzez

recykling CO , który jest uwalniany podczas spalania biopaliwa [27]. Z gospodarczego

punktu widzenia, zmniejsza deficyt handlowy i zapewnia bezpieczeństwo energetyczne [26].

4. Porównanie bioetanolu z benzyną

Bioetanol ma kilka zalet, które czynią go lepszym od benzyny. Przede wszystkim posiada

wyższą liczbę oktanową (108) niż benzyna (95 lub 98) [27]. Liczba oktanowa, to liczba

określająca odporność na niekontrolowane spontaniczne spalanie paliwa dla silników

o zapłonie iskrowym, który może spowodować spalanie stukowe (detonację). Bioetanol ma

wystarczającą wartość przeciwstukową, aby zastąpić benzynę [28-30]. Posiada szersze

granice palności oraz większe prędkości płomienia. Bioetanol charakteryzuje się także

wyższym ciepłem parowania. Wartość energetyczna etanolu jest wyższa od energii potrzebnej

do produkcji etanolu - niejasne [31]. Niestety, bioetanol ma także wady takie jak: niższą

gęstość energetyczną niż benzyna, jest korozyjny, posiada niskie jasności płomienia, niższe

ciśnienie pary, zdolność mieszania się z wodą i toksyczny wpływ na ekosystemy.

W przypadku mieszaniny bioetanolu z benzyną zaobserwowano wzrost emisji aldehydu

octowego i wzrost ciśnienia i emisji par [32]. Energię niezbędną do przeprowadzenia tego

procesu uzyskuje się ze spalania pozostałości (wytłoczyny z trzciny cukrowej) z trzciny

cukrowej. Niestety, jest to bardzo szkodliwe dla środowiska, gdyż uwalniane zostają do

środowiska wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA). Wielopierścieniowych

węglowodorów aromatycznych (WWA) w wyniku niepełnego spalania substancji

organicznych są wszechobecne w naszym otoczeniu. WWA są substancjami

odpowiedzialnymi za procesy nowotworowe w obrębie płuc [31].

5. Wnioski

W ciągu ostatnich kilku lat, biopaliwa cieszyły się ogromnym zainteresowaniem na

całym świecie. Były postrzegane jako potencjał redukcji emisji gazów cieplarnianych,

poprawy bezpieczeństwa energetycznego oraz rozwoju obszarów wiejskich. Jednak

sprawozdania dotyczące ochrony środowiska i kosztów społeczeństwa związanych

z produkcją biopaliw wywołały burzę kontrowersji.

Do niewątpliwych zalet biopaliw, w tym bioetanolu, możemy zaliczyć:

• zmniejszają liczbę gazów cieplarnianych emitowanych do atmosfery,

• stanowią dobrą alternatywę dla państw rozwijających się - poprzez ich produkcję

możliwe jest zwiększenie liczby miejsc pracy oraz wysokości pensji dla rolników,

• są odnawialne i biodegradowalne,

• zapewniają bezpieczeństwo energetyczne - umożliwiają uniezależnienie od

importu energii spoza kraju.

Jednak oprócz zalet mają także wady:

•

w rzeczywistości jedynie bioetanol lignocelulozowy zmniejsza emisję gazów

cieplarnianych,

•

przy produkcji biopaliw emitowane są WWA,

•

korzystanie z gruntów rolnych prowadzi do wzrostu cen podstawowych artykułów

żywnościowych,

•

produkcja biomasy przeznaczonej do produkcji biopaliw powoduje konkurencję

o źródła i dostawy wody,

•

uprawa roślin na cele bioenergetyczne zmniejsza bioróżnorodność biologiczną

i prowadzi do powstania gatunków endemicznych na określonych terenach.

Nadal prowadzone są badania dotyczące selekcji surowców i technologii produkcji

biopaliw jako realnego źródła energii odnawialnej. Prawie wszystkie dostępne na rynku

biopaliwa są produkowane roślin z bogatych w skrobię, cukier (bioetanol) lub roślin oleistych

(biodiesel). Obecnie zwraca się uwagę na produkcję biopaliw z innych surowców, takich jak

wieloletnie trawy, drewno, makroglony, a także odpady leśne, rolne lub komunalne.

Literatura

Chisti Y., Biodiesel from microalgae beats bioethanol, Trends in Biotechnology Vol.26 No.3, 2008, 126.

Koh L. P., Ghazoul J., Biofuels, biodiversity, and people: Understanding the conflicts and finding

opportunities, Biological conservation 141,2008, 2450 –2460

Kim S., Dale B. E., Global potential bioethanol production from wasted crops and crop residues,

Biomass and Bioenergy 26, 2004, 361 – 375.

Jacobsen S. E., Wyman C. E., Cellulose and Hemicellulose Hydrolysis Models for Application to

Current and Novel Pretreatment Processes, Applied Biochemistry and Biotechnology, Vol. 84–86, 2000.

Kerr, R.A., The next oil crisis looms large – and perhaps close. Science 21, 1998, 1128–1131.

Villadsen J., Innovative technology to meet the demands of the white biotechnology revolution of

chemical production, Chemical Engineering Science 62,2007, 6957 – 6968.

Aracil J., Vicente M., Martinez M., Poulina M., Biocatalytic processes for the production of fatty acid

esters, Journal of Biotechnology 124, 2006, 213–223.

Pimentel, D., Patzek, T., Ethanol production using corn, switchgrass, and wood; biodiesel production

using soybean and sunflower. Natural Resources Research 14, 2005, 65–76.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: