Istnieje wiele sposobów wykorzystania biomasy jako biopaliwa, do których należą metody termochemiczne, chemiczne, biochemiczne i fizyczne (ryc. 6). Najstarszym i najbardziej rozpowszechnionym sposobem jest spalenie lub termiczna obróbka, najczęściej drewna, do postaci węgla drzewnego. Inne rozwiązania obejmują: fermentację cukrów prostych i złożonych w produkcji etanolu, pirolizę, dzięki której uzyskuje się metanol, mechaniczne wyciskanie oleju z nasion w celu jego bezpośredniego użycia w silnikach Diesela, fermentację biomasy przez bakterie produkujące biogaz o dużej zawartości metanu oraz zgazowanie drewna w celu uzyskania paliwa do pojazdów lub maszyn. Bieranowski i Piechocki (2007, ss. 21-28) przedstawiają różne metody wykorzystania biomasy.
Spalanie biomasy można zdefiniować jako całkowite jej utlenienie lub egzotermiczną reakcje pomiędzy zawartym w niej tlenem a wodorowęglanami. Proces jest skomplikowany, ponieważ przebiega kilkustopniowo. Najpierw dochodzi do suszenia, pirolizy i gazyfikacji biomasy, następnie następuje jej pełne spalenie. Im większy poziom wilgotności tym większa ilość energii zostaje zużyta do wysuszenia biomasy. Drewno, wióry, plewy zbóż, kolby kukurydzy i inne odpady rolne mogą być spalane w przystosowanych do tego kotłach. Ciepło spalania większości biomasy wysuszonej powietrzem zawiera się w granicach 15 MJ/kg - 19 MJ/kg. Jeśli poziom wilgotności biomasy przekracza 60%, spalanie nie może mieć miejsca (Faaij, 2004, s. 176, Basu, 2010, s. 11).
Z uwagi na znikomą zawartość pyłu i siarki (w większości rodzajów biomasy ich udział wynosi poniżej 1% , a nawet 0,01%) stosuje się także jej współspalanie z węglem, który zawiera szkodliwe substancje, takie jak: związki siarki, azotu i metale ciężkie. W powstałej mieszaninie biomasy z węglem stężenie siarki ulega obniżeniu, a więc ich spalanie nie jest obciążone kosztami odsiarczania. Zaoszczędzone środki można przeznaczyć na rozwój technologii uprawy, pozyskania biomasy i jej energetycznego zagospodarowania (Lewandowski, 2007, s. 328). W praktyce drastyczny spadek ceny zielonych certyfikatów
Metody pozyskiwania
Ryc. 6. Metody pozyskiwania energii z biomasy.
Źródło: Opracowanie własne na podstawie Basu (2010, s. 9).
(w 2013 roku o 40% w stosunku do lat wcześniejszych) przejściowo wyeliminował ten mechanizm17. Wskazuje na to porównanie ilości energii wyprodukowanej w Polsce w procesie współspalania: 5,7TWh w 2012 r. i tylko 0,2 TWh w 2013 r. (Piszczatowska, 2013).
Toryfikację określa się jako proces termicznej obróbki biomasy w temperaturze od 250 °C do 290 °C, pod ciśnieniem zbliżonym do atmosferycznego, bez dostępu tlenu.
Biomasa ulega wówczas mineralizacji, część związków rozpada się, a w pozostałych dochodzi do skrócenia łańcuchów polimeryzacyjnych. Powstały produkt jest kruchy i hydrofobowy, łatwo go więc peletyzować lub brykietować, nie poddaje się wpływom patogenów i posiada wyższą gęstość energetyczną niż wejściowa biomasa. (Dubas, 2009, ss. 247-48, Basu, 2010, ss. 13-14). Piroliza stanowi proces zachodzący w podobnych warunkach co toryfikacja, przy czym różnica polega na zastosowaniu wyższej temperatury niż w toryfikacji. Produktami są węgiel drzewny, olej (popirolityczny, ang. biocrude) oraz gaz o niskiej wartości kalorycznej. Ich proporcje zależą od rodzaju wsadu, użytego urządzenia oraz szczegółów przebiegu pirolizy (Ong Lim, Sims, 2004, s. 121, Lee, 2007, s.
388). Niektórzy badacze nie korzystają jednakże z pojęcia toryfikacji i określają pirolizę jako wszystkie procesy termicznej obróbki biomasy w warunkach beztlenowych. Przez pirolizę niskotemperaturową (250 °C – 290 °C) rozumie się zatem toryfikację, piroliza średniotemperaturowa (450 °C – 600 °C) to piroliza właściwa, podczas gdy pirolizę
17 1 XII 2011 r. ceny zielonych certyfikatów wynosiły 285,13 PLN. Od tego czasu przez ponad rok obserwowano systematyczny spadek ich wartości do poziomu 100,00 PLN. Latem 2013 ich cena osiągnęła 150 PLN.
wysokotemperaturową (pow. 750 °C) definiuje się jako gazyfikację. W ich rozróżnieniu ważne jest także tempo przebiegu procesów termicznych. Toryfikacja i gazyfikacja są związane z wolnym podgrzewaniem, a zatem długim czasem zgazowywania (Ong Lim, Sims, 2004, s. 121), podczas gdy piroliza oznacza szybkie podgrzewanie i skrócony czas przebywania surowca w pirolizatorze.
Gazyfikacja, podobnie jak toryfikacja i piroliza, polega na termicznym rozpadzie materii organicznej. Różnicę stanowi wykorzystanie w procesie gazyfikacji ograniczonych ilości utleniaczy: tlenu, wody (pary wodnej), dwutlenku węgla lub mieszaniny tych gazów.
Ilość tlenu wykorzystana w tym procesie nie przekracza 30% objętości potrzebnej do pełnego spalenia. Końcowym efektem jest mieszanina gazów zawierająca wodór, węgiel oraz tlenek węgla, metan, dwutlenek węgla, parę wodną i śladowe ilości innych wodorowęglanów niż metan. Jeśli utleniaczem jest powietrze, a produkt gazyfikacji określa się jako gaz generatorowy. Jeśli utlenianie powoduje tlen lub para wodna, produkt gazyfikacji stanowi gaz syntezowy (Ong Lim, Sims, 2004, s. 111).
Z kolei olej wytłoczony z roślin (SVO – straight vegetable oil) może być użyty do napędu silników wysokoprężnych. SVO posiada bardzo dobry współczynnik zwrotu energii, przez który rozumie się ilość energii uzyskanej ze spalenia w stosunku do zużytej na wyprodukowanie biomasy. Wykorzystanie SVO w porównaniu do paliw tradycyjnych charakteryzuje się jednak: wyższą emisją wodorowęglanów, tlenku węgla i cząstek stałych, pozostawianiem osadów w komorze spalania, zapychaniem przewodów paliwowych oraz wyższą lepkością paliwa niż tradycyjny diesel (Rapier, 2008, s. 156). Ze względu na obawy o wpływ SVO na trwałość i sprawność silników, najczęściej stosuje się biopaliwo uzyskane z olejów roślinnych metodą chemiczną, poprzez transestryfikację, czyli reakcję estrów z alkoholami, kwasami lub innymi estrami. Podczas produkcji biodiesla zachodzi hydroliza tłuszczu (roślinnego lub zwierzęcego) i estryfikacja kwasów tłuszczowych metanolem.
Reakcja jest odwracalna, dlatego dodawany jest metanol. Wymagany jest także silny katalizator w postaci wodorotlenku sodu lub potasu. Wykorzystanie biodiesla do napędzania silników powoduje spadek emisji wodorowęglanów, tlenku węgla oraz cząstek stałych w spalinach. Następuje jednakże wzrost emisji tlenków azotu o 5% – 13%. Na podstawie analizy cyklu życia biodiesla przeprowadzonej przez amerykańskie Narodowe Laboratorium do spraw Energii Odnawialnej stwierdzono, że z jednej jednostki paliw kopalnych można wyprodukować 3,2 jednostki biodiesla.
Do niekorzyści związanych z wykorzystaniem biodiesla zalicza się (Schumacher, Gerpen, Adams, 2004, ss. 155-60): wyższy koszt produkcji niż paliw tradycyjnych,
zależność jakości paliwa od tego, czy transestryfikacja została zakończona, niższą o 8%, w stosunku do paliw tradycyjnych, zawartość energetyczną, ograniczoną stabilność, gdyż po sześciu miesiącach ulega on stopniowemu rozkładowi, większą wrażliwość na niskie temperatury, podwyższoną emisję tlenków azotu, skłonność do reakcji z niektórymi tworzywami sztucznymi oraz miedzią i cynkiem i rozpuszczanie zanieczyszczeń nagromadzonych w zbiorniku paliwa.
Synteza Fischera-Tropscha, która stanowi reakcję chemiczną tworzenia paliw płynnych z mieszaniny tlenku węgla i wodoru (gazu syntezowego) jest określana mianem BTL (biomass-to-liquids). Substrat, gaz syntezowy uzyskuje się w trakcie pirolizy biomasy lub innej materii zawierającej węgiel. Katalityczna synteza polega na reakcji tlenku węgla z cząsteczkami wodoru w temperaturze 200 °C – 250 °C, przy ciśnieniu 25-60 atmosfer (Zwart, van Ree, 2009, s. 98). Zaletą syntezy F-T jest możliwość zagospodarowania każdego rodzaju biomasy oraz produkcja wyjątkowo czystego paliwa bez dodatków siarki oraz węglowodorów aromatycznych (Rapier, 2008, s. 160-61).
Etanol może być produkowany metodami biochemicznymi poprzez fermentację tlenową i beztlenową oraz przez organizmy żywe. Proces biologiczny polega na rozwoju w środowisku beztlenowym mikroorganizmów żywiących się cukrami. Jako źródło cukrów służą kukurydza, ziemniaki, jęczmień, tapioka lub trzcina cukrowa, choć może być nim także celuloza. Przed fermentacją większość z surowców jest poddawana hydrolizie. Do produkcji etanolu na dużą skalę wykorzystuje się melasę (półprodukt przemysłu cukrowego), kolby kukurydzy oraz sok z trzciny cukrowej. Melasa, zawiera metale hamujące rozwój bakterii, a kolby kukurydzy i sok z trzciny cukrowej charakteryzują się niską efektywnością ekonomiczną produkcji etanolu. Biomasa całych roślin mogłaby być surowcem, nie ma jednak szczepu bakterii, który umożliwiłby produkcję z niej etanolu na dużą skalę przy niskich kosztach (Chandraraj, Gunasekaran, 2004, ss. 327-28).
Etanol posiada wiele zalet jako paliwo do napędzania silników pojazdów: służy jako utleniacz (ogranicza zawartość tlenku węgla oraz ozonu w spalinach), charakteryzuje się niską toksycznością w stosunku do innych paliw (Wyman, 2004, s. 543), odznacza się mniejszą zdolnością parowania niż benzyna (w mniejszym stopniu wpływa na formowanie smogu), ma podwyższoną liczbę oktanową paliwa, przeciwdziałając przedwczesnemu zapłonowi i „stukom silnika” (Chandraraj, Gunasekaran, 2004, s. 335) i stanowi alternatywę dla benzyny (zmniejsza zależność energetyczną od importu ropy). Do słabych stron etanolu należą jego niższa wartość energetyczna (częściowo kompensowana wyższą wartością oktanową) oraz zwiększona w procesie spalania emisja tlenków azotu, węglowodorów
aromatycznych i aldehydów (Sorensen, 2004, ss. 508-09).
Biogaz podobnie jak bioetanol powstaje podczas fermentacji beztlenowej. Substraty wykorzystywane do produkcji biogazu mogą obejmować: odpady i pozostałości z uprawy zbóż, warzyw, roślin bulwiastych, cukrowych, skrobiowych i ich przetwórstwa, a także rośliny strączkowe, oleiste, odpady z gorzelni, winnic i browarów, rośliny energetyczne, mleko i odpady mleczarskie, jaja, odpady drobiarskie oraz z przemysłu rybnego (Singh D., Singh P., 2004, s. 56). Biomasa, odchody zwierząt, rośliny uprawne bądź odpady z ich przeróbki, są rozkładane przez mikroorganizmy na metan, dwutlenek węgla, wodę, minerały, biomasę mikroorganizmów i osad organiczny. Warunkiem prawidłowego przebiegu procesu jest by wsad nie zawierał więcej niż 15% suchej masy (Zwart, Langeveld, 2010, s. 183). Optimum temperatury fermentacji zależy od substratu i używanego szczepu bakterii. Wyróżnia się trzy typy fermentacji: psychrofilną (w temperaturze 10 °C – 20 °C), mezofilną (30 °C – 40 °C) i termofilną (50 °C – 60 °C). Pierwsza z wyżej wymienionych jest stosowana najrzadziej, ponieważ przebiega powoli i dostarcza stosunkowo małych ilości gazu. Drugą, ze względu na stabilność procesu i niskie koszty, najczęściej wprowadza się na farmach. Trzecia z uwagi na potrzebę zapewnienia podwyższonej temperatury i szybki, lecz łatwo ulegający zakłóceniom przebieg fermentacji, znajduje zastosowanie w zakładach przemysłowych (Zwart, Langeveld, 2010, s. 181).
Produkcja biogazu przebiega czterostopniowo. Składają się na nią:
− hydroliza, czyli rozkład polimerów organicznych do związków o prostszej budowie,
− acidogeneza, podczas której z produktów hydrolizy wytwarzane są kwasy karboksylowe,
− acetogeneza, gdy z glukozy lub dwutlenku węgla i wodoru powstaje octan,
− metanogeneza, w toku której z octanu lub redukcji dwutlenku węgla wodorem, powstaje metan (Zwart, Langeveld, 2010, s. 182).
Biogaz może być wpuszczony do sieci przesyłowej lub zużyty w instalacjach kogeneracyjnych, wytwarzających prąd i ciepło. Przed dostarczeniem do sieci przesyłowej wymagane jest wysuszenie gazu, ponieważ zawiera zbyt dużo pary wodnej, a także usunięcie z niego siarkowodoru i dwutlenku węgla oraz jego skompresowanie. Niezbędna jest więc budowa drogiej infrastruktury przyłącza do sieci przesyłowej. Z kolei kogeneracja wymaga wysuszenia gazu oraz usunięcia siarkowodoru powodującego korozję. Powstaje także problem zagospodarowania nadmiaru ciepła powstającego w trakcie wytwarzania prądu (na obszarach wiejskich może być to problem). Cennym odpadem z produkcji biogazu jest osad pofermentacyjny, który wykorzystuje się jako nawóz. W niektórych krajach jego
wykorzystanie jest obwarowane spełnieniem norm odnoszących się do substratów, które służą do produkcji biogazu (Zwart, Langeveld, 2010, s. 189-90).
Do korzyści produkcji biogazu należy brak emisji gazów cieplarnianych, które powstają podczas wytwarzania energii z paliw kopalnych, możliwość zastosowania wielu rodzajów biomasy jako wsadu do bioreaktora, poprawa zarządzania odpadami organicznymi i powstałymi podczas chowu zwierząt, ograniczenie zapotrzebowania na nawozy mineralne, możliwość wyboru skali przedsięwzięcia (od mikro- do megainstalacji) i produkcja gazu na składowiskach odpadów. Fermentacja beztlenowa biomasy pozwala na wzbogacenie gleby nieprzetrawionymi składnikami odżywczymi w postaci ligniny, co ogranicza potrzebę stosowania dużych ilości nawozów. Pod tym względem produkcja biogazu przewyższa inne techniki konwersji biomasy. Do słabych stron biogazu zalicza się „wrażliwość” procesu produkcyjnego na zmiany substratów. Wiąże się z tym wyraźny wzrost kosztów budowy instalacji o wysokiej sprawności. Problemem jest długi proces rozruchu instalacji (Weiland, Verstraete, van Haandel, 2009, ss. 193-94, Stametelatou, Antonopoulou, Lyberatos, 2011, s.
272-73). Może dochodzić do niekorzystnych zmian krajobrazu obszarów wiejskich poprzez wprowadzanie monokultury upraw. Sposoby przetwarzania i wykorzystania biomasy jako biopaliwa przedstawia rycina 7.
Ryc. 7. Procesy konwersji biomasy w energię użyteczną.
Źródło: Traverso A., Biomass, [w:] Capehart B. (red.), Encyclopedia of engineering and technology, vol. 1, CRC Press, Boca Raton, 2007, s. 89; zmienione.
Pozyskiwanie biopaliw z prostych organizmów żywych, jak glony (algi) oraz bakterie, stanowi alternatywę dla paliw kopalnych. Mikroalgi są mikroskopijnymi organizmami fotosyntetyzującymi, które żyją zarówno w wodzie słodkiej, jak i słonej. Ich
prosta budowa oraz przebywanie w środowisku zapewniającym dostęp do wody, CO2 i składników odżywczych, powoduje, że są bardzo wydajne w zamianie energii słonecznej na biomasę. Brak korzeni i pędów także sprzyja poprawie ich wydajności (Gouveia, 2011, s.
2).
Głównymi zaletami wykorzystania alg są:
− wysoka efektywność konwersji promieniowania słonecznego (3%-8% względem 0,5% przez rośliny lądowe) przekładająca się także na tempo ich wzrostu i wysokie plony alg z hektara (Asplund, 2004, ss. 293-94, Scragg, 2009, s. 53, Frazao i in., 2010, s. 103, Gouveia, 2011, s. 3),
− różnorodne efekty produkcji: protony i elektrony (wodór – bio-H2), cukry proste i skrobia (bioetanol), olej (biodiesel), biomasa-do-paliw płynnych oraz biometan (Asplund, 2004, ss. 293-94, Francis, 2010, s. 143, Schneider i in, 2012, s. 3),
− zdolność do wzrostu w środowisku wodnym (większa łatwość zagospodarowania w stosunku do gleby), także w wodzie słonej (mniejsza presja na zasoby wody słodkiej), a nawet w ściekach, co oznacza korzyści oczyszczania wód (Asplund, 2004, ss. 293-94, Martinez, Dubinsky, 2004, ss. 325-95, Biofuels…, 2007, s. 35, El Bssam, 2010, s. 102, Huesemann i in., 2010, ss. 166-68, Gouveia, 2011, s. 3, Technology…, 2011, s. 14, Formighieri, Bassi, 2012, ss. 349, Schneider i in, 2012, s.
5),
− możliwość zagospodarowania gruntów marginalnych i brak konkurencji z działalnością rolniczą (Tabak, 2009, ss. 92-93, Scragg, 2009, s. 53, El Bssam, 2010, s. 103, Francis, 2010, s. 138, Huesemann i in., 2010, ss. 166-68, Gouveia, 2011, s. 3, Technology…, 2011, s. 14, Formighieri, Bassi, 2012, ss. 349, Schneider i in, 2012, s.
4),
− całoroczna produkcja z częstymi zbiorami (Tabak, 2009, ss. 92-93, Nersesian, 2010, ss. 89-91, Gouveia, 2011, s. 3, Formighieri, Bassi, 2012, ss. 349),
− możliwość wprowadzenia w stan stresu, który powoduje wzrost koncentracji produktów przemiany materii: tłuszczy, skrobi lub innej biomasy (Martinez, Dubinsky, 2004, ss. 325-95, Gouveia, 2011, s. 3),
− łatwość dostosowania hodowli do zapotrzebowania na biomasę oraz umiejętności hodowców (Gouveia, 2011, s. 3),
− wysoka zdolność do przechwytywania (sekwestracji) CO2 (Biofuels…, 2007, s. 35, Scragg, 2009, s. 53, Demirbas A., Demirbas M., 2010, s. 105, Francis, 2010, s. 139, Gouveia, 2011, s. 3, Formighieri, Bassi, 2012, ss. 348),
− redukcja tlenków azotu w produkowanym z alg paliwie (Demirbas A., Demirbas M., 2010, s. 105, Gouveia, 2011, s. 3),
− niskie obciążenie środowiska (Gouveia, 2011, s. 3),
− dostarczanie produktów ubocznych (białka, polisacharady, barwniki, biopolimery, karma dla zwierząt, czy nawozy), zwiększających wartość dodaną (Martinez, Dubinsky, 2004, ss. 325-95, Frazao i in., 2010, s. 104, Jacob-Lopes, Franco, 2010, s.
141).
Słabe strony „uprawy” alg obejmują: brak postępu w zwiększaniu wydajności chowu alg z hektara (Huesemann i in., 2010, ss. 166-68), duże zapotrzebowanie na nawóz i wodę, zagrożenia ze strony dzikich szczepów alg, mogących zdominować szczepy udomowione, ograniczając produkcję (Aswathanarayana, 2010, ss. 32-33), uciążliwy i energochłonny zbiór dojrzałych alg (Pimentel, 2008a, ss. 499-500) oraz duże zapotrzebowanie na grunty mimo większej wydajności niż roślin uprawnych: zagospodarowanie emisji CO2 z elektrowni o mocy 800 MW wymagałoby instalacji z hodowlą alg zajmującą powierzchnię 100 km2 (Schubert, 2009, s. 142).
Proponuje się jednak rozwiązania, które mają przezwyciężyć problemy związane z uprawą alg (Harvey, 2010, ss. 197-98), przy czym prace badawcze dotyczą głównie produkcji biodiesla z alg (MacIntosh, 2005, s. 141-43, Demirbas A., Demirbas M., 2010, ss.
139-55, Dufour i in., 2011, ss. 438-41, Kaur i in., 2011, ss. 169-72, Kurevija, Kukukj, 2011, ss. 502-509, Cheng, Wang, 2013, ss. 359-60), sekwestracji CO2 na skalę przemysłową (Scragg, 2009, ss. 53-54, 2010, Mahalec i in., ss. 497-504, Nersesian, 2010, ss. 89-90, Hordeski, 2011, s. 136-137, Reed, 2012, s. 1180) i produkcji wodoru (Schubert i in., 2009, s. 142). Powstają instalacje przemysłowe, w których prowadzi się prace zmierzające do obniżenia kosztów produkcji biopaliw z alg (Asplund, 2004, s. 294, America’s… 2009, ss.
252-53, Huesemann, 2010, ss. 179-80, Griffiths i in. 2011, ss. 188-94), gdyż baryłka ropy z alg kosztuje nadal więcej niż ropy naftowej kopalnej – 250-350 dolarów w 2005 r.
(McIntosh, 2005, s 143).
2.5 Kierunki badań nad biomasą rolniczą i jej energetycznym wykorzystaniem