Biopaliwa, pochodzące z materiałów organicznych, obejmują szeroki zakres źródeł, od roślin po odpady zwierzęce. Uważa się je za odnawialne, ponieważ pochodzą z biomasy, która regeneruje się co roku, w przeciwieństwie do paliw kopalnych, które formują się przez miliony lat. Nadrzędnym celem biopaliw jest zapewnienie alternatywy dla paliw kopalnych, co przyczynia się do redukcji emisji gazów cieplarnianych i zmniejszenia zależności świata od ropy. Ale czy biopaliwa są takie czyste jak nam się wydaje? Czy ich produkcja jest opłacalna i wytłumaczalna? Ten artykuł ma na celu pomóc Państwu odpowiedzieć na te pytania.
Neutralność Węglowa – Co przez to rozumiemy i jak to naprawdę działa?
Koncepcja neutralności węglowej w kontekście biopaliw opiera się na równowadze między ilością dwutlenku węgla (CO₂) emitowanego podczas spalania biopaliw a ilością pochłanianą przez rośliny podczas procesu fotosyntezy[1]. Aby lepiej zrozumieć w jaki sposób biopaliwa emitują netto mniej gazów cieplarnianych, niż tradycyjne paliwa kopalne. Zapoznanie się z cyklem emisji poprzez prześledzenie każdego etapu produkcji i użytkowania biopaliw, pozwoli Państwu zrozumiec na czym polega neutralność węglowa biopaliw, i w jaki sposób odbiega od idealnej neutralności.
1. Fotosynteza: – Cykl rozpoczyna się od fotosyntezy, procesu, w którym rośliny, takie jak uprawy energetyczne czy glony, pochłaniają światło słoneczne i CO₂ z atmosfery, wytwarzając glukozę i tlen. Glukoza służy jako rezerwuar energii dla rośliny, podczas gdy tlen jest uwalniany z powrotem do atmosfery. Ten proces pochłania atmosferyczny CO₂, skutecznie magazynując go w biomasie roślinnej.
2. Zbieranie Biomasy – Gdy uprawy energetyczne osiągną dojrzałość, są zbierane. Ten etap wiąże się z użyciem maszyn, które, jeśli są napędzane paliwami kopalnymi, emitują pewną ilość CO₂. Jednakże bilans emisji węgla jest w tym momencie nadal ujemny, ponieważ ilość CO₂ pochłoniętego podczas fotosyntezy przewyższa emisje związane z zbieraniem.
3. Produkcja Biopaliw – Zebrane biomasy przechodzą różne procesy, aby przekształcić je w biopaliwo. Na przykład w przypadku etanolu, biomasa poddawana jest fermentacji, w której mikroorganizmy rozkładają cukry w biomasie, wytwarzając etanol i CO₂. Podobnie produkcja biodiesla polega na transestryfikacji, w której trójglicerydy w olejach roślinnych lub tłuszczach zwierzęcych reagują z alkoholem (zazwyczaj metanolem), wytwarzając biodiesel i glicerol. Procesy te są energochłonne i mogą wiązać się z emisją CO₂, zwłaszcza jeśli źródła energii nie są odnawialne.
4. Dystrybucja i Rafinacja – Po wyprodukowaniu biopaliwa są one transportowane do rafinerii w celu dalszego oczyszczania, a następnie dystrybuowane do stacji paliw. Transport i rafinacja wymagają energii, a jeśli energia ta pochodzi z paliw kopalnych, emitowane jest dodatkowe CO₂.
5. Spalanie – Gdy biopaliwa są używane w pojazdach, ulegają spalaniu, uwalniając CO₂, parę wodną i inne produkty uboczne. Ilość CO₂ wydzielana jest równa ilości pochłoniętej przez rośliny podczas fotosyntezy, co teoretycznie czyni ten etap neutralnym pod względem węgla.
6. Sekwestracja Węgla w Glebie – Należy zwrócić uwagę, że gleba, na której rosną uprawy energetyczne, może również odgrywać rolę w cyklu węgla. Właściwe praktyki rolne mogą poprawić zdrowie gleby, prowadząc do zwiększenia zawartości organicznego węgla w glebie. Ten proces, znany jako sekwestracja węgla w glebie, działa jako dodatkowy zlew dla atmosferycznego CO₂, dalej kompensując emisje z innych etapów.
Chociaż spalanie biopaliw jest teoretycznie neutralne pod względem węgla, emisje z etapów produkcji i dystrybucji muszą zostać zminimalizowane, aby zapewnić ogólną neutralność węglową. Przyjęcie odnawialnych źródeł energii do produkcji i dystrybucji biopaliw, w połączeniu z zrównoważonymi praktykami rolniczymi, może zwiększyć potencjał neutralności węglowej biopaliw.
Powszechne rodzaje biopaliw:
Etanol, nazywany również alkoholem etylowym, to biopaliwo produkowane przez fermentację cukrów pochodzących z materiałów roślinnych, głównie z trzciny cukrowej i kukurydzy[2]. Proces produkcji polega na rozkładaniu węglowodanów w tych roślinach przez fermentację. Do przekształcania cukrów w etanol wykorzystuje się drożdże lub bakterie. W świecie motoryzacyjnym etanol jest często mieszany z benzyną, tworząc mieszanki takie jak E10, zawierające 10% etanolu i 90% benzyny, lub E85 z 85% etanolu. Te mieszanki mogą być używane w standardowych silnikach benzynowych. Atrakcyjność paliw mieszanych z etanolem polega na ich czystszym spalaniu w porównaniu z czystą benzyną, co prowadzi do zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych. Dodatkowo podnoszą one poziom oktanów w paliwie. Niemniej jednak produkcja etanolu, zwłaszcza pochodzącego z kukurydzy, wywołała obawy dotyczące użytkowania ziemi i potencjalnego wpływu na ceny żywności.
Biodiesel wyróżnia się jako kolejne znaczące biopaliwo, pochodzące z tłuszczów lub olejów. Mogą to być oleje roślinne, tłuszcze zwierzęce lub używany tłuszcz do smażenia. Produkcja biodiesla opiera się na procesie chemicznym zwanym transestryfikacją. Podczas tego procesu gliceryna jest oddzielana od tłuszczu lub oleju roślinnego, co prowadzi do powstania dwóch odrębnych produktów: estrów metylowych, czyli biodiesla, oraz gliceryny. Biodiesel można używać w czystej formie lub mieszać z dieslem naftowym, co prowadzi do powstawania popularnych mieszanek, takich jak B5 czy B20. Urok biodiesla polega na jego zdolności do redukcji emisji gazów cieplarnianych, jego biodegradowalności oraz smarowności, jaką zapewnia silnikom. Warto jednak zauważyć, że zimna pogoda może wpływać na wydajność biodiesla, a jego produkcja w dużych ilościach może konkurować z źródłami żywności.
Odnawialne paliwa węglowodorowe to kategoria biopaliw, które są chemicznie identyczne z węglowodorami opartymi na ropie naftowej, ale pochodzą z źródeł biomasy. Proces produkcji polega na przekształcaniu biomasy w gaz, który następnie jest przekształcany w ciekłe węglowodory przez szereg reakcji chemicznych. Ze względu na ich chemiczne podobieństwo do produktów naftowych mogą być bezpośrednio integrowane z istniejącymi silnikami, rurociągami i rafineriami. Ich potencjał do znaczącego ograniczenia emisji gazów cieplarnianych, w połączeniu z bezproblemową integracją z istniejącą infrastrukturą paliwową, czyni je obiecującą opcją. Niemniej jednak złożoność i potencjalne koszty ich procesu produkcji mogą być przeszkodą.
Szukając alternatyw, biopaliwo z glonów wyłania się jako ciekawa alternatywa do wyżej wymienionych źródeł, ponieważ można za ich pomocą wyprodukować biodiesel jak i bioetanol. Szybki wzrost glonów i ich relatywnie prosta uprawa czynią je obiecującą alternatywą do tradycyjnych upraw rolnicznych pod produkcję biopaliw, takich jak kukurydza i pszenica. Inną godną uwagi propozycją jest biobutanol, który, podobnie jak etanol, ma wysoką zawartość energii chemicznej. Może być on pochodzenia z tych samych surowców co etanol i być mieszany z benzyną w wyższych stężeniach. Wreszcie, biohydrogen, produkowany z glonów i bakterii, ma potencjał do użytku w wodorowych ogniwach paliwowych do wytwarzania energii elektrycznej.
Biopaliwa prezentują różnorodną gamę opcji mających na celu zastąpienie lub uzupełnienie tradycyjnych paliw kopalnych. Każde z nich ma swoje unikalne zalety i wyzwania. Jednak dzięki bieżącym badaniom i postępowi technologicznemu stają się coraz bardziej wydajne i zrównoważone. W miarę jak globalna społeczność zwraca się w stronę czystszych rozwiązań energetycznych, biopaliwa są gotowe do odegrania kluczowej roli.
Rola biopaliw w krajobrazie odnawialnej energii:
W globalnym przesunięciu w kierunku zrównoważonej energii, znaczenie odnawialnych źródeł takich jak energia słoneczna, wiatrowa i wodna jest niezaprzeczalne. Te źródła, z ich potencjałem minimalnego wpływu na środowisko i zrównoważoności, często stoją na czele dyskusji o przyszłych rozwiązaniach energetycznych. Jednak w środku tej rewolucji w zakresie odnawialnej energii, znaczenie i konieczność biopaliw zostały poddane w wątpliwość. Dlaczego, w erze rozwijających się technologii odnawialnych, wciąż potrzebujemy biopaliw?
Jedną z głównych zalet biopaliw jest ich zdolność do magazynowania energii i przenośności. Odnawialne źródła energii, zwłaszcza słoneczna i wiatrowa, są z natury przerywane. Ich produkcja energetyczna zależy od warunków środowiskowych, prowadząc do nieuniknionych fluktuacji w produkcji energii. Chociaż postępy w technologiach baterii oferują rozwiązania dla magazynowania energii, wiążą się one z własnym zestawem wyzwań, w tym ograniczeniami pojemności, degradacją z czasem i ograniczeniami zasobów w produkcji. W przeciwieństwie do tego, biopaliwa dostarczają namacalnych i przenośnych środków magazynowania energii. Jest to szczególnie kluczowe dla sektorów, w których obecne technologie baterii są mniej odpowiednie, takie jak lotnictwo i pewne operacje morskie.
Ponadto, przejście na odnawialne źródła energii często wymaga znaczących modyfikacji istniejącej infrastruktury, procesu, który może być zarówno czasochłonny, jak i obciążony finansowo. Biopaliwa przedstawiają rozwiązanie, które można bezproblemowo zintegrować z obecną infrastrukturą. Na przykład wiele pojazdów i maszyn działających dzisiaj jest zaprojektowanych do pracy na benzynie lub oleju napędowym. Biopaliwa, takie jak bioetanol i biodiesel, można mieszać z tymi tradycyjnymi paliwami. Umożliwia to stopniowe i płynniejsze przejście na czystsze źródła energii bez natychmiastowej potrzeby obszernej przebudowy istniejących silników i systemów dystrybucji paliwa.
Z ekonomicznego punktu widzenia, przemysł biopaliw ma potencjał stymulowania wzrostu gospodarczego. Regiony o bogactwie zasobów rolniczych mają wiele do zyskania. Produkcja biopaliw może prowadzić do tworzenia miejsc pracy w wielu sektorach, w tym rolnictwie, badaniach, transporcie i rafinacji. Dla krajów o rozległych powierzchniach gruntów ornych, biopaliwa nie tylko oferują ścieżkę wzrostu gospodarczego, ale także możliwość zmniejszenia zależności od importowanej ropy.
Kolejnym przekonującym argumentem za biopaliwami jest dywersyfikacja źródeł energii. Wyłączne poleganie na ograniczonej liczbie źródeł energii może wprowadzać podatności pod względem bezpieczeństwa energetycznego. Napięcia geopolityczne, klęski żywiołowe czy nawet awarie techniczne mogą prowadzić do zakłóceń w dostawach energii. Różnorodne portfolio energetyczne, w tym biopaliwa, zapewnia odporność na takie zakłócenia
Na koniec, chociaż biopaliwa są głównie promowane ze względu na ich zdolności produkcyjne, nie można przeoczyć korzyści środowiskowych płynących z upraw używanych do biopaliw. Te uprawy mają potencjał do sekwestracji węgla, skutecznie działając jako zlew węglowy. Ponadto pewne uprawy energetyczne mogą poprawiać zdrowie gleby, przeciwdziałać erozji i sprzyjać bioróżnorodności.
Obecny stan rynku biopaliw w Polsce:
Rynek biopaliw w Polsce jest w dynamicznym stadium rozwoju, napędzanym zarówno przez regulacje krajowe, jak i unijne. W ciągu ostatnich lat Polska zwiększyła produkcję biopaliw, głównie etanolu i biodiesla. Kraj ten posiada znaczące zasoby rolnicze, co czyni go atrakcyjnym miejscem dla produkcji biopaliw pierwszej generacji, bazujących na uprawach takich jak rzepak czy zboża. Rzepak, będący głównym surowcem do produkcji biodiesla w Polsce, stanowi ważny element krajobrazu rolniczego.
Jednakże, podobnie jak w innych krajach, produkcja biopaliw pierwszej generacji w Polsce napotyka na pewne wyzwania, zwłaszcza w kontekście konkurencji o grunt pomiędzy uprawami na biopaliwa a uprawami żywnościowymi. W związku z tym rośnie zainteresowanie biopaliwami drugiej i trzeciej generacji, które bazują na odpadach rolniczych, resztkach roślinnych czy algach.
Polskie prawodawstwo w zakresie biopaliw jest zgodne z dyrektywami Unii Europejskiej, które nakładają na państwa członkowskie obowiązek osiągnięcia określonego udziału biopaliw w transporcie do 2020 roku i później. W odpowiedzi na te wymogi, Polska wprowadziła różne instrumenty wsparcia dla sektora biopaliw, takie jak ulgi podatkowe, cła czy systemy certyfikacji.
Mimo to, rynek biopaliw w Polsce wciąż stoi przed wieloma wyzwaniami. Konieczność inwestycji w nowoczesne technologie, konkurencja z tanimi importami biopaliw oraz kwestie związane z zrównoważonym rozwojem i wpływem na środowisko są tylko niektórymi z nich.
Już teraz wśród krajowych gigantów petrochemicznych widoczne jest szerokie poparcie dla biopaliw. Prezes Orlenu Daniel Obajtek, w kwietniu 2023r. Ogłosił, że „Koncern Orlen przyspieszy o dwa lata inwestycje w naszych rafineriach, aby już od stycznia 2024 roku produkować paliwo E10 […] W efekcie zwiększymy o blisko 50 proc. zapotrzebowanie na bioetanol potrzebny do produkcji paliwa”. Z kolei firma start-up Wratislavia-BIOdiesel z Wrocławia, szcyci się niedawno rozpoczętą produkcją biopaliw drugiej generacji[3]. Jednocześnie na polskim rynku trwa rozwój wielu firm oferujących usługi rozwoju i budowy biogazowni, jak na przykład BioGas System[4].
Autor: Mikołaj Kahl
Zdjęcie: www.pexels.com
[1] IEA Bioenergy, „Carbon neutrality,” IEA Bioenergy Technology Collaboration Programme, [Online]. Available: https://www.ieabioenergy.com/iea-publications/faq/woodybiomass/carbon-neutrality/. [Accessed: 29-08-2023].
[2] Bioenergy Technologies Office, „Biofuel Basics,” Office of Energy Efficiency & Renewable Energy, [Online]. Available: https://www.energy.gov/eere/bioenergy/biofuel-basics. [Accessed: 26-08-2023].
[3] https://wratislavia-biodiesel.eu/
[4] https://biogas-system.com/?gclid=CjwKCAjwrranBhAEEiwAzbhNtcNDqqIP_1OnX-N59_PbK56D469OjgYEPtAprgNVo44fChXDCIH2BRoCX_wQAvD_BwE
