Biopaliwa Proekologiczne odnawialne źródła energii

sss

Paliwa jako nośnik energii mają istotny wpływ nie tylko na wszystkie dziedziny działalności człowieka, lecz generalnie na dalszą jego egzy­stencję na Ziemi. Zależność od paliw i energii jest wprost proporcjonal­na do rozwoju cywilizacyjnego danego kraju, regionu lub wspólnoty. Mieszkańcy krajów uprzemysłowionych, zwłaszcza żyjący w dużych aglomeracjach miejskich, są niewolnikami energii. Jej pozyskiwanie, produkcja oraz dystrybucja wiążą się z licznymi problemami technolo­gicznymi, społecznymi, ekonomicznymi, prawnymi i ekologicznymi. Od wielu lat toczy się ogólnoświatowa dyskusja, jak je rozwiązać, aby unik­nąć czarnego scenariusza zapaści cywilizacyjnej z końcowym akordem samounicestwienia życia na Ziemi.

Książka Biopaliwa. Proekologiczne odnawialne źródła energii jest głosem w tej dyskusji. Autorzy, omawiając biopaliwa w bardzo szerokim kontekście, chcą uświadomić czytelnikom rzeczywistą wagę i znaczenie energii oraz jej nośników, czyli paliw. Łącząc popularno­naukową formę wprowadzeń w poszczególne zagadnienia i omówień praktycznych zastosowań konkretnych rozwiązań z naukowym sty­lem rozważań teoretycznych, stworzyli bardzo ciekawą publikację skierowaną do szerokiego grona odbiorców zainteresowanych prob­lematyką odnawialnych źródeł energii, ochrony środowiska, biotech­nologii, a także polityki energetycznej i etyki w przemyśle.

Autorzy oraz Wydawnictwo WNT polecają tę książkę studentom kie­runków: energetyka, ekoenergetyka, ochrona środowiska, alternatyw­ne technologie energetyczne i zarządzanie środowiskiem, inżynieria środowiska oraz biotechnologia.

Książka przeznaczona dla szerokiego kręgu odbiorców, zawierająca maksymal­nie dużo informacji przekazanych w sposób najbardziej przystępny, nie może mieć ani hermetycznej formy zrozumiałej jedynie dla fachowców z danej dziedziny, ani spłycać zagadnienia do formy popularnej. Jedynym wyjściem było rozwiązanie kompromisowe. Polega ono na tym, że wprowadzenie w konkretne zagadnienia ma formę popularnonaukową. Rozważania teoretyczne, dotyczące mechanizmów, zależności, procedur itd., dedykowane głównie specjalistom w danej dziedzinie, są już bardziej naukowe. Z kolei obliczenia dotyczące wydajności, sprawności i opła­calności poszczególnych rozwiązań, oraz konkretne przykłady zastosowań prak­tycznych, podobnie jak wprowadzenie, ma znów formę popularnonaukową.

Treść książki starano się dodatkowo uatrakcyjnić graficzną formą opracowania, tak aby dla niefachowców nie była zbyt trudna, a dla specjalistów z poszczególnych dziedzin wiedzy nie wydawała się banalna.

Niniejsze opracowanie stanowi pogłębioną, uaktualnioną i uzupełnioną o nie­zbędne podstawy teoretyczne treść wykładów z przedmiotu Niekonwencjonalne źródła energii, prowadzonych od kilku lat dla studentów Wydziału Chemicznego na kierunku Technologie Ochrony Środowiska oraz Wydziału Fizyki i Matematy­ki Stosowanej na kierunku Konwersja Energii Politechniki Gdańskiej. W książce wykorzystano również obszerne fragmenty materiału wykładanego na Studiach Podyplomowych organizowanych przez Wydział Chemiczny: Biopaliwa i Zago­spodarowanie Odpadów i Czyste Technologie oraz Studium „Zielonej Akademii", organizowanym przez Uniwersytet Gdański pt: Przyroda, Etyka, Technika w ra­mach przedmiotu Energie Odnawialne.

Spis treści

Wykaz ważniejszych oznaczeń, skrótów, jednostek 13

Przedmowa 17

Wstęp 19

1. Charakterystyka biopaliw  21

1.1. Wprowadzenie 22

1.2. Rola i znaczenie biopaliw po przystąpieniu Polski do UE 26

1.3. Rodzaje biopaliw 27

1.3.1. Definicja i podział biomasy na biopaliwa  27

1.3.2. Charakterystyka biomasy jako nośnika energii 28

1.3.3. Metody przetwarzania biomasy na biopaliwo 30

1.4. Przyszłość biopaliw w Polsce 33

Bibliografia 33

2. Fotosynteza 37

2.1. Wprowadzenie 38

2.2. Fotosynteza biomasy 38

2.2.1. Wprowadzenie do mechanizmu fotosyntezy 38

2.2.2. Nośniki energii fotosyntezy 42

2.2.3. Biochemiczny mechanizm fotosyntezy 44

2.2.4. Pozostałe szlaki autotrofkznego wiązania CO2 w biomasę 48

2.3. Termodynamika procesu fotosyntezy biomasy 50

2.3.1. Podstawowe etapy procesu fotosyntezy biomasy           50

2.3.2. Sprawność procesu fotosyntezy w ujęciu termodynamicznym 54

2.3.3. Sprawność procesu fotosyntezy w ujęciu biotechnologicznym 54

2.3.4. Sprawność procesu fotosyntezy w ujęciu fizykochemicznym 56

2.3.5. Sprawność procesu fotosyntezy upraw rolnych 57

2.4. Techniczne wykorzystanie fotosyntezy 57

2.4.1. Wykorzystanie fotosyntezy do oczyszczania spalin 57

2.4.2. Biotechnologia z wykorzystaniem alg 59

2.4.3. Fotobioogniwa 59

2.5. Znaczenie i rola ditlenku węgla w przyrodzie 62

2.5.1. Efekt cieplarniany 62

2.5.2. Ditlenek węgla a globalne ocieplenie 64

2.5.3. Rehabilitacja ditlenku węgla 68

Bibliografia 71

3. Zasoby biopaliw 77

3.1. Wprowadzenie 79

3.2. Globalny potencjał energetyczny biomasy do 2050 roku 80

3.2.1. Szacunkowe wartości 80

3.2.2. Metodyka szacowania potencjału biomasy 82

3.2.3. Bilans potencjału nadwyżki produkcji żywności 83

3.2.4. Potencjał bioenergetyczny odłogowi obszarów zdegradowanych  86

3.2.5. Sumaryczny światowy potencjał biopaliw z nadwyżki plonów 88

3.2.6. Światowy potencjał energetyczny pozostałości z upraw rolnych 88

3.2.7.  Światowy potencjał energetyczny pozostałości z upraw leśnych 89

3.2.8. Światowy potencjał energetyczny pozostałości hodowlanych 89

3.2.9.  Światowy potencjał energetyczny odpadów organicznych           90

3.2.10. Potencjał energetyczny biomateriałów, strumienia kategorii VII 90

3.2.11. Sumaryczny globalny potencjał energetyczny biomasy 92

3.3. Metodologia szacowania potencjału bioenergii 95

3.3.1. Metodologia szacowania zasobów bioenergii w Europie 95

3.3.2. Dane statystyczne dotyczące jednostek administracyjnych 97

3.3.3. Rolnicze Bazy Danych 98

3.3.4. Dane dotyczące użytkowania gruntów 98

3.3.5. Sposób prowadzenia obliczeń 99

3.3.6. Areał niezbędny do zaspokojenia potrzeb żywnościowych 99

3.3.7. Potencjalne zasoby energetyczne nadwyżki gruntów rolnych 105

3.3.8. Ocena i sposób szacowania potencjału upraw biopaliw 106

3.4. Potencjał energetyczny biomasy w Europie 107

3.5. Potencjał energetyczny biomasy w Polsce  114

3.5.1. Model obliczeniowy dla Polski 114

3.5.2. Potencjał energetyczny zasobów biomasy w Polsce 116

Bibliografia 119

4. Charakterystyka biopaliw 125

4.1.    Wprowadzenie 126

4.2.    Drewno 127

4.2.1.    Ilość drewna w Polsce  127

4.2.2.    Nowoczesne technologie pozyskiwania drewna w lasach w Polsce 129

4.2.3.   Rodzaje drewna energetycznego           133

4.2.4.    Zrębki 133

4.2.5.    Brykiety drzewne 135

4.2.6. Pelety drzewne 136

4.2.7. Inne pozostałe odpady drzewne, takie jak kora, trociny, wióry 136

4.2.8. Plantacje drewna energetycznego 138

4.3. Słoma 140

4.3.1. Nadwyżka słomy w Polsce 140

4.3.2. Charakterystyka słomy jako nośnika energii 141

4.3.3. Sposoby szacowania zasobów słomy 141

4.3.4. Zasoby słomy w Polsce 145

4.3.5. Rodzaje biopaliwa stałego ze słomy 149

4.4. Plantacje energetyczne 155

4.4.1. Powody zakładania plantacji energetycznych 155

4.4.2. Charakterystyka roślin plantacji energetycznych 155

4.4.3. Przyszłościowe rośliny plantacji energetycznych w Polsce 167

4.4.4. Konopie przemysłowe rośliną energetyczną 170

4.4.5. Wpływ plantacji energetycznych na środowisko w Polsce176

4.4.6. Plantacje energetyczne w warunkach polskich 179

4.4.7. Rachunek energetyczny biopaliw z plantacji energetycznych 182

4.5. Niekonwencjonalne rodzaje lub sposoby zagospodarowania biomasy jako biopaliwa 186

4.5.1. Wprowadzenie 186

4.5.2. Owies na tle innych roślin energetycznych 187

4.5.3. Charakterystyka energetyczna owsa 188

4.6. Odpady biomasy (komunalne - RDF, ściekowe, opony) 189

4.6.1. Nieprzetworzone i przetworzone formy biomasy 189

4.6.2. Palna frakcja odpadów komunalnych (RDF) 190

4.6.3. Zużyte opony 202

4.6.4. Odpady z oczyszczalni ścieków 203

Bibliografia 206

5. Metody konwersji biomasy-spalanie 221

5.1. Wprowadzenie 222

5.2. Metody konwersji biomasy 223

5.3. Spalanie biomasy  224

5.3.1. Kotły na biomasę pochodzenia drzewnego małej mocy 225

5.3.2. Wykorzystanie drewna do produkcji ciepła w Polsce 226

5.3.3. Budowa i zasada działania kotłowni opalanej drewnem 229

5.3.4. Elektrociepłownie na biomasę 230

5.3.5. Spalanie słomy 232

5.3.6. Spalanie owsa     235

5.4. Współspalanie biomasy 237

5.4.1. Przegląd metod spalania i współspalania biomasy 237

5.4.2. Stan wiedzy na temat współspalania biomasy 238

5.4.3. Przykłady współspalania biomasy           239

5.4.4. Badania procesu współspalania   240

5.4.5. Wyniki badań współspalania w Ciepłowni Lębork" 241

5.4.6. Próby terenowe współspalania RDF 248

5.4.7. Ekonomiczna ocena współspalania biomasy  250

5.4.8. Ekologiczna ocena spalania i współspalania biomasy 252

5.5. Technologia ORC w konwersji biomasy 254

5.5.1. Wprowadzenie 254

5.5.2. Obieg ORC 255

5.5.3. Sprawność obiegu ORC 256

5.5.4. Warianty instalacji z obiegiem ORC 256

5.5.5. Kogeneracyjna elektrociepłownia ORC na biomasę 258

5.6. Małe elektrociepłownie - kogeneracja rozproszona 259

5.6.1. Zalety i wady małych jednostek kogeneracyjnych 259

5.6.2. Mikroturbiny gazowe 260

5.6.3. Turbina gazowa o odwróconym obiegu 261

5.6.4. Obieg Kaliny 262

5.6.5. Wykorzystanie silnika Stirlinga do konwersji energii z biomasy 264

5.6.6. Wykorzystanie ogniw paliwowych do konwersji energii z biomasy 267

5.7. Podsumowanie 276

Bibliografia  277

6. Termiczne metody konwersji biomasy - karbonizacja, zgazowanie i hydrotermiczny reforming 285

6.1. Wprowadzenie 286

6.2. Metody termicznej konwersji biomasy 286

6.3. Mechanizmy suchego termicznego rozkładu biomasy 288

6.4. Biokarbonizacja biomasy 290

6.4.1. Biokarbonat 290

6.4.2. Biokarbonizery 291

6.4.3. Produkcja biokarbonatu w Polsce 291

6.5. Zgazowanie biomasy 292

6.5.1. Warunki zgazowania biomasy 292

6.5.2. Sposoby zgazowania biomasy 293

6.5.3. Typy urządzeń do zgazowania biomasy 294

6.5.4. Typy urządzeń do zgazowania biokarbonatu 296

6.5.5. Doświadczenia zagraniczne ze zgazowania biomasy 297

6.5.6. Polskie doświadczenia ze zgazowaniem biomasy 299

6.6. Zgazowanie biomasy przez hydrotermiczny reforming 302

6.6.1. Stany fizyczne wody 302

6.6.2. Właściwości wody w stanie nadkrytycznym {SCW)           304

6.6.3. Stan nadkrytyczny (SCW) wody jako czynnik zgazowania biomasy           305

6.6.4. Utleniające właściwości wody w stanie nadkrytycznym 305

6.6.5. Przykłady wykorzystania wody w stanie nadkrytycznym do zgazowania biomasy 306

6.6.6. Reaktory SCWG do zgazowania biomasy308

6.6.7. Zgazowanie biomasy wysokotemperaturową parą wodną (HiTS) 308

6.6.8. Przyszłość technologii SCWG 309

Bibliografia 310

7. Termiczne metody konwersji biomasy-piroliza       315

7.1. Wprowadzenie- rys historyczny pirolizy 316

7.2. Mechanizmy pirolizy biomasy 317

7.3. Kinetyka pirolizy biomasy 318

7.3.1. Wprowadzenie 319

7.3.2. Mechanizmy kinetyki pirolizy 321

7.4. Badania eksperymentalne pirolizy biomasy323

7.5. Zagadnienia techniczne pirolizy biomasy 325

7.6. Typy reaktorów pirolitycznych 329

7.6.1. Ogólna charakterystyka pirolizerów 329

7.6.2. Pirolizer młynowy i rurowy 330

7.6.3. Pirolizer fluidalny i bębnowy 331

7.6.4. Pirolizer stożkowy obrotowy, cyklonowy i PyRos 332

7.7. Przykłady instalacji p i roi Stycznych          333

7.7.1. Przegląd najnowszych technologii pirolizy biomasy 333

7.7.2. Instalacja szybkiej pirolizy BTG 333

7.7.3. Technologia Pyrocycling™  335

7.7.4. Instalacja do konwersji biomasy ENTECH 337

7.7.5. Technologia WGT 337

7.7.6. Technologia Ragaillera 337

7.7.7. Technologia HD-PAWA-THERM 338

7.7.8. Instalacja recyklingu RDF 338

7.7.9. Instalacja quasi-ciągłego recyklingu opon 339

7.7.10. Technologia ciągłej pirolizy całych opon            341

7.8. Podsumowanie 343

Bibliografia 343

8. Katalityczna konwersja biomasy 347

Wprowadzenie 348

Biodegradacja termiczno-katalityczna z uwodornieniem 348

8.2.1. Katalityczny mechanizm rozkładu i upłynniania biomasy 348

8.2.2. Uwodornienie ciekłych produktów pirolizy biomasy          349

8.3. Katalityczne upłynnianie biomasy do paliw metodą GtL 351

8.3.1. Katalityczne upłynnianie syngazu z biomasy do GtL 351

8.3.2. Mechanizmy reakcji Fischera-Tropscha produkcji biopaliw GtL 352

8.3.3. Technologia i reaktory Sasol do syntezy paliw GtL           354

8.3.4. Technologia SMDS 358

8.3.5. Technologia ExxonMobile produkcji GtL 359

8.4. Katalityczne upłynnianie biomasy do paliw BtL 359

8.4.1. Technologia Carbo-V® firmy CHOREN 360

8.4.2. Technologia firmy Alphakat 363

8.4.3. Polskie próby katalitycznego rozkładu biomasy 366

8.5. Biopaliwo nowej generacji – DME 367

8.5.1. Technologie produkcji metanolu i DMĘ z biomasy 367

8.5.2. Dwuetapowa technologia produkcji DME 368

8.5.3. Jednoetapowa synteza DMĘ bezpośrednio z syngazu 370

8.6. Grassolina 371

8.6.1. Właściwości celulozy 371

8.6.2. Średnio- i niskotemperaturowe metody rozkładu celulozy 372

8.6.3. Rozkład celulozy cieczami jonowymi 373

8.6.4. Technologia AFEX rozkładu celulozy 374

8.6.5. Perspektywy produkcji grassoliny           376

8.7. Podsumowanie 376

Bibliografia 376

9. Biopaliwa płynne-biodiesel 381

9.1. Wprowadzenie 382

9.2. Rodzaje biopaliw płynnych 383

9.2.1. Klasyfikacja biopaliw płynnych 383

9.2.2. Biopaliwa l, II, III i IV generacji 385

9.3. Pochodzenie biodiesla 386

9.4. Surowce do produkcji biodiesla 388

9.4.1. Wprowadzenie 388

9.4.2. Olej rzepakowy 389

9.4.3. Alkohole391

9.4.4. Katalizatory stosowane przy produkcji biodiesla 391

9.5. Rodzaje estryfikacji kwasów tłuszczowych  394

9.6. Przemysłowe metody prowadzenia procesu transestryfikacji           395

9.6.1. Wiadomości ogólne 395

9.6.2. Metoda produkcji biodiesla stosowana przez firmę Henkel 396

9.6.3. Proces produkcji biodiesla opracowany przez firmę Lurgi 397

9.6.4. Wielostopniowa technologia Connemanna           398

9.6.5. Technologia estryfikacji oleju sojowego 398

9.6.6. Technologia estryfikacji zużytych tłuszczów LUT 400

9.6.7. Technologia opracowana w ICHP 400

9.6.8. Metoda Cve n g rosa-Poważa nęcą 401

9.6.9. Proces Vogel&Noot 403

9.6.10. Inne wybrane technologie produkcji FAME 403

9.7. Gliceryna jako produkt uboczny produkcji biodiesla           404

9.7.1. Metody zagospodarowania gliceryny 404

9.7.2. Próba rozwiązania problemu gliceryny dzięki Gliperolowi  406

9.8. Koszty produkcji FAME 407

9.9. Biodiesel – eksploatacja 409

9.9.1. Normy do badań biodiesla          409

9.9.2. Badania eksploatacyjne biodiesla w autobusach miejskich           411

9.9.3. Badania eksploatacyjne biodiesla w generatorze prądotwórczym 412

9.9.4. Badania przydatności biodiesla w silnikach okrętowych 416

9.10. Polskie doświadczenia w produkcji biodiesla 419

9.10.1. Elstar Oils S.A. Elbląg, zakład w Malborku 419

9.10.2. Czechowice-Dziedzice w ramach Grupy LOTOS S.A. 421

9.10.3. Rafineria Trzebinia w ramach Grupy PKNORLEN422

9.11. Produkcja biopaliw na potrzeby własne 423

9.11.1. Warunki produkcji biopaliw na potrzeby własne 423

9.11.2. Analiza energetyczna produkcji biopaliwa RME 425

9.11.3. Analiza ekonomiczna produkcji biopaliwa RME 425

9.12. Dokumenty europejskie i ustawodawstwo krajowe dotyczące biopaliw i biokomponentów 427

9.12.1. Regulacje prawne o charakterze ramowym 428

9.12.2. Regulacje prawne o charakterze szczegółowym  428

9.12.3. Regulacje prawne dotyczące indywidualnej produkcji biopaliw 429

9.12.4. Wpływ ustawodawstwa na rynek biopaliw w Polsce 431

9.13. Szansę rozwoju biopaliw 433

9.14. Podsumowanie 434

Bibliografia 435

10. Biopaliwa płynne - bioetanol         441

10.1. Wprowadzenie 442

10.2. Charakterystyka bioetanol u 442

10.3. Surowce do produkcji bioetanolu 445

10.4. Mechanizm fermentacji alkoholowej 447

10.5. Metody produkcji bioetanolu 448

10.5.1. Trzy etapy produkcji etanolu 448

10.5.2. Technologia logen 451

10.5.3. Technologia ICM 452

10.5.4. Technologia z użyciem wody w stanie nad krytycznym 453

10.6. Biorafmerie perspektywą rozwoju produkcji bioetanolu 455

10.7. Światowa produkcja bioetanolu 456

10.8. Niemieckie działania w zakresie promocji biopaliwi biokomponentów 458

10.9. Badania bioetanolu jako paliwa do silników spalinowych 459

Bibliografia 461

11. Biogaz 465

11.1. Wprowadzenie 466

11.2. Mechanizm powstawania biogazu467

11.3. Technologie wytwarzania i zagospodarowania biogazu 471

11.4. Biogaz z oczyszczalni ścieków 473

11.5. Biogaz z wysypisk śmieci477

11.5.1. Charakterystyka gazu wysypiskowego 477

11.5.2. Technologie pozyskiwania biogazu z odpadów 481

11.5.3. Wybrane europejskie przykłady pozyskiwania biogazu z odpadów         484

11.5.4. Eksploatacja gazu wysypiskowego w Polsce 485

11.6. Pozyskiwanie biogazu w gospodarstwach rolnych 486

11.6.1. Rolnicze źródła biogazu486

11.6.2. Technologie pozyskiwania biogazu w rolnictwie 487

11.6.3. Pozyskiwanie biogazu na polskiej wsi 490

11.6.4. Korzyści i potencjał energetyczny biogazu 495

11.6.5. Koncepcja wiejskiej spółdzielczej elektrociepłowni opalanej biogazem 497

11.7. Biogaz w świetle prawa 498

11.7.1. Biogaz rolniczy w Prawie energetycznym            498

11.7.2. Świadectwa pochodzenia biogazu 499

11.7.3. Kolorowe certyfikaty 499

11.8. Konwersja biogazu 501

11.8.1. Wprowadzenie 501

11.8.2. Metody wzbogacania i oczyszczania biogazu 502

11.8.3. Konwersja biogazu w cieplną energię użytkową 505

11.8.4. Konwersja biogazu w energię elektryczną 506

11.8.5. Koncepcje zagospodarowania ciepła odpadowego z konwersji biogazu 507

11.8.6. Konwersja biogazu w energię mechaniczną 509

11.9. Zalety i wady produkcji energii z biogazu 509

11.10. Biogaz a bezpieczeństwo energetyczne Polski 510

Bibliografia 512