Z dr. inż. Krzysztofem Biernatem, Profesorem PIMOT, Liderem Obszaru w Grupie Badawczej Paliw i Biogospodarki w Sieć Badawcza Łukasiewicz – Przemysłowym Instytucie Motoryzacji rozmawia Zygmunt Jazukiewicz
– Komisja Europejska zgodziła się 24 marca, pod naciskiem Niemiec, by na terenie UE można było rejestrować po 2035 r. samochody spalinowe zasilane paliwem „neutralnym dla klimatu”. Czy chodzi o paliwa syntetyczne i czy są one „neutralne dla klimatu”?
– Pomijając wczesne rozwiązania technologiczne wykorzystywane do wytwarzania frakcji węglowodorowych przede wszystkim z węgla, a także ciężkich, niedestylowalnych ówczesnymi metodami ciężkich pozostałości ropnych metodą Bergiusa oraz procesów zgazowania węgla i przeróbkę powstałego gazu syntezowego na frakcje węglowodorowe syntezą Fischera – Tropscha (FT), prace nad otrzymywaniem tak zwanych „węglowodorów syntetycznych” trwają intensywnie mniej więcej od ponad 12 lat. Prace te prowadzą miedzy innymi do umożliwienia wykorzystywania substancji odpadowych, głównie pochodzenia biologicznego, a ostatnio odpadowych tworzyw sztucznych, jako surowca do procesu zgazowania, a następnie przeprowadzeniu syntezy FT i rozdestylowania na frakcje węglowodorowe. Gaz syntezowy otrzymywany ze zgazowania odpadów drzewnych może także być poddawany fermentacji w celu otrzymania między innymi węglowodorów od etanu do pentanu, a także etanolu jako potencjalnego biopaliwa oraz innych pochodnych węglowodorowych stanowiących cenne surowce do syntez chemicznych.
– Czy w Polsce w ogóle podejmuje się ten temat w badaniach?
– Możliwe jest otrzymywanie frakcji węglowodorowych nową, polską metodą opatentowaną w wielu krajach, a polegającą na prowadzonym pod ciśnieniem atmosferycznym procesie termolizy niesegregowanych odpadów tworzyw sztucznych, to jest PE, PP, nawet z domieszkami PS. Te frakcje węglowodorowe stanowiące odpowiednio zestawione kompozycje węglowodorowe określane są mianem „drop-in-alternative fuels”. Jeżeli kompozycje węglowodorowe zestawiono przy wykorzystaniu jako surowca podstawowego biomasy i innych odpadów biodegradowalnych pochodzenia biologicznego, to te kompozycje określane są jako „drop-in-biofuels”. Wspólną cechą obu rodzajów kompozycji jest możliwość stosowania bezpośredniego jako paliwa silnikowego, o ile spełnione są wymagania jakościowe odpowiednich norm przedmiotowych, to jest dla benzyn silnikowych normy PN-EN 228, a dla oleju napędowego normy PN-EN 590. Paliwa typu „drop-in” mogą być także dodawane w dowolnym stężeniu do odpowiednich paliw konwencjonalnych, pod warunkiem spełnienia wymagań jakościowych powyższych norm dla benzyn i olejów napędowych. Niektóre kraje UE, wykorzystując nieprecyzyjne sformułowania Dyrektywy UE w sprawie biopaliw, uznają, że odpady przemysłowe typu tworzywa sztuczne oraz zużyte opony są surowcem „nie biologicznego pochodzenia” niewyczerpywalnym z istoty ich pochodzenia i mogą być zaliczane do wytwarzania paliw alternatywnych spełniających wymagania środowiskowe Dyrektywy biopaliwowej UE.
– Dotąd najwięcej uwagi poświęcano biopaliwom, które jednak weszły w kolizję z zasadą niewykorzystywania roślin spożywczych do celów przemysłowych.
– Istnieje także wiele opracowanych technologii wytwarzania biopaliw w oparciu o surowce niespożywczego przeznaczenia. Te technologie są jednak wdrażane niszowo, głównie w instalacjach typu demonstracyjnego. Lista tych technologii i praktycznych możliwości ich rozwoju jest bardzo długa, a mimo wszystko aktualnie wykorzystywane są praktycznie jedynie bardzo proste biokomponenty typu estry metylowe kwasów tłuszczowych FAME, dodawane do oleju napędowego oraz alkohol etylowy z surowców pochodzenia rolniczego dodawany do benzyn silnikowych. Te biokomponenty jednak nie spełniają w całości wymagań eksploatacyjnych silników spalinowych oraz nie cechują się zakładanym niskim poziomem oddziaływań środowiskowych potocznie zwanych, błędnie, oddziaływaniami ekologicznymi, ze względu na tak zwane wyniki analizy cyklu życia i to zarówno w zakresie ogólnym typu LCA („life cycle assessment”), jak i też WtW („well to whell”), co oznacza w wolnym przekładzie „od emisyjności w procesie od pozyskiwania surowca, jego przetworzenia i zużycia jako nośnika energii w silniku samochodu”, czyli „od źródła do koła”. Istotnym także wskaźnikiem ograniczającym rozwój nowych technologii pozyskiwania alternatywnych źródeł napędu jest wskaźnik EROEI („energy returned on energy invested”), oznaczający stosunek energii włożonej we wszystkie procesy związane z otrzymaniem danego paliwa (pozyskanie surowców, transport, technologia przetwarzania, dystrybucja i magazynowanie, itp.) do energii uzyskanej z wykorzystania tego paliwa bezpośrednio w danym urządzeniu. Oczywiście ten stosunek powinien być znacznie większy od jedności. Aktualnie w Polsce istnieje jedna firma, która opracowała i produkuje kompozycje węglowodorowe przeznaczone do zasilania silników benzynowych, w procesie EtG („ethanol to gasoline”) wykorzystując między innymi alkohol otrzymywany z przeterminowanego pieczywa do produkcji frakcji benzynowych, przy okazji otrzymując tak zwany biopropan i biobutan. Prace nad nowymi rodzajami alternatywnych nośników energii do zasilania pojazdów trwają nadal, przy czym praktycznie nie ma już nowych publikacji dotyczących tak zwanego biodiesla, tj. oleju napędowego zawierającego estry kwasów tłuszczowych (FAME), czy też benzyn z dodatkiem alkoholu etylowego. Owszem, w zakresie wykorzystywania zużytych olejów roślinnych wykorzystywana jest technologia tak zwanego współuwodorniania (HVO), ale tego typu procesy mogą prowadzić praktycznie tylko zakłady rafineryjne, posiadające odpowiednią infrastrukturę technologiczną. Przewidywano także rozwój systemów biorafineryjnych, które poza wykorzystywaniem odpadowych surowców biologicznego pochodzenia do wytwarzania biopaliw, wytwarzałyby także produkty do tak zwanej „wartości dodanej”, to jest specjalizowane i potrzebne grupy związków chemicznych do dalszego wykorzystywania w procesach syntezy. W świecie już jest kilkadziesiąt instalacji typu demonstracyjnego, pilotażowego, a nawet produkcyjnego o różnym stopniu zaawansowania technologicznego.
– Czy któraś z nich rokuje większe nadzieje?
– Ciekawym procesem, możliwym do wykorzystania w systemach biorafineryjnych jest technologia HTU, polegająca na przetworzeniu mokrej, odpadowej biomasy na substytut ropy naftowej („biosurówki”), która dalej może być przetwarzana na kompozycje węglowodorowe w konwencjonalnych systemach rafineryjnych. Jednak proces ten prowadzony jest pod wysokim ciśnieniem i temperaturą, co wymaga sporych nakładów energetycznych. W Polsce mieliśmy szansę na wdrożenie, jako pierwsi w Europie, początkowo na skalę pilotażową technologii wytwarzania dimetyloeteru (DME) jako jednoskładnikowego paliwa alternatywnego do silników o zapłonie samoczynnym. Powstał projekt, przy współpracy z Grupą Lotos, wykorzystania potencjału technologicznego i kadrowego jednej z upadających rafinerii południowych do wdrożenia tej technologii. Jednak mimo bardzo pozytywnych opinii eksperckich, ówczesne władze Ministerstwa Nauki uznały, że jednak bardziej korzystna dla rozwoju polskiego potencjału innowacyjnego, będzie allokacja niezbędnych środków finansowych na budowę jednego z kampusów akademickich. O ile wiem, aktualnie paliwo DME jest wytwarzane w Chinach.
Wchodzę może zbytnio w szczegóły, ale chciałem przedstawić złożony kontekst rozwoju koncepcji, technologii wytwarzania i wdrażania do eksploatacji biopaliw i innych paliw alternatywnych.
– Czy rzeczywiście możemy liczyć na paliwa „neutralne klimatycznie”?
– Jak już wspomniałem, współczesne technologie ich wytwarzania nie spełniają coraz wyższych wymagań środowiskowych, szczególnie w zakresie emisji ditlenku węgla, oraz wskaźnika EROEI w całym, tak zwanym cyklu życia LCA, a także cyklu silnikowego WtW. Stąd też powstała nowa koncepcja wykorzystywania odpadowego ditlenku węgla oraz wodoru, powstałego z elektrolizy wody za pomocą prądu elektrycznego pochodzącego z instalacji OZE typu fotowoltaika, siłownie wiatrowe, wodne itp. Jednym z pierwszych opracowań w tym zakresie był opublikowany w czasopiśmie Science artykuł podsumowujący badania prowadzone przez CalTech w USA w 2010 r. Badania te doprowadziły do otrzymania gazu syntezowego z odpadowego ditlenku węgla i pary wodnej, w reaktorze zasilanym energią słoneczną, w obecności katalizatora z ditlenku ceru. Jak już wspomniałem, to gaz syntezowy jest dobrym surowcem do otrzymywania przy użyciu znanych i sprawdzonych technologii różnych frakcji węglowodorowych, mogących stanowić paliwa silnikowe. Wprowadzono zatem definicję tych paliw, określanych jako e-paliwa (elektropaliwa, electrofuels). Te paliwa mają zamykać obieg ditlenku węgla nie zwiększając jego obecności w atmosferze, ponieważ gaz ten zostanie wykorzystany do produkcji e-paliw, a po ich spaleniu w silnikach w tej samej ilości powrócić może do atmosfery. Jednak idea dopuszczenia tylko e-paliw do eksploatacji w silnikach spalinowych po 2035 r. jest według mojej opinii bardzo trudna do wprowadzenia, ze względu na nierozróżnialność chemiczną węglowodorów wchodzących w skład tych paliw od węglowodorów otrzymanych ze źródeł konwencjonalnych. A zatem konieczna byłaby zmiana systemu dystrybucji paliw, który musiałby obejmować tylko e-paliwa. Wprowadzenie takiego systemu w Europie wydaje się bardzo trudne i to zarówno z powodów technologicznych, ekonomicznych, jak również politycznych. Do tych ostatnich powodów można także zaliczyć ewentualną możliwość uzależnienia się niektórych krajów od dostaw paliw z krajów posiadających technologię wytwarzania tych paliw, co może prowadzić do nowych podziałów, form nacisku i innych negatywnych zjawisk godzących w jedność wspólnoty krajów UE.
– Dziękuję za rozmowę.
