HCOIE osnove BIOMASE, BIOPLINA, ALKOHOLNA GORIVA, BIODIZELA

HRVATSKI CENTAR OBNOVLJIVIH IZVORA ENERGIJE



BIOMASA

Biomasa (eng. biomass, njem. Biomasse) je u raznim izvornicima različito određena, ali se kao osnovna može navesti odrednica prema Uredbi o graničnim vrijednostima emisije onečišćujućih tvari u zrak iz stacionarnih izvora (NN 140/97): ‘Biomasa je gorivo koje se dobiva od biljaka ili dijelova biljaka kao što su drvo, slama, stabljike žitarica, ljušture itd.'

Biomasa je obnovljivi izvor energije, a općenito se može podijeliti na drvnu, nedrvnu i životinjski otpad, unutar čega se mogu razlikovati:
■drvna biomasa (ostaci iz šumarstva, otpadno drvo)
■drvna uzgojena biomasa (brzorastuće drveće)
■nedrvna uzgojena biomasa (brzorastuće alge i trave)
■ostaci i otpaci iz poljoprivrede
■životinjski otpad i ostaci.

Danas se primjena biomase za proizvodnju energije potiče uvažavajući načelo održivog razvoja. Najčešće se koristi drvna masa koja je nastala kao sporedni proizvod ili otpad te ostaci koji se ne mogu više iskoristiti. Takva se biomasa koristi kao gorivo u postrojenjima za proizvodnju električne i toplinske energije ili se prerađuje u plinovita i tekuća goriva za primjenu u vozilima i kućanstvima. Postoje razne procjene potencijala i uloge biomase u globalnoj energetskoj politici u budućnosti, no u svim se scenarijima predviđa njezin značajan porast i bitno važnija uloga (tablica 6.1, il. 1). Za usporedbu može poslužiti podatak kako je 1990. godine potrošnja energije u svijetu iznosila 376,8 EJ, a 2050. godine se prema raznim scenarijima očekuje potrošnja od 586 do 837 EJ.

DRVNA MASA
Osnovne su značajke pri primjeni šumske ili drvne biomase kao energenta jednake kao kod svakog goriva:
■kemijski sastav
■ogrjevna vrijednost (ogrjevnost)
■temperatura samozapaljenja
■temperatura izgaranja
■fizikalna svojstva koja utječu na ogrjevnost (npr. gustoća, mokrina i dr).

Temeljna veličina za proračun energije iz određene količine drva jest njegova ogrjevnost (ogrjevna vrijednost). Najveći utjecaj na nju ima mokrina (vlažnost, udio vlage), potom kemijski sastav, gustoća i zdravost drva. Za naše podneblje i vrste drveća važno je za njegovu ogrjevnost utvrditi ubraja li se ono u listače ili četinjače, odnosno u meko ili tvrdo drvo, jer je udio pojedinih sastojaka pri tome različit, a različita je i tvar koja se može koristiti kao gorivo.

Jedan od problema koji se pojavljuje pri određivanju toplinske energije dobivene iz šumske biomase predstavlja pretvorba prostornih u kubične metre.

NEDRVNA MASA

Na ogrjevne vrijednosti nedrvne biomase podjednako utječu udio vlage i pepela. Udio pepela u nedrvenim biljnim ostacima može iznositi i do 20% pa značajno utječe na ogrjevnost. Općenito, supstance koje čine pepeo nemaju nikakvu energetsku vrijednost.Osim ostale nedrvne biomase, u Hrvatskoj bi osobitu važnost mogli imati ostaci žitarica. Iskustva iz razvijenih zemalja, u Europi osobito Danske, pokazuju kako se radi o vrijednom izvoru energije koji se ne bi trebao zanemariti. Ilustrativan je stoga sljedeći primjer. Nakon berbe kukuruza na obrađenom zemljištu ostaje kukuruzovina, stablijika s lišćem, oklasak i komušina. Budući da je prosječni odnos zrna i mase (tzv. žetveni omjer) 53% : 47%, proizlazi kako biomase približno ima koliko i zrna. Ako se razluče kukuruzovina i oklasak, tada je njihov odnos prosječno 82% : 18%, odnosno na proizvedenu 1 t zrna kukuruza dobiva se i 0,89 t biomase kukuruza što čine 0,71 t kukuruzovine i 0,18 t oklaska. Iako je neosporno kako se nastala biomasa mora prvenstveno vraćati u zemlju, preporučuje se zaoravanje između 30 i 50% te mase, što znači da za energetsku primjenu ostaje najmanje 30%.

BIOPLIN

Bioplin (eng. biogas, njem. Biogas) nastaje procesom anaerobnog truljenja biomase i najčešće se sastoji od oko 60% metana, 35% CO 2 te 5% smjese vodika, dušika, amonijaka, sumporovodika, CO, kisika i vodene pare. Dobiveni se bioplin najčešće koristi za dobivanje toplinske i/ili električne energije izgaranjem u kotlovima, plinskim motorima ili turbinama.

Njegova su svojstva kao goriva u uskoj vezi s udjelom metana. Ogrjevna je vrijednost izravno proporcionalna količini metana, a zbog ugljičnog dioksida manja je količina zraka potrebnog za izgaranje. Ogrjevna vrijednost bioplina kreće se od 25 do 26 MJ/m 3 normnom.

ALKOHOLNA GORIVA

Etanol se može proizvoditi od tri osnovne vrste biomase:
■šećera (od šećerne trske, melase)
■škroba (od kukuruza)
■celuloze (od drva, poljoprivrednih ostataka).

Sirovine bogate šećerima vrlo su pogodne za proizvodnju etanola, budući da već sadržavaju jednostavne šećere glukozu i fruktozu koji mogu fermentirati izravno u etanol. Sirovine bogate škrobom sadržavaju velike molekule ugljikovodika koje treba razložiti na jednostavne šećere procesom saharifikacije. To zahtijeva još jednu fazu u procesu proizvodnje što povećava troškove. Ugljikovodici u sirovinama bogatim celulozom sastavljeni su od još većih molekula i trebaju se konvertirati u šećere koji mogu fermentirati kiselom ili enzimatskom hidrolizom. Najznačajnije biljne vrste koje se uzgajaju za proizvodnju etanola su šećerna trska, slatki sirak, cassava i kukuruz.

Osnovne faze u procesu proizvodnje etanola su:
■priprema sirovine
■fermentacija
■destilacija etanola.

Priprema sirovine je zapravo hidroliza molekula škroba enzimima u šećer koji može fermentirati. Uobičajena tehnologija za proizvodnju etanola je fermentacija u peći s običnim kvascem za proizvodnju 8 do 10%-tnog alkohola nakon 24 do 72 h fermentacije. Nakon toga slijedi destilacija tog alkohola u nekoliko faza čime se dobiva 95%-tni etanol. Za proizvodnju posve čistog etanola, kakav se koristi za miješanje s benzinom, dodaje se benzen i nastavlja destilacija te se dobiva 99,8%-tni etanol.

Vodeća zemlja u proizvodnji i primjeni etanola za vozila je Brazil, u kojem se svake godine proizvede više od 15 milijardi l. Oko 15% brazilskih vozila se kreće na čisti etanol, dok preostala koriste 20%-tnu smjesu s benzinom. Etanol se počeo proizvoditi kako bi se smanjila brazilska ovisnost o inozemnoj nafti i otvorilo dodatno tržište domaćim proizvođačima šećera. U SAD-u etanolske smejse čine oko 9% ukupne godišnje prodaje benzina i pretpostavlja se kako su američka vozila od 1979. godine do danas prešla približno 3 trilijuna km koristeći etanolske smjese.

Za proizvodnju metanola mogu se koristiti sirovine s visokim udjelom celuloze kao što je drvo i neki ostaci iz poljoprivrede. Tehnologija je posve različita od one za proizvodnju etanola. Proizvodnja se odvija u dvije faze. U prvoj se sirovina konvertira u plinoviti međuproizvod iz kojeg se sintetizira metanol. Faza sinteze metanola je dobro poznata i komercijalno dokazana, dok je faza rasplinjavanja još u razvoju. Takva istraživanja se provode u zemljama s velikim drvnim potencijalom kao što su Švedska i Brazil, a primjena takvih postrojenja se očekuje uskoro.

Po mnogim su svojstvima etanol i metanol vrlo slični benzinu. Etanol se može koristiti u motorima s unutarnjim izgaranjem uz dodavanje benzinu ili kao njegova potpuna zamjena. Za dodavanje do 20% etanola u benzin nisu potrebne nikakve preinake ni zahvati na motoru, dok za dodavanje većeg udjela ili za pogon samo na etanol treba djelomično modificirati motor što poskupljuje cijenu takvih vozila za oko 5 do 10%. Slično kao etanol, metanol se može koristiti kao dodatak benzinu ili kao posebno gorivo. Zbog ponešto drukčijeg načina izgaranja nego benzin mogu se pojaviti određene poteškoće koje se rješavaju dodavanjem određenih dodataka.

BIODIZEL

Metilni ester repičinog ulja , poznatiji pod trgovačkim nazivom biodizel, dobiva se od ulja uljane repice ili recikliranog otpadnog jestivog ulja. Kemijski se opisuje kao monoalkoholni ester. Kroz proces esterifikacije, biljno ulje reagira s metanolom i natrijevim hidroksidom kao katalizatorom te nastaje ester masnih kiselina zajedno s ostalim nusproduktima: glicerolom, gliceridskim talogom i sapunom. Biodizel pripada skupini derivata srednje dugih, C 16 - C 18 lančanih masnih kiselina. Te molekule pokazuju strukturnu sličnost s molekulama mineralnog dizelskog goriva.

Biodizel je gorivo za motorna vozila koje se dobiva od repičinog ulja ili drugih biljnih ulja esterifikacijom s metanolom. Pri tome nastaje gorivo koje ima svojstva jednaka onima klasičnog dizela iz mineralnog ulja. Može se koristiti u potpunosti kao zamjena za mineralni dizel ili kao smjesa s njim u različitim omjerima. Visoka mazivost biodizela u usporedbi s mineralnim uzrokuje manje trošenje klipova, brtvenih prstenova, stijenki cilindara i preciznih dijelova crpke za ubrizgavanje. Pri primjeni ponajviše treba na umu imati sljedeća osnovna svojstva:
■biodizel se može primijeniti gotovo u svakom dizelskom motoru, pri čemu za sam pogon vozilo ne zahtijeva nikakve izmjene
■cijevi za gorivo i za povrat goriva iz crpke te brtve koje dolaze u dodir s gorivom treba zamijeniti materijalima prikladnima za biodizel kao što je fluor-kaučuk (trgovački naziv Viton), poznat i kao FPM-ECO-ECO, jer agensi u biodizelu, pogotovo pri povišenoj temperaturi, u roku od 6 do 10 mjeseci mogu uzrokovati propuštanje cijevi
■biodizel je agresivan prema laku za karoserije pa pri ulijevanju goriva treba odmah obrisati poškropljene površine
■ako se prethodno koristilo samo konvencionalno dizelsko gorivo, nakon prvih 1 do 2 punjenja spremnika biodizelom treba zamijeniti filtar za gorivo, zbog toga što biodizel može otopiti nečistoće zadržane u njemu
■u pojedinim slučajevima može doći do razrjeđivanja motornog ulja i to kada je motor dulje vrijeme bio vožen samo s malim opterećenjem jer kao i kod konvencionalnog dizela, dolazi do prodora neizgorenog goriva u motorno ulje te slijedi razrjeđivanje, a tada treba skratiti rokove za izmjenu ulja koje proizvođač inače preporučuje
■moguće je smanjenje snage motora za 3 do 5%, što povlači i proporcionalni porast potrošnje goriva
■biodizel je bez aditiva zimi prikladan za primjenu na temperaturama ne nižima od -8 °C.

HRVATSKI CENTAR OBNOVLJIVIH IZVORA ENERGIJE ( HCOIE )