Biopaliwa: definicje i wymagania obowiązujące w Unii Europejskiej

 

Paliwa, stanowiące źródła zasilania wszelkiego typu urządzeń, powinny być traktowane jako istotny element konstrukcyjny, uwzględniany w fazie projektowania, i eksploatacyjny układu urządzenie-paliwo. Ze względu na swoje funkcje w takim układzie paliwo nie może być prawidłowo definiowane bez podania jego przeznaczenia, dopuszczalnego zakresu właściwości i sposobu ich oznaczania.

 A zatem wszelkie substancje, które w efekcie procesów utleniania z wysokim efektem energetycznym mogą stanowić źródło energii, należy definiować jako materiały lub poprawniej substancje palne.

Substancje palne, w stosunku do których możliwe jest technicznie przeprowadzenie procesu spalania w sposób kontrolowany oraz istnieją przesłanki umożliwiające wykorzystanie uzyskanej energii z tego procesu, powinny być określane jako substancje (materiały) paliwowe. Kompozycja substancji paliwowych o określonych właściwościach i metodach ich oznaczania oraz o przewidywanym zakresie zastosowań może być już uznawana jako paliwo niestandardowe. Z kolei paliwo niestandardowe może stać się paliwem standardowym, czyli normatywnym, jeżeli na to paliwo zostanie ustanowiona norma przedmiotowa, zaakceptowana przez producentów silników lub urządzeń grzewczych, z jednoznacznym określeniem: zakresu (stosowania) normy, norm powołanych, sposobu pobierania próbek, oznakowania systemu dystrybucyjnego, ogólnych i szczegółowych wymagań oraz metod ich oznaczania oraz niezbędnych, dodatkowych danych dotyczących, np. specyficznych metod oznaczania niektórych wymagań, magazynowania, bezpieczeństwa bhp oraz ppoż. itp.

 

Paliwa do silników spalinowych i urządzeń grzewczych muszą spełniać określone wymagania, związane bezpośrednio lub pośrednio z zapewnieniem odpowiedniej sprawności, zużycia paliwa i ochrony środowiska oraz ogólnie racjonalności eksploatacji. Dotyczą one właściwego transportu wewnętrznego paliwa (wymagania układu zasilania), zapewnienia prawidłowego rozpylenia i odparowania paliwa oraz właściwego spalania paliwa. Muszą też spełniać wymogi związane z oddziaływaniem paliw i produktów ich spalania na środowisko, magazynowaniem, transportem i dystrybucją paliw oraz te dotyczące sposobów postępowania z paliwami niespełniającymi określonych norm przedmiotowych.

Rozwój i modyfikacje napędów współczesnych silników wymagają zatem odpowiednich paliw do tych napędów. Wymagania te określają konstruktorzy i producenci pojazdów, gwarantując jednocześnie trwałość i niezawodność silników zasilanych odpowiednimi dla niego paliwami.

W celu zapewnienia właściwej jakości paliw do silników o zapłonie iskrowym i samoczynnym, spełniających wymagania silników spalinowych i ochrony środowiska, czołowe światowe koncerny samochodowe powołały Komitet do Spraw Światowej Karty Paliw (World-Wide Fuel Charter – WWFC).

Czwarta edycja Światowej Karty Paliw obowiązuje od września 2006 r. Dzieli ona paliwa na cztery kategorie zarówno w grupie paliw do silników o zapłonie iskrowym, jak i samoczynnym.

W kategorii pierwszej zestawiono wymagania dla paliw stosowanych na rynkach bez żadnych albo z minimalnymi oczekiwaniami odnośnie kontroli emisji szkodliwych składników spalin, spełniających zarazem podstawowe wymogi silników i samochodów.

Kategoria druga obejmuje paliwa użytkowane na rynkach o ostrzejszych wymaganiach ogólnych i z zakresu ochrony środowiska. W tej kategorii znajdują się paliwa spełniające wymogi US Tier 0 lub 1, EURO 1 i 2 lub równoważne z zakresu norm emisyjności toksycznych składników spalin.

W kategorii trzeciej mieszczą się paliwa przeznaczone na rynki o zaostrzonych wymogach ogólnych i z zakresu ograniczania emisji toksycznych składników spalin, spełniające założenia US California LEV, ULEV, EURO 3 i 4 lub równoważne odnośnie emisyjności toksycznych składników spalin.

Ostatnia, czwarta, kategoria to paliwa o najbardziej zaostrzonych wymogach jakościowych, szczególnie dotyczących emisji, łącznie z zaawansowanymi sposobami redukcji tlenków azotu i cząstek stałych ze spalin. Paliwa te musza spełniać wymagania US California LEV-II, US EPA Tier 2, EURO 4 lub równoważne standardy, a także odpowiadać wytycznym z zakresu ograniczania zużycia paliwa.

W stosunku do paliw spełniających wymagania Światowej Karty Paliw określono założenia dla produktu gotowego. Jeżeli zatem paliwo odpowiada tym wymogom, to nie należy określać i wprowadzać dodatkowych wytycznych i metod kontroli pośredniej lub wewnętrznej.

Aktualne wymagania WWFC ograniczają wprowadzanie do benzyn związków tlenowych typu eterów lub etanolu i alkoholi wyższych, przy jednoczesnym zakazie używania metanolu. Dopuszczono maksymalną zawartość etanolu o wymaganiach zgodnych z ASTM D 4806 i pH w zakresie 6,5-9 na 10% (v/v), a alkoholi wyższych (od C₂) nie więcej niż 0,1% (v/v). Te ograniczenia tłumaczone są pogorszeniem właściwości jezdnych i mało skutecznym zmniejszaniem emisji tlenków azotu w silnikach zasilanych mieszankami ubogimi. Stwierdzono także, że w procesie spalania benzyn z dodatkiem 10% etanolu emisja toksycznych substancji obniżyła się o 2%, a emisja tlenku węgla o 10% w porównaniu z benzyną zawierającą 11% MTBE, ale emisja tlenków azotu wzrosła o 14%, węglowodorów o 10% oraz potencjał tworzenia ozonu o 9%. A zatem przy wprowadzaniu do benzyn alkoholi nie zaleca się wprowadzania dodatkowo eterów. Zakaz dozowania metanolu wynika z możliwości spowodowania korozji części metalowych i degradacji komponentów plastycznych i elastomerów.

W olejach napędowych kategorii od pierwszej do trzeciej WWFC ogranicza zawartość estrów pochodzenia roślinnego, głównie FAME (fatty acid methyl esters – estrów metylowych kwasów tłuszczowych) o wymaganiach jakościowych zgodnych z EN 14214, ASTM D 6751 lub normami równorzędnymi, do 5% (v/v), z powodu ich niekorzystnych właściwości niskotemperaturowych, higroskopijności, większej tendencji do tworzenia osadów i agresywnego oddziaływania na uszczelnienia i niektóre elementy układu paliwowego. Natomiast w olejach napędowych kategorii czwartej zawartość FAME została ograniczona do granicy wykrywalności metody oznaczania. W przypadku wprowadzania FAME zalecane jest odpowiednie oznakowanie pomp paliwowych.

Jak wynika z danych, producenci silników są przeciwni niekontrolowanemu wprowadzaniu biopaliw do współczesnych silników spalinowych. Szczególne zagrożenia dla warunków eksploatacji, zdaniem producentów, powodować mogą dotychczas promowane alkohole i estry.

 

Biopaliwa mają szansę stać się paliwami standardowymi, o ile spełnią wymagania silników i zostanie opracowana norma przedmiotowa wraz z normami dla metod badań.

Aktualnie pojęcie biopaliwa w Polsce sprowadza się jedynie do estrów metylowych wyższych kwasów tłuszczowych, pochodzących z rzepaku i ich mieszanek z olejem napędowym, niepoprawnie nazywanym biodieslem, oraz alkoholu etylowego, zwanego bioetanolem, wprowadzanego do benzyn silnikowych. Całkowicie błędnie uznaje się także, że biopaliwa nie emitują w procesie spalania ditlenku węgla (CO₂) do atmosfery. Oceniając zagrożenia dla środowiska, jakie mogą spowodować biopaliwa, należy uwzględniać emisyjność w całym procesie, poczynając od uprawy, produkcji nawozów i nawożenia, eksploatacji maszyn i urządzeń rolniczych, transportu, procesów przeróbki, a kończąc na procesie spalania w silniku.

 Taki ciąg procesów określany jest jako „well to wheel”, w skrócie WTW. Jednocześnie należy pamiętać, że węgiel jest podstawowym pierwiastkiem energetycznym występującym w związkach chemicznych zawartych w biopaliwach. Dlatego, uwzględniając emisję CO₂ w cyklu WTW i porównując z ilością ditlenku węgla pochłoniętego przez rośliny stanowiące surowiec do produkcji biopaliw w procesie fotosyntezy, aktualnie stosowane biopaliwa mogą wykazywać bilans niekorzystny.

 W przypadku produkcji bioetanolu trzeba także wziąć pod uwagę duże ilości CO₂ pochodzące z procesów fermentacji. Niezależnie od tego w cyklu WTW mogą być także wprowadzane do środowiska inne związki, np. azotu i siarki, a wytwarzanie biopaliw z roślin uprawnych do celów spożywczych może zmniejszyć ilość surowca przeznaczonego na te cele, a w konsekwencji doprowadzić do podwyższenia ceny żywności. Zagrożeniem dla środowiska może być także nadmierna eksploatacja zasobów leśnych, prowadząca nawet do całkowitej wycinki lasów i przeznaczania uzyskanych powierzchni na uprawy roślin energetycznych o zdecydowanie niższych zdolnościach asymilacji CO₂.

W Europie biopaliwa definiowane są jako ciekłe i gazowe paliwa do silników spalinowych, otrzymywane z biomasy. Istniało kilka wzajemnie uzupełniających się definicji biomasy. W związku z tym najnowsza obowiązująca została ujęta w Dyrektywie Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/WE z 23 kwietnia 2009 r. w sprawie promowania energii ze źródeł odnawialnych zmieniającej i w następstwie uchylającej dyrektywy 2001/77/WE oraz 2003/30/WE. Zgodnie z tą definicją „biomasa” oznacza ulegającą biodegradacji część produktów, odpadów lub pozostałości pochodzenia biologicznego z rolnictwa ( łącznie  z substancjami roślinnymi i zwierzęcymi), leśnictwa i związanych działów przemysłu, w tym rybołówstwa i akwakultury, a także ulegającą biodegradacji część odpadów przemysłowych i miejskich.. Wspomniana dyrektywa wprowadza niezależnie od pojęcia biopaliwa, rozumianego jako płynne nośniki energii dla środków transportu, także pojęcie „biopłyny”, czyli paliwa ciekłe dla zastosowań stacjonarnych.

Podstawowym podziałem biopaliw jest ich podział ze względu na stan skupienia. Zgodnie z aneksem nr 1 Komunikatu Komisji Europejskiej nr 34 z 2006 r. COM(2006)34 final, podzielono biopaliwa na ciekłe, gazowe oraz inne, wprowadzając po raz pierwszy w tym komunikacie pojęcia pierwszej i drugiej generacji biopaliw. Niezależnie od tego zdefiniowano pojęcie „syntetyczne biopaliwa”, określając je jako syntetyczne węglowodory lub ich mieszaniny otrzymywane z biomasy, np. SynGaz produkowany w procesach gazyfikacji biomasy leśnej lub SynDiesel.

 

 

 

 

Jak już wspomniano, w tym samym komunikacie określono założenia podziału biopaliw na biopaliwa kategorii pierwszej oraz drugiej. Podział ten wynikał z omówionych powyżej uwarunkowań, a przede wszystkim z oceny przydatności paliw we współczesnej technice silnikowej i dostępności surowców oraz ich wpływu na środowisku.

Formalny podział biopaliw na odpowiednie kategorie został opublikowany w raporcie „Biofuels in the European Vision, a Vision 2030 and Beyond”. Raport ten dzieli biopaliwa na te pierwszej generacji, tzw. konwencjonalne, oraz drugiej generacji.

 

Do biopaliw pierwszej generacji (konwencjonalnych) zaliczone zostały te, które są wytwarzane bezpośrednio lub pośrednio z surowców żywnościowych za pomocą procesów fermentacyjnych lub transestryfikacyjnych:

·        etanol jako odwodniony, konwencjonalny etanol gorzelniany, otrzymywany z procesów hydrolizy i fermentacji z takich surowców jak: zboża, buraki cukrowe itp.,

·         czyste oleje roślinne (PVO-pure vegetable oils), otrzymywane z procesów tłoczenia na zimno i ekstrakcji ziaren spożywczych roślin oleistych,

·        biodiesel stanowiący estry metylowe oleju rzepakowego (RME) lub estry metylowe (FAME) i etylowe (FAEE) wyższych kwasów tłuszczowych innych spożywczych roślin oleistych, otrzymywane w wyniku procesów tłoczenia na zimno, ekstrakcji i transestryfikacji,

·        biogaz, stanowiący oczyszczony biogaz z zawilgoconego biogazu składowiskowego bądź rolniczego (aktualnie biogaz oczyszczony do czystości gazu ziemnego, otrzymywany z wszelkich substancji odpadowych różnego pochodzenia klasyfikowany jest jako biopaliwo II generacji),

·        bio-ETBE, otrzymywany z przeróbki chemicznej etanolu gorzelnianego.

Do biopaliw drugiej kategorii zostały zaliczone te otrzymywane z biomasy (upraw roślin energetycznych i organicznych substancji odpadowych) lub niejadalnych nasion oleistych:

•         bioetanol otrzymywany w wyniku zaawansowanych procesów hydrolizy i fermentacji lignocelulozy pochodzącej z biomasy (z wyłączeniem surowców o przeznaczeniu spożywczym),

•         syntetyczne biopaliwa stanowiące produkty przetwarzania biomasy poprzez zgazowanie i odpowiednią syntezę na ciekłe komponenty paliwowe (BtL),

•         bioDMF (dimetylofuran) jako perspektywiczne paliwo do silników o ZI otrzymywane z procesów katalitycznego przetwarzania cukrów (np. celulozy, skrobi),

•         paliwa do silników o zapłonie samoczynnym pochodzące z przetwarzania lignocelulozy z biomasy w procesach Fischer-Tropscha,

•         biodiesel syntetyczny z kompozycji produktów lignocelulozowych,

•         pochodne metanolu i etanolu oraz mieszaniny wyższych alkoholi,

•         dimetyloeter (bio-DME) otrzymywany pośrednio lub bezpośrednio z biomasy jako paliwo gazowe do silników o zapłonie samoczynnym,

•         biodiesel, jako biopaliwo lub komponent paliwowy do silników o ZS, otrzymywany w wyniku rafinacji wodorem (hydrogenizacji) odpadowych olejów roślinnych i tłuszczów zwierzęcych,

•         biogaz jako syntetycznie otrzymywany gaz o właściwościach gazu ziemnego (SNG), pozyskiwany w wyniku procesów zgazowania lignocelulozy i odpowiedniej syntezy (także z procesów WtG – „wastes to gas”).

Z przedstawionej klasyfikacji wynika, że nie można zaliczać do biopaliw drugiej generacji przetworzonych biopaliw pierwszej generacji, co oznacza, że dalsza przeróbka estrów, na przykład poprzez rafinację wodorem, nie powoduje otrzymania biopaliwa drugiej generacji i jest nieracjonalna technicznie oraz ekonomicznie. W zasadzie koncepcja rozwoju biopaliw drugiej generacji opiera się na założeniu, że surowcem do ich wytwarzania powinna być zarówno biomasa, jak i odpadowe oleje roślinne oraz zwierzęce, a także wszelkie odpadowe substancje pochodzenia organicznego, nieprzydatne w przemyśle spożywczym czy też leśnym.

 

Departament Transportu i Energetyki Komisji Europejskiej zaproponował wydzielenie biopaliw trzeciej generacji jako tych, dla których opracowanie technologii powszechnego otrzymywania i wdrożenia ich do eksploatacji może być szacowane na 2030 r. i później. Biopaliwa trzeciej generacji będą otrzymywane podobnymi metodami jak paliwa drugiej generacji, ale ze zmodyfikowanego na etapie uprawy surowca (biomasy) przy pomocy molekularnych technik biologicznych.

Celem tych modyfikacji jest udoskonalenie procesu konwersji biomasy do biopaliw poprzez np. uprawy drzew o niskiej zawartości ligniny, rozwój upraw z wbudowanymi odpowiednio enzymami itp. Do paliw trzeciej generacji mają być zaliczane: biowodór, biometanol i biobutanol.

Ze względu na konieczność zamknięcia bilansu ditlenku węgla lub eliminacji jego oddziaływania na środowisko powstała propozycja wydzielenia nowej, czwartej generacji biopaliw.

Technologie wytwarzania biopaliw czwartej generacji powinny uwzględniać procesy CCS (Carbon Capture and Storage), czyli wychwytu i składowania węgla na etapie surowców i technologii wytwarzania tych biopaliw. Surowce te to rośliny o zwiększonej, nawet genetycznie, asymilacji CO₂ w czasie uprawy, a stosowane technologie będą uwzględniać wychwyt ditlenku węgla w odpowiednich formacjach geologicznych poprzez doprowadzenie do stadium węglanowego lub składowanie w wyrobiskach ropy naftowej i gazu.

Aktualna dyrektywa europejska, w sposób formalny nie uwzględnia kategoryzacji biopaliw, wychodząc z założenia, że definicja surowca powinna stopniowo wyeliminować z eksploatacji biopaliwa pierwszej generacji.

W USA nie występuje kategoryzacja biopaliw. Według opracowania NREL (Narodowe Laboratorium Energii Odnawialnej), przewidywane jest stopniowe opracowywanie i wdrażanie technologii otrzymywania biopaliw w czasie.

Według danych NREL, aktualnie wdrażane są technologie biopaliw, takich jak etanol (jako komponent biopaliwowy, którego surowiec stanowią ziarna zbóż oraz celuloza pochodząca z rolnictwa i leśnictwa) oraz biodiesel, stanowiący mieszaninę estrów wyższych kwasów tłuszczowych z procesów tranestryfikacji olejów roślinnych i naftowego oleju napędowego.

Przewiduje się też wdrażanie technologii kolejnych biopaliw:

 

10. Merkisz J.: Ekologiczne aspekty stosowania silników spalinowych. Poznań 1994.
11. Mackowski J.M.: The EU Directives on Fuels Quality: a look beyond year 2000. Mat. II Międzynarodowej Konferencji „Rozwój technologii paliw w świetle Dyrektyw Europejskich i Narodowych Uregulowań Normatywnych”. Warszawa 1999.
12. Gronowicz J: Ochrona środowiska w transporcie lądowym. Radom 2004.
13. Sitnik L.J.: Ekopaliwa silnikowe. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej. Wrocław 2004.
14. Biernat K., Łuksa A.: Węglowodory i tłuszcze odpadowe jako ciecze opałowe. „Sozologia” 1/2003.

16. Kampman B.E., den Boer L.C., Croezen H.J.: Biofuels under development. Publication CE No 05.4894.11, Netherlands Petroleum Industry Association. Delft 2005.