Według Międzynarodowego Stowarzyszenia Przewoźników Lotniczych (IATA), linie lotnicze zarobią w tym roku 4 mld dolarów. To około 4,5 razy mniej w stosunku do 2010 r. Przyczyną tego jest wzrost cen paliw.
 
Koszty paliwa stanowią obecnie 30% wydatków linii lotniczych, co stanowi trzykrotny wzrost w stosunku do 2001 r. Ponadto od 2012 r. samoloty lądujące w UE będą płacić za emisję CO2, co dodatkowo przyczyni się do wzrostu cen biletów lotniczych. Rozwiązaniem tego problemu mogłoby być szersze stosowanie biopaliw.
W przeciwieństwie do paliw kopalnych nowe biopaliwa powinny spełniać warunki zrównoważonego rozwoju. Najważniejsze jednak jest, aby posiadały właściwości fizykochemiczne obecnie stosowanych paliw lotniczych, czyli powinny być cieczami węglowodorowymi, których energia chemiczna, uzyskiwana w procesie spalania w silniku lotniczym, jest przetwarzana na energię kinetyczną gazów spalinowych, wytwarzających siłę ciągu statku powietrznego1. Zatem zastosowanie w lotnictwie obecnie używanych w transporcie biopaliw – estrów wyższych kwasów tłuszczowych – jest wykluczone. Paliwa lotnicze otrzymuje się z frakcji naftowych pochodzących z destylacji atmosferycznej ropy naftowej lub z procesów wtórnych przeróbki ropy naftowej, takich jak hydrokraking destylatów próżniowych. Frakcje naftowe zawierają węglowodory C9-C16, a ich rodzaj zależy od pochodzenia surowca i warunków procesu. Skład chemiczny typowego paliwa lotniczego według Wolveridge’a jest następujący2: węglowodory izoparafinowe i cykloparafinowe – 60-75% V/V, węglowodory n-parafinowe – 10-20% V/V, węglowodory aromatyczne – 15-20% i węglowodory olefinowe – 0,1-5,0 % V/V.
Produkowane w PKN Orlen paliwo Jet A-1 jest komponowane z hydrorafinatu frakcji naftowej pochodzącej z destylacji atmosferycznej i frakcji naftowej hydrokrakingu. Prawdopodobnie w pierwszych biopaliwach lotniczych zamiast frakcji węglowodorów n-parafinowych zostaną użyte ich biosubstytuty, posiadające identyczne właściwości fizyko-chemiczne. Węglowodory n-parafinowe jako biokomponent mogą być poddawane katalitycznej izomeryzacji i zastąpić największą frakcję w paliwie lotniczym, czyli węglowodory izoparafinowe i cykloparafinowe. Także biosubstytut węglowodorów aromatycznych jest technologicznie osiągalny, np. przez dehydroaromatyzację biometanu3, 4, chociaż te węglowodory są obecnie ograniczane w składzie paliwa lotniczego. W dalszej części artykułu zostaną przestawione potencjalne surowce do produkcji biosubstytutu węglowodorów n-parafinowych i najbardziej obiecujące technologie do produkcji tych węglowodorów.
 
 
Surowce do produkcji biopaliw lotniczych
Produkcja biopaliw, dystrybucja i spalanie w silniku powinno prowadzić do redukcji emisji CO2 w cyklu życia. Dwutlenek węgla zużywany przez rośliny w czasie wzrostu biomasy odpowiada w przybliżeniu ilości węgla powstałego podczas spalania w silniku spalinowym, co oznacza po prostu powrót CO2 do atmosfery. Jak wspomniano wcześniej, istnieje emisja CO2 wytwarzana podczas produkcji biopaliw, np. niezbędne nawozy do uprawy roślin, transport surowca, uszlachetnianie paliwa. Gdy uwzględni się te wszystkie czynniki, biopaliwa powodują ok. 80-procentową redukcję całkowitej emisji CO2 w porównaniu z cyklem życia paliw kopalnych. Na przykład analiza surowca lnicznika siewnego (Camelina sativa), poddanego wytłoczeniu do oleju lniankowego, a następnie zastosowanego do produkcji węglowodorów syntetycznych w wyniku katalitycznej hydrokonwersji, prowadzi do 84-procentowej redukcji emisji CO2 w cyklu życia paliwa (LCA). Ponadto biopaliwa ponadto zawierają mniej zanieczyszczeń (takich jak siarka), co pozwala na jeszcze większą redukcję dwutlenku siarki i emisji sadzy niż w przypadku obecnie stosowanych konwencjonalnych technologii. Biopaliwa zapewniają także dywersyfikację dostaw.
Branża lotnicza obecnie jest całkowicie oparta na paliwach kopalnych i tak jak inne działy gospodarki zależna od wahań cen ropy naftowej oraz problemów z podażą i popytem. Produkcja biopaliw, zgodnie z zasadami zrównoważonego rozwoju, może być atrakcyjną alternatywą, zwłaszcza z uwagi na brak ograniczenia miejsca ich wytwarzania umożliwia geograficzne zróżnicowanie dostawy. Teoretycznie surowiec do produkcji biopaliw może być uprawiany w wielu miejscach na całym świecie.
 
Spośród roślin oleistych stosowanych do pozyskiwania oleju do produkcji biopaliw drugiej generacji szczególne znaczenie mają cztery: jatrofa, camelina, algi i halofity. Jatrofa jest rośliną produkującą nasiona zawierające niejadalne oleje lipidowe, które można wykorzystać do produkcji biosubstytutu węglowodorów. Nasiona tej rośliny wytwarzają 30-40% jego masy w oleju. Jatrofy mogą być uprawiane na obszarach charakteryzujących się trudnymi warunkami glebowymi, w tym na terenach suchych i na nieużytkach rolnych. Nasiona tej rośliny są toksyczne dla ludzi i zwierząt i dlatego nie mogą być stosowane do celów spożywczych.
 Camelina sativa jest przede wszystkim uprawiana jako roślina do celów energetycznych. Wytłoki z tłoczenia oleju mogą być stosowane jako pasza dla kurcząt w małych ilościach. camelina jest często uprawiana jako roślina w cyklu płodozmianu.
Algi są potencjalnie najbardziej obiecującym surowcem do wytwarzania dużych ilości biopaliwa lotniczego. Te mikroskopijne rośliny mogą być uprawiane w zanieczyszczonej lub słonej wodzie, na pustyni i w innych trudnych warunkach. Jedną z największych zalet alg do produkcji oleju jest szybkość, z jaką surowiec powstaje. Szacuje się, że algi produkują do 15 razy więcej oleju na kilometr kwadratowy niż inne biopaliwowe uprawy. Kolejną zaletą jest to, że glony mogą być uprawiane na gruntach o małej wartości rolniczej, które nie są wykorzystywane do produkcji żywności.
Halofity są to trawy słonych bagien, które mogą rosnąć zarówno w wodzie słonej lub na obszarach objętych bryzą morską, gdzie rośliny zazwyczaj nie są w stanie wzrastać.
W przypadku Polski najlepsza do uprawy na cele biopaliwowe dla lotnictwa wydaje się Camelina sativa. Na rysunku przedstawiono przykładowe wymagania odnośnie areału upraw roślin. Dla alg obszar odpowiadający powierzchni Irlandii jest wystarczający do produkcji oleju, który pokryłby całe światowe zapotrzebowanie.
Można wyróżnić etapy komercyjnego wdrażania biopaliw w lotnictwie. Obecnie są przeprowadzane testy lotnicze i badania laboratoryjne. W ostatnich kilku latach przy współpracy koncernów paliwowych z liniami lotniczymi testowano wiele rodzajów paliw. Kolejne etapy obejmują badania laboratoryjne, certyfikację, lokalizację odpowiednich obszarów do wzrostu danej rośliny oleistej, uprawę roślin na plantacji i produkcję surowca, budowę biorafinerii, dystrybucję biopaliwa i systemu komponowania w porcie lotniczym i stosowanie biopaliw na skalę komercyjną. Planuje się, że w 2015 r. biopaliwa będą stanowić 1% stosowanych obecnie paliw lotniczych, a następnie 15% w 2020 r., 30% w 2030 r. i 50% w 2040 r.5.
Do najważniejszych można zaliczyć testy biopaliwa Green Jet Fuel, produkowanego przez koncern paliwowy UOP z oleju w procesie hydrokonwersji. Odbyły się już loty demonstracyjne z użyciem Green Jet Fuel jako biokomponentu: Air New Zealand – 12/2008, Continental Airlines – 01/2009, Japan Airlines – 01/2009, KLM – 11/2009, US Air Force A10 Thunderbolt II – 03/2010, US Navy F/A-18 Hornet – 04/2010, Royal Netherlands Air Force – 06/2010, TAM Airlines – 11/2010. Ostatnia informacja z maja 2011 r. dotyczy próbnych lotów dwóch F-16 w bazie Andrews w stanie Maryland. Do ich przeprowadzenia zastosowano kompozycję 50/50% paliwa Jet A i węglowodorów syntetycznych (Green Jet Fuel), wyprodukowanych z oleju lniankowego w procesie hydrokonwersji. Także fińskie linie lotnicze przeprowadziły próbny lot z Helsinek do Amsterdamu, prawdopodobnie przy użyciu biopaliwa lotniczego produkowanego wg technologii firmy Neste Oil. Należy także nadmienić, że istnieje norma ASTM D7566, określająca stosowanie węglowodorów syntetycznych w lotniczych silnikach turbinowych.
 
Technologie produkcji biopaliw syntetycznych
Obecnie także w transporcie drogowym podejmuje się pierwsze próby odejścia od produkcji bioestrów ma rzecz węglowodorów syntetycznych, pozyskiwanych z tego samego surowca z roślin oleistych. Węglowodory syntetyczne posiadają te same właściwości fizykochemiczne jak węglowodory mineralne, są więc pozbawione wszystkich niedoskonałości stosowanych obecnie estrów. Proces katalitycznej hydrokonwersji olejów roślinnych do węglowodorów n-parafinowych polega na dwóch reakcjach przebiegających równorzędnie: hydroodtlenianiu i dekarboksylacji6, 7. Ogólnie mówiąc, reakcje te sprowadzają się do usunięcia tlenu z cząsteczki triglicerydu. Równocześnie towarzyszy temu proces uwodornienia wiązań podwójnych (nienasyconych) występujących w łańcuchach węglowodorowych obecnych w triglicerydach. Reakcja przebiega na typowych katalizatorach stosowanych w procesie hydroodsiarczania w rafineriach petrochemicznych, np. Ni-Mo/Al2O3 lub Co-Mo/Al2O3. Głównym produktem wymienionych reakcji są n-parafiny, a produktami ubocznymi propan, ditlenek węgla i woda. Natomiast opłacalność produkcji bioestrów jest powiązana ze zbytem lub wykorzystaniem produktu ubocznego, jaki stanowi gliceryna. Dla porównania przedstawiono uproszczony bilans masowy z przetwarzania 100 L triglicerydów w reakcji transestryfikacji i katalitycznej hydrokonwersji:
 
100 L (triglicerydów) + 13 L metanolu (NaOH lub KOH kat) à 99 L (bioestry) + 8 L gliceryny
 
100 L (triglicerydów) + ~0,4 kg H2 (katalizator np.Ni-Mo) à 99 L (n-parafiny) + 9 L Propan + CO2, H2O
 
W procesie katalitycznej hydrokonwersji powstaje równoważna ilość n-parafin, posiadających właściwości węglowodorów mineralnych, oraz pełnowartościowy produkt gazowy – propan. Można podać przykłady istniejących już instalacji tego typu: Conoco-Philips w Cork w Irlandii, BP w Australii lub Petrobras w Brazylii. Funkcjonują też instalacje przetwarzające czysty wsad olejowy lub mieszaninę różnych tłuszczów, czego przykładem jest technologia NExBTL z Neste Oil w Finlandii, UOP/ENI Ecofining (wspólny projekt UOP – Stany Zjednoczone i ENI – Włochy). Technolodzy w Neste Oil wybrali bardziej konserwatywne podejście, dążąc do uzyskania biopaliwa, którego produkcja możliwa byłaby w naftowym kombinacie w Porvoo, przerabiającym 11 mln ton ropy rocznie. W rezultacie osiągnięto NExBTL – biopaliwo (w tym biopaliwo lotnicze) stanowiące niejako ogniwo pośrednie między paliwami 1 i 2 generacji.
Cykl produkcyjny w przypadku NExBTL obejmuje procesy przetwórcze z użyciem wodoru. Są to rozwiązania sprawdzone w petrochemii, tutaj zostały one w nowatorski sposób zastosowane w przypadku nowego surowca – oleju roślinnego. W pierwszym etapie surowiec składający się z olei roślinnych lub tłuszczów zwierzęcych jest oczyszczany, następnie – po podgrzaniu – zostaje wpompowany do reaktorów. Tu z pomocą wodoru w obecności katalizatora zachodzi usuwanie tlenu i materiał ulega przemianie na trzy różne rodzaje parafin (w tym węglowodory w zakresie frakcji C9-C16). Wynikiem reakcji chemicznych jest biokomponent o identycznych właściwościach fizykochemicznych jak węglowodory mineralne, lecz niższej zdolności redukcji efektu cieplarnianego niż inne biopaliwa (BTL, biomass to liquids). Technologia fińska jest wprawdzie mniej innowacyjna od niemieckiej (Choren- SunDiesel uzyskany w procesie FT), lecz opiera się na przemianach sprawdzonych w skali przemysłowej. Z uwagi na wyższą sprawność i sięgnięcie po nowe surowce (tj. tłuszcze) producent uznał NExBTL za biopaliwo drugiej generacji, jednak oparcie produkcji na surowcu spożywczym (oleje i tłuszcze) kwestionuje te aspiracje. Nic nie stoi jednak na przeszkdzie, aby technologia mogła być zastosowana w przypadku olei opisanych na rys. 2. Wyróżniającą cechą biopaliw przyszłości ma być bowiem rezygnacja z surowca nadającego się do spożycia przez ludzi czy zwierzęta. Również wpływ na obniżenie efektu cieplarnianego jest w tym przypadku znacznie mniejszy niż w przypadku SunDiesla, jeśli uwzględni się energochłonność produkcji roślin oleistych czy hodowli zwierząt. W obliczu krytykowania importu tłuszczów roślinnych Neste Oil zwiększa pozyskiwanie odpadowych surowców z krajowego przemysłu spożywczego. Zainteresowanie fińską technologią wykazała austriacka grupa OMV, która skłonna jest wybudować instalację wytwórczą NExBTL w swojej rafinerii Schwechat w Niemczech. Firma ocenia docelową zdolność produkcyjną w tej rafinerii na 4 mln ton rocznie. Pierwsze instalacje zbudowane wg technologii NExBTL opierają się na technologii katalitycznej hydrokonwersji olejów roślinnych i tłuszczów zwierzęcych. Proces katalityczny wodorowy odbywa się w temperaturze 350-450ºC i przy ciśnieniu 30-150 atm. Produktem końcowym są ciekłe węglowodory parafinowe. Eksperci utrzymują, że sukces jednej z tych technologii zadecydowałby o radykalnym przyspieszeniu rozwoju europejskiego rynku biopaliw w najbliższej przyszłości. Cechą charakterystyczną procesu hydrokonwersji triglicerydów jest to, że efekty cieplne to ok. 1500 kJ/kg. Oznacza to, że złoże katalizatora może ulec silnemu przegrzaniu (powstawanie tzw. hot spots), co w konsekwencji prowadzi do zatruwania katalizatora. Te same efekty cieplne powstające podczas hydrorafinacji frakcji naftowych są o ponad rząd wielkości niższe (> 100 kJ/kg). W związku z tym prowadzone są prace badawcze nad reaktorami o efektywnej wymianie masy i ciepła, np. reaktory mikrokanalikowe firmy Velocys i Oxford Catalysts8.                                      
Druga wymieniona technologia firmy Choren polega na znanym od II wojny światowej procesie Fischera-Tropscha (F-T), czyli katalitycznej produkcji z gazu syntezowego (CO/H2) węglowodorów n-parafinowych. Dobierając odpowiedni stosunek gazu syntezowego CO/H2, można ukierunkować proces na maksymalną wydajność węglowodorów, np. n-parafinowych:
(2n+1) H2 + nCO <-> CnH2n+2 (n-parafiny)+ nH2O (katalizator kobaltowy)
 Część gazu syntezowego zużywa się na uboczne tworzenie wody. Tania produkcja gazu syntezowego determinuje opłacalność zastosowania technologii F-T. Należy podkreślić, że technologia jest stosowana na skalę przemysłową np. przez koncern Shell w Bintulu (Malezja) i ostatnio Ras Laffan (Katar) i od ponad 50 lat przez koncern Sasol w RPA. Surowiec do sekwencyjnie zintegrowanych procesów produkcji węglowodorów w dwóch pierwszych przypadkach stanowi gaz ziemny, natomiast firma Sasol opiera produkcję na węglu – proces CTL (Coal to Liquids). Technologia FT jest wykorzystywana na skalę przemysłową od dawna, teraz znajduje zastosowanie w przypadku nowego surowca – biomasy. Gaz syntezowany produkowany z biomasy w technologii firmy Choren wymaga bardzo kosztownego procesu oczyszczania i przygotowania. Niestety ostatnio pojawiły się informacje o możliwym bankructwie koncernu. W lipcu tego roku, dziewięć linii lotniczych razem z firmą Solena wystosowało list intencyjny dotyczący produkcji biopaliw lotniczych do silników odrzutowych. Paliwo ma być otrzymywane wyłącznie z biomasy i powstawać z gazu syntezowego, tzw. BioSynGazu. Instalacja powstanie w północnej Kalifornii (Santa Clara County), a surowiec będą stanowić odpady miejskie po recyklingu oraz rolnicze. Wstępnie zakłada się produkcję do 16 milionów litrów czystego paliwa do silników odrzutowych.
 
 
Przyszłościowe technologie produkcji biopaliw lotniczych
  • Katalityczna hydrokonwersja olei bazuje na procesach rafinacyjnych w przemyśle petrochemicznym i stanowi obiecującą technologię produkcji biopaliw dla transportu w tym lotnictwa.
  • Proces F-T jest drugą dobrze rokującą technologią produkcji ciekłych biopaliw lotniczych.
  • Dodatek wsadu bio przyczynia się do rozcieńczenia zasiarczonej frakcji napędowej, otrzymywanej z ropy naftowej.
  • Przy produkcji nowych biopaliw węglowodorowych wykorzystuje się taką samą infrastrukturę jak w przypadku paliw pochodzenia mineralnego – identyczne rozwiązania logistyczne, blendowanie, apartura do kontroli jakości, szeroki zakres surowców pochodzenia tłuszczowego lub olejowego możliwy do wykorzystania, w tym z alg, cameliny, jatrofy i halofitów.
  • Technologia hydrokonwersji olei staje się bardzo popularna w Europie. Oprócz Finlandii będzie stosowana w Holandii, Wielkiej Brytanii i Austrii. Podobna technologia (UOP/ENI Ecofining) ma być stosowana w rafineriach we Włoszech i Portugalii. Produkcja paliwa GTL (np. V-Power z instalacji Shell w Malezji) lub BTL (np. Sun Diesel z Choren, Niemcy) w technologii F-T jest bardziej kosztowna od technologii NExBTL lub UOP/ENI Ecofining.
  • W przypadku technologii GTL (uproszczona sekwencja reakcji katalitycznych CH4 à CO/H2 à n-parafiny, gaz do cieczy), używanej przez firmę Shell w Malezji i Katarze, można przypuszczać, że w przyszłości także biogaz może służyć do produkcji n-parafin.
 
Źródła
1.Górska K., Górski W.: Materiały pędne i smary. WKŁ 1986.
2. Wolveridge P.E.: Aviation Turbine Fuels. In: Modern Petroleum Technology. New York 2001.
3. Malinowski A., Ohnishi R., Ichikawa M.: CVD Synthesis in Static Mode of Mo/H-ZSM5 Catalyst for the Methane Dehydroaromatization Reaction to Benzene. „Catalysis Letters” 3-4/2004.
4. Malinowski A.: Bezpośrednia konwersja biometanu zawierającego CO2 i H2O do wodoru i węglowodorów. „Chemik” 6/2011.
5. http://www.enviro.aero, Beginner’s Guide to Aviation Biofuels.
6. I. Kubickova, M. Snare, K. Eranen, P. Maki-Arvela, D. Yu. Murzin,  Hydrocarbons for diesel fuel via decarboxylation of vegetable oils, Catalysis Today 106 (2005) 197–200
7.   D. Kubička, J. Horáček, Deactivation of HDS catalysts in deoxygenation of vegetable oils, Applied Catalysis A: General, Volume 394, Issues 1-2, 28 February 2011, p. 9-17
 
Artur Malinowski, Przemysłowy Instytut Motoryzacji, Warszawa

     Dofinansowano ze środków Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej