Kierunki rozwoju technologii wytwarzania biopaliw zostały wytyczone przez Europejską Strategiczną Agendę Badawczą (ESRA), która wraz z Planem Wykonawczym została przyjęta 31 stycznia 2008 r. na posiedzeniu członków Europejskiej Platformy Technologicznej Biopaliw.
 
Dokumenty te zostały opracowane przez międzynarodowe grupy robocze z udziałem przedstawicieli Polskiej Platformy Technologicznej Biopaliw i poddane procesowi publicznych konsultacji w całej Europie. Niestety, z Polski w ramach ogólnoeuropejskiej dyskusji nad strategią wpłynęły tylko trzy uwagi, co znacznie ograniczyło możliwości uzyskania środków pomocowych na lokalizację demonstracyjnej biorafinerii w naszym kraju, szczególnie z powodu jak to określono: „małego polskiego zainteresowania społecznego problematyką biopaliw”.
 
Główne priorytety
Europejska Strategiczna Agenda Badawcza określiła główne priorytety warunkujące rozwój biopaliw w Europie:
•         opracowanie analizy dostępności i kosztów produkcji dla wszystkich źródeł biomasy możliwych do wykorzystania,
•         tworzenie nowych, wydajnych systemów rolniczych i leśnych do upraw roślin energetycznych, włączając roślinność genetycznie modyfikowaną, która może ograniczyć nawożenie. Należy też tworzyć skuteczne systemy zarządzania tymi obszarami,
•         efektywne działania logistyczne dla różnych koncepcji biopaliwowych i w różnych skalach,
•         rozwój termochemicznych i biologicznych systemów konwersji biomasy lignocelulozowej w pracach badawczych i wdrożeniowych,
•         tworzenie pokazowych, zintegrowanych systemów do konwersji biomasy w gaz syntezowy powiązanych z systemem produkcji paliw węglowodorowych,
•         opracowywanie technologii i budowa biorafinerii do produkcji biopaliw i materiałów chemicznych w ceku zoptymalizowania systemu zużycia energii,
•         rozwój prac badawczych w zakresie tworzenia silników przystosowanych do spalania czystych biopaliw i ich mieszanek. Proces ten wymaga badań z zakresu trwałości i niezawodności oraz inżynierii materiałowej,
•         badania w celu opracowania kryteriów oceny parametrów surowców i biopaliw istotnych dla procesów eksploatacyjnych,
•         opracowanie porównawczych analiz LCA i badań nad obiegiem węgla na podstawie rzeczywistych danych, w celu określenia priorytetów dla rozwijania biopaliw alternatywnych oraz stworzenie danych dla oceny trwałości biopaliw wraz z opracowaniem systemu certyfikacji i odpowiednich norm,
•         prowadzenie badań w zakresie norm i standardów, wspólnych dla różnych biopaliw i w różnych miejscach geograficznych.
Uzyskane doświadczenia w zakresie rozwoju badań i technologii doprowadziły do opracowania zestawu dyrektyw i rozporządzeń UE określanych jako „Pakiet Klimatyczny Unii Europejskiej”.
 

Dyrektywy i rozporządzenia wchodzące w zakres Pakietu Klimatycznego:
•         Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (WE) nr 443/2009 z 23 kwietnia 2009 r. określającego normy emisji dla nowych samochodów osobowych w ramach zintegrowanego podejścia Wspólnoty na rzecz zmniejszenia emisji CO2 z lekkich samochodów dostawczych,
•         Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/WE z 23 kwietnia 2009 r. w sprawie promowania energii ze źródeł odnawialnych zmieniająca i w następstwie uchylająca dyrektywy 2001/77/WE oraz 2003/30/WE,
•         Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/29/WE z 23 kwietnia 2009 r. zmieniająca dyrektywę 2003/87/WE w celu usprawnienia i rozszerzenia wspólnotowego systemu handlu uprawnieniami do emisji gazów cieplarnianych,
•         Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/30/WE z 23 kwietnia 2009 r. zmieniająca dyrektywę 98/70/WE odnoszącą się do specyfikacji benzyny i olejów napędowych oraz wprowadzająca mechanizm monitorowania i ograniczania emisji gazów cieplarnianych oraz zmieniającą dyrektywę Rady 1999/32/WE odnoszącą się do specyfikacji paliw wykorzystywanych przez statki żeglugi śródlądowej oraz uchylająca dyrektywę 93/12/EWG,
•         Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/31/WE z 23 kwietnia 2009 r. w sprawie geologicznego składowania dwutlenku (ditlenku) węgla oraz zmieniająca dyrektywę Rady 85/337/EWG, Euratom, dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2000/60/WE, 2001/80/WE, 2004/35/WE, 2006/12/WE, 2008/1/WE i rozporządzenie (WE) nr 1013/2006
•         Decyzja Parlamentu Europejskiego i Rady nr 2009/406/WE z 23 kwietnia 2009 r. w sprawie wysiłków podjętych przez państwa członkowskie, zmierzających do zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych w celu realizacji do 2020 r. zobowiązań Wspólnoty dotyczących redukcji emisji gazów cieplarnianych.

 
Agenda Badawcza precyzuje dwie ścieżki konwersji biomasy. Pierwsza, bazująca na procesach termochemicznych, obejmuje: paliwa syntetyczne/węglowodory z gazyfikacji biomasy (zastosowanie: paliwa transportowe z OZE do silników lotniczych i silników o zapłonie samoczynnym) biometan i inne gazowe paliwa z gazyfikacji biomasy (substytuty gazu ziemnego i innych paliw gazowych), (zastosowanie: wysokoefektywna produkcja energii) oraz uzyskiwanie bioenergii z biomasy przez inne procesy termochemiczne, takie jak piroliza (zastosowanie: paliwa grzewcze, wytwarzanie energii lub pośrednio poprzez procesy xTL do paliw transportowych),
Druga ścieżka konwersji bazująca na procesach biologicznych i chemicznych obejmuje: etanol i wyższe alkohole z cukrów zawierające biomasę (zastosowanie: paliwa transportowe z OZE lub jako komponenty benzynowe, E85); węglowodory z biomasy, otrzymywane z cukrów, wytworzone w skutek procesów biologicznych i/lub chemicznych (zastosowania: odnawialne paliwa transportowe do silników lotniczych i silników o zapłonie samoczynnym). Ponadto produkcję nośników bioenergii z ditlenku węgla i światła słonecznego poprzez produkcję mikroorganizmów (algi oraz bakterie itp.) i dalsze przetwarzanie do paliwa transportowego i wartościowych bioproduktów (zastosowania: paliwa transportowe z OZE dla lotnictwa i silników o zapłonie samoczynnym, biochemikalia).
Jednocześnie powołano Europejską Przemysłową Inicjatywę Bioenergetyczną (EPIB), obejmującą następujący zakres tematyczny:
  • bioenergia i nośniki bioenergii (stałe, płynne, gazowe paliwa, ciepło, elektryczność) produkowane na skalę przemysłową (także procesy biorafineryjne),
  • tworzenie innowacyjnych łańcuchów przekształceń – nierozwijanych dotychczas komercyjnie,
  • rozważany potencjał – jedna wielkoskalowa jednostka lub duża liczba jednostek o mniejszej skali,
  • realizacja, komercyjne wytwarzanie biopaliw i biochemikaliów od 2020 r.
Głównym zadaniem EPIB ma być tworzenie instalacji demonstracyjnych i referencyjnych poprzez: optymalizację wyboru łańcucha przekształceń: surowce, technologie konwersji, produkty finalne, zastosowania, kombinację procesów termochemicznych i biologicznych poprzez systemy biorafineryjne, oraz demonstrację zrównoważoności tych technologii w relacji kosztowej oraz w celu uzyskania powszechnej, społecznej akceptacji.
Oceniając udział biopaliw w dotychczasowym i przyszłym rynku paliwowym, należy dokonać oszacowania potencjału produkcyjnego paliw dla środków transportu pochodzenia roślinnego, z uwagi na możliwości surowcowe. Powinno ono również uwzględniać zaostrzające się wymagania środowiskowe. Bardzo ważne jest to, że z punktu widzenia ograniczania emisji ditlenku węgla istotny aspekt stanowi ograniczenie puli surowcowej wykorzystywanej w produkcji biopaliw do obszarów, nad którymi można sprawować kontrolę, tj. w praktyce do rolnictwa Wspólnoty ponieważ w przeciwnym razie stosowanie biopaliw może doprowadzić do zwiększenia emisji CO2. Dodatkowo już obecnie obserwuje się tendencję do wycinania lasów deszczowych, aby powiększyć areał upraw roślin olejowych przeznaczonych na cele energetyczne. Takiego szacunku europejskiego potencjału surowcowego dla produkcji biopaliw dokonała Europejska Agencja ds. Środowiska. Konieczne jest także wyeliminowanie z potencjalnej bazy surowcowej biopaliw pochodzących z rolnictwa, leśnictwa, eksploatacji zasobów wodnych, które mają istotne znaczenie w gospodarce żywnościowej.
Jednocześnie nadrzędnym celem staje się całkowite wykorzystywanie (w sposób bezodpadowy) biomasy w procesach biorafineryjnych, polegające na wytwarzaniu zarówno biopaliw (biopłynów), jak i biochemikaliów, stopniowo wypierających produkty pochodzące z procesów petrochemicznych.
 
Istota biorafinerii
Biorafineria to kompleksowy układ technologiczny, łączący procesy konwersji biomasy i dalszego przetwarzania produktów tej konwersji na paliwa oraz związki chemiczne finalne bądź z przeznaczeniem do dalszych procesów. Stanowi więc odpowiednik zakładów przeróbczych ropy naftowej, przy czym zarówno surowce, jak i produkty z biorafinerii powinny stanowić znacznie mniejsze zagrożenia dla środowiska. Przemysłowe biorafinerie powinny być najistotniejszym elementem nowej gałęzi przemysłowej, bazującej na OZE (surowców), kompensującym przynajmniej w części postępujący niedobór nośników typu ropa naftowa, węgiel kamienny i gaz ziemny.
Wielokrotnie próbowano zdefiniować pojęcie biorafinerii, wskutek czego powstało wiele niepełnych lub różniących się od siebie definicji. Po wyłonieniu z nich najistotniejszych elementów, charakterystycznych dla tej nowej gałęzi przemysłowej, stworzono kompleksową definicję. Według niej biorafineria to zintegrowany „bioprzemysł”, stosujący różnorodne technologie w celu uzyskania produktów, takich jak substancje chemiczne, biopaliwa, żywność, składniki paszowe, biomateriały (włącznie z włóknami) oraz ciepło i energię, skupiając się na maksymalizacji wartości dodanej przy uwzględnieniu trzech filarów zrównoważoności, jakimi są środowisko, gospodarka i społeczeństwo.
W biorafineriach stosuje się bardzo różnorodne surowce odnawialne, takie jak ziarna kukurydzy, pszenicy czy jęczmienia, rośliny oleiste, odpady z przemysłu rolno-spożywczego i leśnego, zrębki drewna i produkty z wycinki lasu, a takżeproso rózgowe czy wierzba energetyczna itp. Ostatnio do surowców biorafineryjnych zaliczane są także odpady organiczne, głównie komunalne, oraz wszelka odpadowa biomasa. Niezależnie od złożoności procesów biorafineryjnych, ogólny schemat biorafinerii przedstawia rysunek 1.

 

Rys. 1. Ogólny schemat biorafinerii
Źródło: Narodowa Strategiczna Agenda Badawcza w Zakresie Biopaliw. Opracowanie Polskiej Platformy Technologicznej Biopaliw pod red. K. Biernata. Warszawa 2008 r.
 
Jak widać na rysunku 1, surowcami biorafineryjnymi mogą być zarówno rośliny specjalnie do tego przeznaczone, jak i produkty uboczne przerobu innych substancji, a także produkty odpadowe z różnych gałęzi przemysłu. W celu realizacji procesów biorafineryjnych należy również dostarczyć energię, przy założeniu, że procesy muszą być egzotermicznymi. Jako efekt przerobu biorafineryjnego uzyskuje się pożądane produkty różnego rodzaju, a także energię. W schemacie przedstawionym na rysunku 1 ubocznym skutkiem mogą być także substancje pozostałościowe (odpady). Stanowią one pozostałości, które przy aktualnym stanie wiedzy nie mogą być dalej racjonalnie przetworzone. Zakłada się, że optymalna biorafineria powinna być całkowicie bezodpadowa, ponieważ substancje te powinny być wykorzystywane chociażby jako wewnętrzne nośniki energii. Dlatego prace badawcze doprowadziły do powstania kompleksowej koncepcji biorafinerii, której schemat przedstawiono na rysunku 2.

  

Rys. 2. Kompleksowa koncepcja biorafinerii

Źródło: W. Soetaert: Defining biorefineries and different concepts, BioreFuture 2009. Biorefinery Euroview BIOPOL. Brussels 30 March 2009 r.
 
Jak wynika ze schematu na rysunku 2, pierwszym etapem procesów biorafineryjnych jest frakcjonowanie biomasy. W wyniku tego otrzymuje się frakcję celulozową, tłuszczową, białkową oraz węglowodanową. Dla każdej z nich opracowano różne sposoby przetwarzania, a co za tym idzie, różnorakie typy możliwych produktów, takich jak: oleochemikalia, biopaliwa, tworzywa sztuczne typu “bio”, substancje chemiczne, a także składniki żywnościowe i paszowe.
Przedstawiona na rysunku 2 kompleksowa koncepcja biorafinerii zakłada powszechność, a zatem opłacalność energetyczną (ekonomiczną) wielu procesów technologicznych. Niestety, przy współczesnym stanie wiedzy procesy te są w większości w fazie badawczej (laboratoryjnej). Tym samym ze względu na możliwości technologiczne i dostępność surowców w fazie badań przedprzemysłowych znajdują się cztery podstawowe systemy biorafineryjne:
·        biorafinerie ze wsadem z całej rośliny,
·        biorafineria ze wsadem z niejadalnych części roślin,
·        biorafineria ze wsadem lignocelulozowym,
·        biorafinerie tzw. dwuplatformowe.
 
Biorafinerie oparte na pełnym wsadzie roślinnym
Biorafinerie, w których surowcem mogą być rośliny uprawne (rys. 3) w całości określane są jako agrorafinerie. Powszechne dotychczas rośliny uprawne, a zwłaszcza ich ziarna, przeznaczone były na podstawowe surowce dla przemysłu rolno-spożywczego, stanowiącego podstawę zabezpieczania potrzeb żywnościowych ludzkości. O ile w państwach wysoko uprzemysłowionych istnieje nadmiar żywności, to w krajach Trzeciego Świata istnieje permanentny jej brak. Dlatego przeznaczanie surowców żywnościowych na cele energetyczne (niespożywcze) postrzegane jest jako niehumanitarne. Z tych powodów, w krajach UE zaczęto rozwijać technologie wytwarzania biopaliw i biopłynów z surowców nieżywnościowych, określając je jako biopaliwa II generacji. Według dyrektywy 2009/28/WE, biopłyny to biopaliwa płynne przeznaczone do celów energetycznych.
Niezależnie od tego, stwierdzono, że biopaliwa I generacji, czyli wytwarzane z surowców żywnościowych (etanol gorzelniany, FAME z oleju rzepakowego, słonecznikowego itp.). nie zmieniają bilansu gazów cieplarnianych, a w niektórych przypadkach nawet go pogarszają.
Uwzględniając te uwarunkowania, stwierdzono, ze współczesna agrorafineria, wykorzystując rośliny uprawne, powinna umożliwiać jednoczesne wytwarzanie produktów spożywczych oraz chemicznych i nośników energii z roślin uprawnych.
Z kolei dalsze przetwarzanie pozostałości niekonsumpcyjnych roślin, a zatem nieprzydatnych w przemyśle rolno-spożywczym, jest bardzo korzystne ze względów społecznych, z uwagi na możliwości zagospodarowania terenów zdegradowanych, nienadających się pod uprawy do celów spożywczych.
Technologia zakłada podział całego plonu rośliny na części jadalne, a także słomę. Z części jadalnych dzięki metodom biotechnologiczno-chemicznym, a także fizykochemicznym uzyskuje się pochodne skrobiowe oraz mąkę, które można uznać za produkty końcowe bądź w dalszym ciągu przetwarzać je do paliw, substancji chemicznych, polimerów i innych materiałów, które stanowią ostateczny produkt w tym procesie. W procesie tym generuje się ciepło i energię w kogeneracji, a także odpady. Słoma, która stanowić ma drugą część surowca, jest przetwarzana metodami biotechnologiczno-chemicznymi w materiał lignocelulozowy, który w dalszej kolejności przerabia się na produkty ostateczne procesu biorafineryjnego z wytworzeniem energii w kogeneracji i odpadów.
Na rysunku 3 przedstawiono schemat działania biorafinerii, w której wsad surowcowy stanowią całe rośliny.
 
 

Rys. 3. Biorafineria ze wsadem z całej rośliny

Źródło: W. Soetaert: Defining biorefineries and different concepts. BioreFuture 2009. Biorefinery Euroview BIOPOL. Brussels30 March 2009 r.
 
Biorafinerie z wsadem z niejadalnych części roślin lub całych roślin energetycznych
Kolejnym typem jest biorafineria „zielona”, a więc ta, która wykorzystuje jedynie umownie „zielone” części rośliny jako substraty (rys. 4).
Wsad stanowi tu naturalnie mokra biomasa, zielona trawa, lucerna, koniczyna, niedojrzałe zboże itd. Surowce to również nadmiarowe lub nieprzydatne dla hodowli i przemysłu spożywczego rośliny, bądź ich części (kiszonki).
Zielona biomasa (części zielone roślin) metodą wytłaczania przekształcana jest na substancje płynne i stałe. Substancje płynne poddawane są procesom biotechnologicznym, fizycznym i biochemicznym, co prowadzi do powstania białek i cukrów rozpuszczalnych. Natomiast substancje stałe w sposób hydrotermalny, enzymatyczny i termiczny przekształcane są w celulozę i lignocelulozę. Produkty tych dwóch dróg przerabiane są na pasze, paliwa, polimery, substancje chemiczne i inne materiały. Procesy te generują energię w kogeneracji oraz odpady.
 
 
 
Rys. 4. Schemat działania biorafinerii, w której wsad stanowią zielone części roślin.
Źródło: W. Soetaert: Defining biorefineries and different concepts. BioreFuture 2009.Biorefinery Euroview BIOPOL. Brussels 30 March 2009 r.
 
Biorafinerie z surowcem lignocelulozowym (lignorafinerie)
Lignorafineria jest to biorafineria, której substrat wsadowy stanowią substancje organiczne bogate w lignocelulozę) Do tego rodzaju surowców należą np. naturalnie sucha biomasa, drewno, słoma, nadmiarowa lub też nieprzydatna pasza kukurydziana, a także biomasa zawierająca celulozę.
Doskonałym surowcem w tym typie biorafinerii są również odpady z wielu przemysłów, takich jak przemysł leśny, drzewny, papierniczy, meblarski itp.
Wsad lignocelulozowy w pierwszej kolejności rozdziela się na ligninę, hemicelulozę i celulozę. W procesach biorafineryjnych w przypadku lignorafinerii stosuje się różnego rodzaju substancje pomocnicze, takie jak enzymy czy też drożdże. Lignina w sposób chemiczny przerabiana jest na surowiec ligninowy, natomiast celulozę metodami biotechnologicznymi i chemicznymi przekształca się w surowiec cukrowy. Z produktów tych dwóch procesów i z hemicelulozy otrzymuje się paliwa, substancje chemiczne, polimery i inne materiały z wydzieleniem energii w kogeneracji i odpadów.
Schemat działania lignorafinerii przedstawiono na rysunku 5.
 
             
 
Rys. 5. Biorafineria lignocelulozowa – lignorafineria
Źródło: W. Soetaert: Defining biorefineries and different concepts. BioreFuture 2009. Biorefinery Euroview BIOPOL. Brussels 30 March 2009 r.
 
Biorafinerie dwuplatformowe
Ideą dwuplatformowej biorafinerii jest otrzymywanie gazu syntezowego oraz cukrów, a więc równoległa produkcja paliw bazujących na surowcach odnawialnych oraz innych produktów, rozumiana jako produkcja w dwóch platformach technologicznych.
Surowce używane w tym typie biorafinerii to szeroko pojęta biomasa składająca się z wszelkich substancji, głównie odpadowych z różnorakich przemysłów, takich jak rolnictwo, leśnictwo, gospodarka morska, przemysł spożywczy, gospodarka komunalna etc.
Biomasa dzielona jest na dwie umowne „platformy” – cukrową i gazu syntezowego. Surowce cukrowe przekształcane są na drodze przemian chemicznych z wydzieleniem odpadów, natomiast gaz syntezowy uzdatniany jest metodami termiczno-chemicznymi. Produktem końcowym tych procesów są paliwa, substancje chemiczne, polimery a także inne materiały. W procesach tych produkowana jest energia w kogeneracji. Schemat biorafinerii dwu-platformowej przedstawiono na rysunku 6.
 
 
 Rys. 6. Biorafineria „dwu-platformowa”.
Źródło: W. Soetaert: Defining biorefineries and different concepts. BioreFuture 2009. Biorefinery Euroview BIOPOL. Brussels 30 March 2009 r.
 
 
Źródła:
1.      Van Ree R., Annevelink, E.: Status Report Biorefinery 2007. www.biorefinery.nl. November 2007.
2.      Zwart, R.W.R.: Biorefinery – The worldwide status at the beginning of 2006. BioRef 0603. www.biorefinery.nl, July 2006.
3.      Soetaert W.: Defining biorefineries and different concepts. BioreFuture 2009. Biorefinery Euroview BIOPOL. Brussels 30 March 2009.
4.      Fagernäs L., Solantausta Y.: Lignocellulosic Biorefinery. BioreFuture 2009. Biorefinery Euroview BIOPOL. Brussels 30 March 2009.
5.      Söderholm P., Lundmark R.: The Development of Forest-based Biorefineries: Implication for Market Behavior and Policy. „Forest Product Journal” 1/2/2009.
6.      Fernando S., Adhikari S., Chandrapal C., Murali N.: Biorefineries: Current status. Challenges and Future Direction. „Energy Fuels” 4/2006.
7.      Wilén C., Kurkela E.: Gasification of Biomass for energy production – State of technology in Finland and global market perspectives. Technical Research Centre of Finland. ESPOO 1997.
8.      Sims R., Taylor M.: From first to second generation biofuels technologies – An overview of current industry and RD&D activities. International Energy Agency IEA Bioenergy. November 2008.
9.      Biorefinery Joint Call INFO DAY. Information Booklet. Brussels 16 September 2008.
10. Biernat K., Łuksa A.: Techniczne możliwości energetycznego wykorzystania odpadowych węglowodorów i ich mieszanin oraz tłuszczów pochodzenia roślinnego i zwierzęcego jako cieczy opałowych. Materiały konferencyjne I Krajowej Konferencji Sozologii Stosowanej nt.: „Odzysk, Recykling i Gospodarka Odpadami Zgodnie z Zasadami Zrównoważonego Rozwoju”. Warszawa 2003.
11. Biernat K.: Techniczne i środowiskowe uwarunkowania wykorzystania biomasy do celów energetycznych. VII Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna „Obieg Pierwiastków w Przyrodzie – Bioakumulacja, Toksyczność, Przeciwdziałanie, Integracja Europejska”. Warszawa 2007.
12. Dziołak P., Biernat K.: Badania nad technicznymi i technologicznymi możliwościami kompleksów biorafineryjnych w Polsce. Warsztaty Naukowe IEiB UKSW. Warszawa 2009.
13. Biernat K.: Demonstrative project of biorafinery using existing infrastructure of conventional oil refinery. Workshop: „Biorafinery Joint Call”. Bruksela 2008.
14. Biernat K.: Perspektywy rozwoju biopaliw i paliw alternatywnych. Paliwa ze źródeł odnawialnych i alternatywnych. Warsztaty i szkolenie PIPP. Warszawa 2007.
 
  Dofinansowano ze środków Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej