Zielone paliwo

Każdy pomysł związany z ochroną środowiska będzie budził pozytywne emocje i wywoływał poklask. Jeżeli ponadto do tego typu działań przystępuje polska firma, to dodatkowo możemy być dumni. PKN Orlen, największa spółka paliwowa w Polsce i jedna z największych w Europie, realizuje projekt badawczo-rozwojowy dotyczący alternatywnych źródeł pozyskania biokomponentów wyższej generacji. Na terenie Zakładu Produkcyjnego w Płocku powstanie stacja doświadczalna, w której będą hodowane glony z wykorzystaniem dwutlenku węgla oraz wód poprodukcyjnych z rafinerii. Innowacyjny projekt badawczo-rozwojowy ma za zadanie opracowanie technologii produkcji biokomponentów z glonów olejowych i okrzemek bałtyckich w warunkach pracy rafinerii. Tego typu działania są elementem realizacji polityki dbałości o jakość środowiska, jak również celów w zakresie biopaliw wyznaczonych Dyrektywą o Odnawialnych Źródłach Energii (RED) na 2020 rok^[1]. W ramach projektu na terenie Zakładu Produkcyjnego w Płocku zostanie wybudowana przenośna, pilotowa stacja doświadczalna do hodowli glonów, w której wykorzystany zostanie gaz bogaty w dwutlenek węgla, pochodzący z jednej z instalacji rafineryjnych oraz wody poprodukcyjne. Obecnie w ramach projektu realizowane są badania nad wyselekcjonowaniem odpowiednich gatunków glonów i taksonów okrzemek. Wyprodukowany w płockiej rafinerii olej z glonów i okrzemek będzie badany pod kątem produkcji estrów, jak również biokomponentów syntetycznych. Badaniom poddane zostaną wytłoczyny glonowe w kierunku zgazowania i fermentacji biogazowej, a pozostałość masy organicznej z okrzemek - w kierunku polimerowym. Działania te mają pozwolić w przyszłości na komercjalizację technologii i umożliwienie produkcji biopaliw z glonów w oparciu o potencjał techniczny rafinerii w Płocku, jak również implementację rozwiązania do instalacji przemysłowych generujących CO₂ w innych zakładach, co niewątpliwie przyczyni się do zmniejszenia emisji dwutlenku węgla. Zgodnie z wytycznymi znowelizowanej Dyrektywy ustanawiającej wytyczne dla biopaliw w transporcie, biokomponenty wytworzone z glonów mogą być zaliczane podwójnie do celów przedmiotowej Dyrektywy na 2020 r., która wyznacza 10% udział biokomponentów i innych paliw odnawialnych w paliwach transportowych, jednocześnie ograniczając udział biokomponentów wyprodukowanych z surowców żywnościowych maksymalnie do 7%.

Czy algi mogą rozwiązać nasz problem z energią i zanieczyszczeniami poprzez dostarczanie czystej energii odnawialnej? Czym są i czym charakteryzują się algi?

Algi (glony) to ogólna nazwa plechowatych, najczęściej samożywnych roślin zarodnikowych, żyjących w środowisku wodnym i wilgotnych miejscach. Ciało alg stanowi jednorodna lub zbudowana z mało zróżnicowanych komórek plecha o wielkości od kilku mikronów do dziesiątek metrów, często przybierająca kształt przypominający liście lub łodygi służące do pochłaniania pokarmu z otoczenia oraz korzeń mocujący roślinę do podłoża. Algi żyją we wszystkich strefach geograficznych, ale ich największe okazy występują na półkuli północnej, gdzie rocznie wydobywa się ich około 1,5 mln t. Organizmy te żyją zarówno w wodach słodkich, jak słonych; chłodnych i ciepłych. Do najczęściej wydobywanych i wykorzystywanych alg należą:

Algi charakteryzują się bardzo szybkim wzrostem, pozwalają też na bardzo efektywne wykorzystanie terenu. Z jednostki powierzchni można uzyskać 30 razy więcej energii niż z biopaliw I czy II generacji. Dla przypomnienia –biopaliwa I generacji otrzymujemy z roślin uprawnych, takich jak: kukurydza, trzcina cukrowa, rzepak czy buraki cukrowe i inne. Z kolei biopaliwa II generacji otrzymujemy z materiałów, które nie stanowią żadnej konkurencji dla żywności. Biopaliwami II generacji są przede wszystkim materiały pochodzenia drzewnego, słoma i inne odpady z produkcji rolnej.

Glony potrafią podwoić swoją masę w ciągu 24 godzin (w sprzyjających warunkach nawet w ciągu 3,5 h). W porównaniu z innymi roślinami mają krótki czas wzrostu - około 1-10 dni, dzięki czemu możliwe są wielokrotne zbiory (zamiast 1-2 razy w roku jak w przypadku tradycyjnych roślin uprawnych). Glony pochłaniają CO₂ (1 kg suchej masy glonów – ok.1,8 kg CO₂), dzięki czemu ogranicza się emisję tego zanieczyszczenia. Algi potrzebują do wzrostu źródeł węgla, azotu i fosforu, bo CO₂ zawarty w powietrzu nie jest dla nich wystarczający. Stąd pomysł lokalizacji hodowli alg w sąsiedztwie zakładów przemysłowych, elektrowni konwencjonalnych – po spaleniu paliwa dwutlenek węgla trafi do zbiornika z algami, gdzie posłuży im do wzrostu. W ten sposób równocześnie ogranicza się zanieczyszczenie powietrza przez CO₂ i umożliwia rozwój algom. Do ich uprawy doskonale nadają się nieużytki. Możliwe jest też wykorzystanie ścieków do produkcji glonów, dzięki czemu łączy się dwie korzyści - oczyszczanie wody zużytej ze związków azotu i fosforu, a także wytworzenie biomasy na cele energetyczne. Jest to bardzo obiecująca metoda dla ograniczenia kosztów związanych z zapotrzebowaniem na wodę i substancje odżywcze potrzebne do rozwoju alg. Hodowla alg może się odbywać w dwóch systemach: w zbiornikach otwartych lub fotobioreaktorach (system zamknięty). Biomasa pochodząca z glonów może być alternatywą dla tradycyjnej biomasy, a na co możemy ją przetworzyć przedstawia poniższy schemat:

Algi dostarczają też wielu cennych związków chemicznych i w związku z tym znalazły zastosowanie w przemyśle kosmetycznym i farmaceutycznym. W szczególności przetwory z glonów są używane w kosmetykach do nawilżania ciała, pielęgnacji i układania włosów oraz w preparatach do peelingu. Spotyka się je w formie ekstraktów i mączek. Ekstrakty wykorzystywane są zwykle w kremach, tonikach, szamponach, z kolei mączki (czyli wysuszone sproszkowane algi) stosuje się w maseczkach i kąpielach wyszczuplających.

Do produkcji biopaliw stosowane są różne typy alg. Mikroalgi - zawierające głównie olej, który można wykorzystać do produkcji biodiesla (w tym: zielone algi, złote algi, okrzemki, cyjanobakterie). Z kolei do produkcji bioetanolu najczęściej wykorzystywane są makroalgi, które zawierają głównie skrobię oraz celulozę. Zaliczają się do nich: brunatnice, wątkowce, krosnorosty i ramienice.

Poniżej porównanie surowców do produkcji biodiesla (wg Luisa Gouveia: Microalgae as a Feedstock for Biofuels, Springer 2011):

Wydajność produkcji biodiesla z alg jest 15-300 razy większa niż oleju opartego o tradycyjne uprawy.

W marcu 2013 roku po raz pierwszy do masowego odbiorcy trafiło paliwo z glonów. Klientom stacji paliwowych Propel w San Francisco i w kilku innych miastach stanu California (USA) oferowano oprócz konwencjonalnych paliw, biodiesel z 20% domieszką komponentu z glonów.

W Europie (według zaproponowanego przez Radę Branżową Unii Europejskiej do spraw Energii) poziom wykorzystania biopaliw konwencjonalnych (pierwszej generacji) w transporcie może maksymalnie osiągnąć 7%, resztę popytu (3%) powinny zaspokajać biopaliwa drugiej i trzeciej generacji (biomasa energetyczna z odpadów i glonów). Unia Europejska wycofuje się z promowania i dotowania upraw energetycznych, szczególnie upraw zbóż i roślin o potencjalnym spożywczym przeznaczeniu. Większe areały monokulturowe upraw energetycznych to jednocześnie więcej azotanów, fosforanów i środków ochrony roślin w środowisku. Przyczynia się to również do ograniczania bioróżnorodności, dlatego obecnie to odpady i glony są preferowaną biomasą do przetwarzania na energię w Europie.

Biomasę glonów można pozyskać na wiele sposobów. Teoretycznie najtańszym sposobem zagospodarowania odpadów, które mogą stać się surowcem, jest wykorzystanie biomasy zalegającej w akwenach i u wybrzeży zeutrofizowanych zbiorników wodnych (eutrofizacja to proces gromadzenia się materii organicznej spływającej w ściekach komunalnych i przemysłowych w środowisku, w tempie przekraczającym jej zasymilowanie). Niestety trudno w tym przypadku przewidzieć zakwit i zaplanować organizację zbierania, transportu, szybkiego wykorzystania. Dodatkowo materiał z plaż jest zanieczyszczony piaskiem i śmieciami oraz szybko podlega rozkładowi. Stąd, obecnie dominuje ukierunkowana hodowla glonów (zielenic i cyjanobakterii) w stawach otwartych lub fotobioreaktorach. Stawy otwarte to najtańsze warianty hodowlane – dostęp do wody z mórz lub oceanów oraz intensywne natężenie promieniowania słonecznego decydują o niskich kosztach eksploatacyjnych. Z kolei hodowla w zamkniętych bioreaktorach gwarantuje czystość produktu i kontrolę procesów, jednak koszty postawienia instalacji i zużywanej energii są duże. Cena produktu glonowego to koszt kilkuset złotych za kilogram.

W zależności od gatunku glonów, a co z tym związane od typu metabolizmu, organizmy te kumulują w komórkach różne materiały zapasowe, tj. lipidy, węglowodany, białka. Olej można otrzymać z glonów w wyniku tłoczenia i/ lub ekstrakcji, natomiast gatunki zasobne w białko lub cukry wykorzystuje się jako surowiec (kosubstrat) do fermentacji alkoholowej lub metanowej w gorzelniach i biogazowniach rolniczych. Coraz częściej glony wymienia się w kontekście pozyskiwania wodoru lub metanolu do ogniw paliwowych.

Światowym liderem energetycznego wykorzystania glonów w badaniach i działaniach komercyjnych są Stany Zjednoczone. W Europie zainteresowanie wykorzystaniem glonów jako surowca energetycznego przekłada się głównie na badania finansowane z budżetu Unii Europejskiej w ramach Programów Ramowych (6 i 7) i innych. W czerwcu 2009 roku powstała organizacja European Algae Biomass Association, do której należy kilkadziesiąt firm i uczelni europejskich prowadzących badania skierowane na wytwarzanie biopaliw z glonów.

W Polsce biomasa glonów (zielenice, brunatnice krasnorosty) pozyskiwana z plaż Trójmiasta nie zaspakajałaby zapotrzebowania biogazowni na biomasę (ilość biomasy glonów oszacowano średnio na 550 ton/sezon), dlatego poszukiwano innego źródła taniej biomasy roślinnej. W ciągu roku usuwana jest zielona biomasa z instalacji elektrowni wodnych i przepompowni województwa pomorskiego w ilości średnio 30 tys. ton, dlatego to źródło biomasy również włączono do badań. Idealnym wariantem hodowli glonów pod względem ekonomicznym wydaje się system korzystający z energii promieniowania słonecznego. Jednak by wzrost glonów był obfity potrzeba intensywnego promieniowania świetlnego i wielogodzinnej ekspozycji oraz temperatury nie spadającej poniżej 20°C, w przeciwnym razie wzrost glonów będzie nierówny i mało wydajny. Stąd największe plantacje glonów znajdują się na pustyniach lub przybrzeżnych wodach Stanów Zjednoczonych, Nowej Zelandii, Australii. W Europie farmy hodowlane powstają we Włoszech, Portugalii i Hiszpanii, bioreaktory w Niemczech i Austrii. Istnieją też hodowle glonów doświetlanych i dogrzewanych (otrzymywane w ten sposób szczepy glonów wykorzystywane są do wytwarzania kosmetyków oraz w farmacji; dodatkowe nakłady finansowe ponoszone na doświetlanie hodowli wkalkulowane są w cenę produktu). W przypadku biodiesla glonowego konkurencja cenowa z tradycyjnym biodieslem (i innymi paliwami) nie pozwala na dodatkowe nakłady finansowe. Dlatego wydaje się, że produkcja biomasy glonowej na skalę przemysłową, niezależnie od jej późniejszego kierunku przetwarzania (biodiesel, czy etanol) ma przyszłość jedynie tam, gdzie glony mogą korzystać z intensywnego naturalnego promieniowania świetlnego i wody niezdatnej do wykorzystania w innym celu. W skali lokalnej, szanse na powodzenie mają inwestycje korzystające z różnych dróg pozyskania surowca, nawet biomasa odpadowa zebrana z plaż może mieć znaczenie, pod warunkiem, że jest jej dużo. Wszystko to sprawia, że biomasa z alg może być jednym z najbardziej obiecujących paliw przyszłości. Obecnie na szeroką skalę testuje się organizmy zmodyfikowane genetycznie (zielenice i cyjanobakterie), z których łatwiej i taniej wyekstrahować cenne energetycznie substancje.

Zachęcam również do przeczytania (przypomnienia sobie) artykułu, o wykorzystaniu innych materiałów do produkcji biomasy, który był zamieszczony na łamach Buduj z Głową w IV kwartale 2011 r. ("Ekologicznie = ekonomicznie (część II)").

Miejmy nadzieję, że PKN Orlen uda się przekształcić projekt badawczo-rozwojowy w produkt w pełni komercyjny, przyczyniając się nie tylko do poprawy polityki proekologicznej w naszym kraju, ale i z zyskiem dla samej firmy.

^[1] Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/WE z dnia 23 kwietnia 2009 r. w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych zmieniająca i w następstwie uchylająca dyrektywy 2001/77/WE oraz 2003/30/WE (Dz.Urz.UE nr L 140 z 05.6.2009)