Emise skleníkových plynů a energetická náročnost výroby i použití bionafty

Veto prezidenta republiky k zákonu o větším využívání biopaliv jako aditiv do benzínu a nafty je natolik kontroverzní, že se redakce TT rozhodla předložit argumenty a fakta rozhodujících organizací. Věříme, že si čtenáři udělají vlastní názor. V tomto čísle proto předkládáme argumenty výrobní skupiny Agrofert. Bionafta je alternativní biopalivo používané pro pohon vznětových motorů a nahrazuje motorovou naftu, vyráběnou z fosilní suroviny, tj. z ropy. Bionafta jsou metylestery vyšších mastných kyselin (FAME), z nichž nejrozšířenější jsou metylestery kyselin řepkového oleje (MEŘO) a vyrábějí se přeesterifikací řepkového oleje metanolem. Hlavním důvodem výroby tohoto paliva je náhrada vyčerpatelných přírodních ropných zdrojů a využití obnovitelných surovin. Výroba bionafty má v ČR již téměř 20letou historii, neboť první výrobní jednotka byla uvedena do provozu v roce 1991 v Chemofarmě Ústí nad Labem. Během této doby se řešila řada aspektů výroby a použití bionafty a docházelo ke konfrontaci názorů, z nichž mnohé probíhají i v současné době. Jde o technické aspekty jako jsou kvalitativní parametry, optimalizace technologie výroby, vliv paliva na motorovou soustavu, energetická náročnost výroby aj. Dále jde o ekologické aspekty jako je biologická rozložitelnost, emise skleníkových plynů, rozsah pěstování řepky aj., a o aspekty ekonomické, tj. výrobní náklady, cena, státní podpory, konkurence potravinám aj. Účelem tohoto článku je podrobněji a zřetelněji ukázat na dva významné aspekty výroby a užití bionafty, tj. emise skleníkových plynů a energetickou náročnost, které se v poslední době staly předmětem kritických a ne vždy objektivních publikací v českých sdělovacích prostředcích. Rozsah výroby a spotřeby bionafty v ČR Rozvoj spotřeby bionafty by měl vycházet ze směrnic Evropského parlamentu a Evropské rady, která na období 2005 až 2010 stanovila pro členské země v směrnici č. 2003/30/ES indikativní ukazatelé spotřeby biopaliv pro silniční dopravu ve výši 2 % eo v roce 2005, s lineárním nárůstem na 5,75 % obj. v roce 2010, což odpovídá obsahu 2,2 a 6,3 % objemových. Povinný přídavek biopaliv do motorových paliv byl v ČR stanoven zákonem, a to bionafty do motorové nafty ve výši 2 % obj. v roce 2008, ve výši 4,5 %obj. v roce 2009 a od 1.07.2010 ve výši 6,0 % obj., což se blíží stanovené hodnotě EU a odpovídá spotřebě 224 000 t bionafty. Pro období 2010 až 2020 je směrnicí Evropského parlamentu a Evropskou radou č. 2009/28/ES „O využívání energie z obnovitelných zdrojů“ stanoven vzrůst podílu biopaliv v motorových palivech pro silniční dopravu postupně na 10 %. Směrnice vychází hlavně z toho, že dovoz ropných surovin ohrožuje bezpečnost dodávek, nové investice zvyšují zaměstnanost, obnovitelné zdroje snižují emise skleníkových plynů. Uvedená směrnice EU stanovuje i podmínky, které musí být dodrženy při výrobě biopaliv z hlediska ochrany životního prostředí. Jedná se o následující kritéria udržitelnosti: l Úspora skleníkových plynů při výrobě a použití biopaliva musí být min. 35% v roce 2011, min. 50% v roce 2017 a 60% u nových kapacit od roku 2017. l Suroviny pro výrobu biopaliva nesmí být z půdy s vysokou biologickou rozmanitostí. l Suroviny pro výrobu biopaliva nesmí být z půdy s velikou zásobou uhlíku. l Suroviny pro výrobu biopaliva nesmí být z půdy, která byla rašeliništěm. l Při pěstování suroviny pro výrobu biopaliva musí být dodrženy normy EU o zemědělské činnosti č. 73/2009. Na základě těchto kritérií udržitelnosti budou certifikovány všechny výrobní jednotky biopaliv a povolen provoz pouze těch, která budou splňovat kriteria udržitelnosti. Pro dosažení náhrady klasické motorové nafty bionaftou v roce 2020 ve výši 10 % eo, tj. 11,0 % obj. by v ČR činila spotřeba bionafty 438 000 t, při předpokládané spotřebě 3,8 mil. t motorové nafty. K zabezpečení požadovaného objemu bionafty je nutné příslušné množství základní suroviny a odpovídající výrobní kapacity. Hlavním biopalivem v ČR je a mělo by být MEŘO, t.j bionafta na bázi řepky. V ČR se pěstuje řepka olejná na 300 až 350 000 ha s produkcí cca 1 mil./rok řepkových semen při výnosech 3-3,2 t/ha. Osevní plochy zaujímají 12 - 14 % z celkové orné půdy, při čemž 300 000 ha je ponecháno ladem, neboť není odbyt na zemědělské produkty. Použití řepky pro výrobu bionafty nekonkuruje a neomezuje výrobu zemědělských surovin pro výživu a jednoznačně přispívá k využití orné půdy, ke zvýšení produkce a zaměstnanosti v zemědělství. V roce 2020 by při stávajících osevních plochách 350 000 ha a při předpokládaném zvýšení hektarového výnosu na 3,6 t/ha činila produkce řepkových semen 1,260 mil.t. Prioritním užitím olejnatých semen je výroba potravinářských výrobků. Pro tento účel se v ČR ročně spotřebuje cca 100 000 t rostlinných olejů, což odpovídá spotřebě 260 000 t řepkových semen. Pro výrobu bionafty je možné počítat se spotřebou 1 mil. t/rok řepkových semen, což odpovídá produkci 380 t/rok bionafty. Bez dalšího zvyšování osevních ploch je možné náhradu motorové nafty, požadovanou směrnicí EU, zabezpečit výrobou bionafty z tuzemské řepky ve výši 380 t/ rok, což je přepokládaná spotřeba v roce 2018, čemuž i korespondují současné výrobní kapacity bionafty, které jsou realizovány v STZ Ústí nad Labem, v KREOLU Lovosice, v Agropodniku Jihlava, v PRIMAGRA Milín a OLEO CHEMICAL Liberec. Pro celkovou spotřebu 438 000 t biopaliv v roce 2020 je nutné zabezpečit min. 58 000 t buď biopalivy 2. generace (uhlovodíky z biomasy aj.), dovozem rostlinných olejů, nebo zvýšením osevních ploch řepky o cca 40 000 ha. Zdá se nám účelné používat MEŘO jako povinný přídavek do motorové nafty ve stávajícím objemu, tj. 6 % obj. a ostatní množství využít pro výrobu směsné bionafty s obsahem 31 % MEŘO, pro pohon specializovaných dopravních prostředků. Emise skleníkových plynů při výrobě a použití bionafty Skleníkové plyny se považují za příčinu oteplování planety a vzniku problémů z toho vyplývajících. Hlavním skleníkovým plynem je oxid uhličitý (CO2), jehož obsah se v zemské atmosféře zvyšuje v důsledku používání fosilních uhlíkatých surovin (uhlí, ropa, zemní plyn). Dalšími skleníkovými plyny jsou oxid dusný (N2O) a metan (CH4). Jedním ze způsobů snížení emisí skleníkových plynů je náhrada fosilních uhlíkatých surovin obnovitelnými surovinami vznikajících fotosyntézou z oxidu uhličitého. Jedním z hlavních způsobů náhrady fosilních uhlíkatých surovin je výroba biopaliv z biomasy. Do této kategorie se řadí i výroba a užití bionafty, jako náhrada motorové nafty vyrobené z ropy, případně z uhlí. Teoreticky je při použití biopaliv bilance oxidu uhličitého nulová. To znamená, že oxid uhličitý, který vzniká spálením biopaliva se neakumuluje v atmosféře, ale využije se při fotosyntéze nové biomasy, z níž bylo biopalivo vyrobeno. Prakticky se však při výrobě biopaliva spotřebuje fosilní energie a různé produkty, které jsou zdrojem oxidu uhličitého a dalších skleníkových plynů. Je proto důležité znát množství emisí, které produkuje výroba a použití biopaliv a míru úspor skleníkových plynů oproti fosilním palivům. Emise skleníkových plynů se zpravidla vyjadřují v g CO2eq/MJ nebo v kg CO2eq/t. CO2eq je suma množství jednotlivých skleníkových plynů vynásobené stanoveným koeficientem, který je pro oxid uhličitý = 1, pro oxid dusný = 296, pro metan = 23. Do emisí skleníkových plynů se zahrnují veškeré emise vzniklé při pěstování biomasy, nebo dobývání fosilní suroviny, emise vzniklé při zpracování suroviny na palivo a emise produkované při spalování paliva, tj. celý životní cyklus. Emise skleníkových plynů jsou specifické pro každou konkrétní výrobní jednotku a závisí na způsobu pěstování řepky, výnosech a ošetření semen, na technologii a kapacitě zpracování semen na olej a zpracování oleje na MEŘO, na využití vedlejších produktů jako je sláma, šroty, tukové látky, glycerin aj. Pro získání reálných údajů jsou propočteny emise skleníkových plynů pro konkrétní výrobní jednotky instalované v ČR podle metodiky uvedené ve směrnici EU 2009/28/ES, které zahrnují emise celého životního cyklu biopaliva od pěstování suroviny až po výdejní stojan ( Well-to-Wheel), s použitím alokačního principu dle energetického obsahu. Celkové emise byly vypočteny dle vzorce: E = e cc + ep + etd + eu ecc = emise z pěstování řepky ep = emise ze zpracování etd = emise z přepravy a distribuce eu = emise z použití (spalování) Emise z pěstování řepky zahrnují emise z výroby použitých hnojiv, osiva, chemikálií na ošetření porostů, ze spotřebovaných pohonných hmot, ze sušení a skladování semen. Byl použit údaj uvedený ve směrnici EU ve výši 29 gCO2eq/MJ. Emise ze zpracování zahrnují emise z výroby elektřiny, páry a chemikálií, spotřebovaných při výrobě řepkového oleje z řepkových semen na výrobní jednotce s kapacitou 400 kt/rok semen, používající technologii předlis - extrakce a rafinaci oleje metodou superodslizením a alkalickou neutralizací. Dále zahrnují emise z výroby MEŘO na výrobní jednotce s kapacitou 100 kt/rok s kontinuální přeesterifikací řepkového oleje bezvodým metanolem, katalyzovanou metanolátem sodným a produkující 80% glycerin. Emise z přepravy a distribuce byly převzaty ze směrnice EU ve výši 1,0 g CO2eq/MJ. Emise z použití MEŘO jako motorového paliva jsou nulové. V porovnání s motorovou naftou, při jejíž výrobě a použití činí emise skleníkových plynů 83,6 gCO2eq/MJ, jsou celkové úspory emisí skleníkových plynů z výroby a užití MEŘO 38,2 gCO2eq /MJ, což je 45,7 %. Tyto úspory jsou vyšší než kritérium udržitelnosti 35 %, stanovené EU. Nejvyšší podíl na emisích má pěstování řepky – 64 %. Vlastní výroba MEŘO se na celkových emisích podílí pouze 22 %. Použitá metodika nepočítá s využitím řepkové slámy cca 5,4 t/ha, která se v současné době zaorává a pozitivně působí na zlepšení kvality půdy vnesením minerálních prvků, tvorbou humusu a zlepšením její struktury. Řepkovou slámu lze perspektivně použít i jako ekologické energetické palivo. V případě využití řepkové slámy lze část emisí vznikající při pěstování řepky přenést (alokovat) na slámu, a to v množství cca 50 %, tj. 536 gCO2eq/kg, resp. 14,5 gCO2eq/MJ. V tomto případě klesnou celkové emise ze 45,4 na 30,9 gCO2eq/MJ a úspory skleníkových plynů v porovnání s motorovou naftou vzrostou z 38,2 na 52,7 gCO2eq/MJ, tj. na 63 %. Energetická náročnost výroby bionafty je suma všech energií potřebných na těžbu nebo pěstování základní suroviny a její přepracování na konečné palivo, vztažená na hmotnostní jednotku (GJ/t), nebo na jednotku energetického obsahu paliva (GJ/GJ). Náročnost výroby bionafty byla propočtena na základě energetické bilance celého výrobního cyklu výroby MEŘO zahrnující pěstování řepky, produkci oleje a výrobu MEŘO. Energetická bilance je specifická pro každou výrobní jednotku a závisí na řadě faktorů, uvedených výše. Bilance je propočtena pro jednotku instalovanou v ČR o kapacitě 100 kt/rok MEŘO a 10 kt/rok surového glycerinu při použití technologie uvedenou v odstavci 3. Celková energetická bilance výroby jedné tuny MEŘO je uveden v tabulce. Spotřeba energie na pěstování řepky v ČR není známa, proto byly použity údaje publikované pro SRN zohledněné pro nižší výnos řepkových semen, tj. 3,0 t/ ha místo 3,6 t/ha. Ve spotřebě energií na výrobu oleje a výrobu MEŘO jsou použity údaje fy DeSMET-BALLESTRA pro jednotku instalovanou v ČR a zahrnují spotřebu elektrické energie, páry, energetický obsah spotřebovaných chemikálií, včetně metanolu. Získaná energie je propočtena dle energetického obsahu jednotlivých výstupních produktů, do nichž není započtena energie řepkové slámy. Z energetické bilance celého cyklu výroby jedné tuny MEŘO vyplývá, že z vložené energie ve výši 21,0 GJ se produkují výrobky s celkovým energetickým obsahem 61,4 GJ, což je téměř trojnásobek vložené energie. Při pěstování řepky se kromě semen produkuje sláma v množství cca 4,3 t/t MEŘO, která se v současné době zaorává. Při jejím perspektivním využití se může zvýšit energetický zisk výrobního cyklu o 60 GJ/t MEŘO, tj. na 121,4 GJ/t, což je téměř šestinásobek vložené energie. Energetická náročnost výroby MEŘO byla propočtena na základě výše uvedené energetické bilance celého cyklu výroby MEŘO. Spotřeba energie v jednotlivých fázích výroby byla alokována (převedena) na vyrobené produkty proporcionálně jejich celkovému energetickému obsahu. Energetická náročnost výroby MEŘO ve výše specifikované výrobní jednotce je 13,6 GJ/t, resp. 0,37 GJ/GJ a spotřebovaná energie se zhodnotí 2,7krát. Při započtení do energetické bilance energetického obsahu řepkové slámy pak energetická náročnost výroby MEŘO klesne na 9,5 GJ/t, resp. 0,26 GJ/GJ a vstupní energie je zhodnocena 3,7krát. Pro informaci uvádíme, že energetická náročnost výroby klasické motorové nafty je dle údajů firmy Shell 6,0 GJ/GJ. Bionafta je vhodné alternativní palivo pro pohon vznětových motorů a její použití se dlouhodobě uplatňuje na trhu ČR a v ostatních zemích EU. Její použití snižuje riziko dodávek importovaných fosilních surovin pro výrobu motorových paliv a umožňuje využití domácích surovin. Zvyšuje využití orné půdy v ČR, jejíž část zůstává nevyužita a zvyšuje zaměstnanost. Bionafta vyrobená v moderních velkokapacitních výrobnách, které jsou instalovány v ČR, snižuje emise skleníkových plynů o cca 45 %. Při výrobě bionafty se vložená energie zhodnotí cca 2,7krát a při perspektivním využití řepkové slámy 3,7krát. Potenciální zvýšení spotřeby bionafty dle směrnic EU je možné zajistit na současných výrobních kapacitách a z tuzemské řepky v celkové výši 9 % obj., tj. cca 380 t/rok do roku 2018. Poté je nutné použití jiných alternativních paliv, např. biopaliv 2. generace biovodíku, bioplynu, elektrické energie z obnovitelných surovin. Je účelné povinné přidávaní bionafty do motorové nafty zachovat v současném rozsahu, tj. 6 % obj. a další zvyšování použití bionafty řešit výrobou a spotřebou vícekoncentrovaného paliva např. směsné bionafty s obsahem 31 % MEŘO. Bionafta není při současných cenách ropy konkurenční tržní produkt a její spotřeba je závislá na rozhodnutí státních orgánů. Na volném trhu se bionafta může uplatnit při ceně ropy nad 150 USD/barel. Ing. Jiří Souček, CSc.