Biogoriva

Biogoriva su goriva koja se dobivaju preradom biomase, a mogu biti proizvedena neposredno iz biljaka ili posredno iz industrijskog, komercijalnog, domaćeg i poljoprivrednog otpada. Postoje tri osnovne metode proizvodnje biogoriva. Prva se temelji na spaljivanju suhog organskog otpada  (kućanskog otpada, industrijskog i poljoprivrednog otpada, slame, drva i treseta). Zatim je tu fermentacija mokrog otpada (gnojiva životinjskog podrijetla) bez prisutnosti kisika kako bi se proizvelo biogorivo sa čak 60% metana te fermentacija šećerne trske ili kukuruza kako bi se proizveo alkohol i esteri. Konačno, tu je i energija koja je dobivena šumarstvom, odnosno uzgojem brzorastućeg drveća za proizvodnju goriva. Međutim, svakako je najpoznatija fermentacija, čiji su produkti dvije najpoznatije vrste biogoriva: alkohol i esteri. Oni bi teoretski mogli zamijeniti fosilna goriva, ali budući da bi bila potrebna prilagođavanja strojeva, najčešće se koriste u mješavini s fosilnim gorivima.

Biogoriva imaju potencijal usmjeren smanjivanju produkcije ugljičnog dioksida CO₂. To se prvenstveno temelji na činjenici da biljke, iz kojih se proizvode biogoriva, apsorbiraju CO₂ prilikom svog rasta, koji se pak oslobađa prilikom sagorijevanja biogoriva. Međutim, budući da je energija potrebna za rast i uzgoj biljaka te njihovu pretvorbu u biogoriva i zatim distribuciju, posve je jasno kako se oslobađa dodatna količina ugljičnog dioksida. Emisije ugljičnog dioksida koji se oslobađa prilikom proizvodnje i distribucije biogoriva se mogu izračunati pomoću tehnike nazvane "Life Cycle Analysis (LCA)" koja se temelji na praćenju i izračunavanju emisije CO₂ od početka rasta biljke, odnosno stavljanja sjemenke u zemlju pa do ispuštanja plina tijekom izgaranja u motoru automobila. Urađene su različite studije za različita biogoriva, čiji su rezultati također bili različito diferencirani. Većina LCA studija pokazalo je kako biogoriva u usporedbi sa fosilnim gorivima stvaraju znatno manje količine štetnih stakleničkih plinova te bi njihova uporaba, odnosno zamjena fosilnih goriva značila značajnu redukciju efekta staklenika.
Postoje različite vrste biogoriva koje se dijele na prvu i drugu generaciju ovisno o izvoru materijala za proizvodnju, troškova proizvodnje, cijeni i emisiji CO₂. Prva generacija biogoriva se temelji na proizvodnji iz šećera, škroba, biljnih ulja ili životinjskih masti, dok se za proizvodnju druge generacije koriste poljoprivredni i šumski otpad.

 

PRVA GENERACIJA BIOGORIVA

Već je spomenuto kako prva generacija biogoriva nastaje iz različitih biljnih i životinjskih tvari. Najpoznatije vrste prve generacije biogoriva su etanol, biodizel i bioplin.

• ETANOL - Etilni alkohol ili etanol, C2H5OH, je prozirna, bezbojna tekućina, specifičnog okusa i karakterističnog ugodnog mirisa. Najčešće se nalazi u alkoholnim pićima kao što je pivo, vino i konjak. Zbog niske temperature ledišta korišten je kao tekućina u termometrima na temperaturi ispod -40 °C (-40 °F), te kao antifriz u automobilima. Etanol je najčešće koncentriran destilacijom razrijeđene otopine. Etanol koji se koristi u komercijalne svrhe sadrži 95% etanola i 5% vode. Ovaj ostatak vode se može oduzeti pomoću određenog enzima te na taj način nastaje apsolutni etanol. Najstariji način proizvodnje etanola jest fermentacija šećera. Sva alkohola pića i više od polovice industrijskog etanola još se uvijek dobiva na isti način. Škrob koji se nalazi u krumpiru, kukuruz i ostale žitarice uz pomoć enzima kvasca i drugih enzima pretvara se u etanol i ugljični dioksid. Glavna metoda proizvodnje etanola je DRY-MILL metoda koja se provodi kroz nekoliko faza:

• Kukuruz ili neka druga žitarica se melje i dobiva prah
• Mješavina sastavljena od tog žitnog praha, vode i enzima ulazi u visokotemperaturnu peć gdje se pretvara u tekuće stanje. Tom procesu potpomaže enzim koji otapa žitne spojeve.
• Tekućina je ohlađena i miješa se s drugim enzimom. Taj enzim pretvara škrob u šećer, koji kasnije fermentira i pretvara se u alkohol.
• U šećernu mješavinu se dodaje kvasac pri čemu započinje proces fermentacije. Šećer se otapa na etanol i ugljik dioksid.
• Nakon fermentacije iz mješavine se odvaja etanol
• Od odvojenog etanola se procesom dehidracije uklanja voda
• U etanol se dodaje mala količina benzina da bi ga se učinilo nepitkim.

Slika 1. Kemijski spoj EtanolaSlika 2. Etanol kao gorivo
 

 

• BIODIZEL - Biodizel je prvi od alternativnih goriva koje je postalo poznato široj publici te je najraširenije biogorivo u Europi. Proizvodi se iz ulja ili masti procesom transesterifikacije te je u ustroju slično mineralnom dizelu. Ulja se miješaju sa natrijevim hidroksidom i metanolom ili etanolom, a kao produkti te kemijske reakcije nastaju biodizel i glicerol. Na deset dijelova biodizela nastane jedan dio glicerola. Biodizel može biti korišten u svakom dizelovom motoru kada se pomiješa s mineralnim dizelom.

Slika 3 i 4. Biodizel dobiven iz raznih poljoprivrednih kultura
 

DRUGA GENERACIJA BIOGORIVA

Druga generacija biogoriva dobivena je preradom poljoprivrednog i šumskog otpada. Za razliku od prve generacije, biogoriva ove generacije znatno bi mogla reducirati emisiju CO₂, a uz to ne koriste izvore hrane kao temelj proizvodnje i neke vrste osiguravaju bolji rad motora. Biogoriva druge generacije koja su trenutačno u proizvodnji su: biohidrogen, bio – DME, biometanol, DMF, HTU dizel, Fischer – Tropsch dizel i mješavine alkohola.

• BIOHIDROGEN - Ova vrsta biogoriva mogla bi biti najzastupljenija u budućnosti, budući da je obnovljiva, ne uzrokuje emisiju stakleničkih plinova pri sagorijevanju, već oslobađa energiju te se lako pretvara u električnu energiju pomoću ćelija za gorivo. Kod proizvodnje biohidrogena uz pomoć fotosintetičkih mikroorganizama, potreban je jednostavan solarni reaktor, kao prozirna zatvorena kutija i neznatni energijski izvor. Elektrokemijska proizvodnja biohidrogena pomoću solarne baterije zahtijeva, međutim, jake energetske izvore. Postoje različiti procesi proizvodnje biohidrogena. Neke od njih su: biofotoliza vode pomoću mikroalgi ili cijanobakterija, proizvodnja biohidrogena uz pomoć određenih enzima (hidrogenaza, nitrogenaza), proizvodnja pomoću fotosintetskih bakterija, kombinacija fotosintetskih i anaerobnih bakterija kod proizvodnje. Sama proizvodnja biohidrogena je najzahtjevnija s obzirom na okoliš. Budućnost ovog procesa ovisi ne samo o poboljšanjima na temelju istraživanja, već i o ekonomskim zahtjevima, društvenoj prilagodljivosti i razvitku hidrogenskog energijskog sustava.

• BIO - DME - jako je sličan biometanolu, a  može se proizvesti neposredno iz sintetičkog plina, koji je još uvijek u razvitku. Međutim, u kemijskoj industriji, DME se proizvodi iz čistog metanola procesom katalitičke dehidracije, kojom se kemijski razdvaja voda od metanola. Ovakav metanol može se proizvesti iz ugljena, prirodnog plina ili biomase. Često se produkcija metanola i DME obuhvaća jednim procesom. Tek nedavno se na DME počelo gledati kao na mogući izvor goriva. Zbog svoje niske temperature sagorijevanja i visokog oktanskog broja pogodan je kao gorivo u dizelskim motorima. Iako ne potiče koroziju metala (kao bioetanol i biometanol), DME utječe na određene vrste plastike i gume nakon određenog vremena. Na sobnoj temperaturi je u plinovitom stanju, dok u tekuće prelazi ukoliko je tlak iznad 5 bara ili na temperaturi nižoj od -25 °C.

• BIOMETANOL - također može biti proizveden iz sintetičkog plina, koji se dobiva iz biomase. Može se koristiti kao zamjena nafte u paljenju motora na iskru zbog visokog oktanskog broja. Baš kao i kod bioetanola, kod upotrebe ovog goriva trebali bi u obzir uzeti niski tlak isparavanja, nisku energiju gustoće i nekompatibilnost s materijalima u motoru. 10 – 20% biometanola pomiješanog s naftom može se koristiti u motorima bez potrebe za njihovom modifikacijom. Budući da biometanol gori nevidljivim plamenom i znatno je otrovan, treba prilikom uporabe poduzeti stroge mjere opreza.

 

• DMF - DMF ili dimetilformamid je organski spoj, može se miješati s vodom i većinom organskih spojeva. Također se često koristi kao otopina u kemijskim reakcijama. Dobiva se procesom reakcije dimetil amina i ugljičnog monoksida pri niskom tlaku i temperaturi. Svoju upotrebu, osim kao gorivo, pronalazi u farmaciji, proizvodnji pesticida, sintetičkih vlakana i sličnih materijala. Smatra se kako DMF uzrokuje rak u ljudi te također neke mane prilikom rođenja.

 

• MJEŠAVINE ALKOHOLA - Sintetički plin, mješavina ugljikovog monoksida i vodika, može se proizvesti iz biomase kroz niz termalnih procesa, kao isparavanje. Katalitičkim reakcija se može pretvoriti u goriva, kao etanol i kemikalije velike vrijednosti, kao propanol i butanol. Trenutačni katalizatori za sintezu "miješanih alkohola" su proizvedeni za sintetički plin dobiven iz ugljena ili pare metana. Međutim, oni nisu baš najbolje rješenje te se pokušavaju proizvesti poboljšani katalizatori koji bi usavršili proizvodnju ove vrste biogoriva.

TREĆA GENERACIJA BIOGORIVA
 
Biogoriva treće generacije su biogoriva proizvedena iz algi. Na temelju laboratorijskih ispitivanja alge mogu proizvesti i do trideset puta više energije po hektaru zemljišta od žitarica kao što su soja. Sa višim cijenama fosilnih goriva, postoji dosta veliko zanimanje za uzgoj algi. Jedna od velikih prednosti ovakvog biogoriva je u tome što je biorazgradivo, tako da je relativno bezopasno za okoliš ako se prolije.
Biogoriva, kao obnovljivi izvor energije, od posebnog su interesa za gospodarstvo u cjelini budući da mogu zamijeniti fosilna goriva za prijevoz, koja predstavljaju značajan izvor emisija stakleničkih plinova, a u ukupnoj potrošnji energije sudjeluju s više od 30 %, uz stalnu tendenciju rasta. Za ispunjavanje međunarodnih obveza u ostvarivanju ciljeva održivog razvoja iz oblasti prijevoza i usklađivanje nacionalne regulative na području energetike i zaštite okoliša s pravnom stečevinom EU, jedna od zadaća domaćeg zakonodavstva je uređivanje područja proizvodnje i korištenja biogoriva u prijevozu.
U posljednjih deset godina Europska Komisija je donijela niz dokumenata i propisa kojima uređuje održivi sustav mjera kojima će zemlje članice poticati ostvarenje zajednički ciljeva. Direktiva 2009/28/EZ Europskog parlamenta i Vijeća od 23. travnja 2009. o promicanju uporabe energije iz obnovljivih izvora energije i dopuni te naknadnom ukidanju Direktive 2001/77/EZ i Direktive 2003/30/EZ definira ciljeve i obveze zemalja članica u području promocije i korištenja obnovljivih izvora energije u neposrednoj potrošnji električne energije, grijanja i hlađenja, i goriva za prijevoz. Direktiva postavlja zemljama članicama cilj od minimalno 10% udjela energije iz obnovljivih izvora energije u ukupnoj energiji utrošenoj za potrebe prijevoza do 2020.
 
 
 
U odnosu na fosilna goriva, kod biomase je manja emisija štetnih plinova i otpadnih voda. Računa se da je opterećenje atmosfere s CO₂ pri korištenju biomase kao goriva zanemarivo, budući da je količina emitiranog CO₂ prilikom izgaranja jednaka količini apsorbiranog CO₂ tijekom rasta biljke. Dodatne su prednosti zbrinjavanje i iskorištavanje otpada te ostataka iz poljoprivrede, šumarstva i prerade drva, smanjenje uvoza energenta, ulaganje u poljoprivredu i nerazvijena područja.
Izgaranjem biomase dobiva se toplinska energija za grijanje u industriji i kućanstvima, a paralelno je moguće dobivati električnu energiju. Takvi sustavi, suproizvodnje toplinske i električne energije, uz uvjet da toplinska energija, u većem dijelu bude iskorištena,  imaju visoku energetsku učinkovitost.
Glavna je prednost biomase u odnosu na fosilna goriva manja emisija štetnih plinova i otpadnih voda. Dodatne su prednosti zbrinjavanje i iskorištavanje otpada i ostataka iz poljoprivrede, šumarstva i drvne industrije, smanjenje uvoza energenta, ulaganje u poljoprivredu i nerazvijena područja i povećanje sigurnosti opskrbe energijom. Predviđa se da će do sredine stoljeća u svijetu udjel biomase u potrošnji energije iznositi između 30 i 40 posto.
Korištenje šumske biomase, uglavnom ogrjevnog drva,  u Republici Hrvatskoj ima dugu tradiciju. Još se 1965. iz biomase zadovoljavalo oko 1/4 energetskih potreba. Danas, iako RH raspolaže s značajnim potencijalom biomase za proizvodnju energije (toplinska energija, električna energija, biogoriva), radi pomanjkanja tržišta i zamjene drugim energentima koje uvozimo (plin, nafta-loživo ulje, struja) te nedostatka ekološke svijesti o prednosti obnovljivih izvora energije (OIE) to korištenje se svelo na svega 4,3 %.
Ozbiljniji početak iskorištavanja biomase u Hrvatskoj kao energenta trenutno je vezan uz drvnu industriju, što je logično kada se uzme u obzir da koriste vlastiti nusproizvod čime postižu rentabilnost. Trenutno u Hrvatskoj imamo dvije toplane na šumsku biomasu, u Ogulinu (1995.) i Gospiću (2002.) Proteklih par godina uz potporu Fonda za zaštitu okoliša i energetsku učinkovitost u drvnoj industriji počela je zamjena kotlova na fosilna goriva sa kotlovima na biomasu.
Biomasa je nedavno nadišla hidroelektričnu energiju kao najveći izvor obnovljive energije diljem svijeta. Lokalno sakupljana, uvijek dostupna – jeftina goriva biomase su doprinijela razvoju bojlera na biomasu koji su postali vodeći elementi u sustavima grijanja na obnovljivu energiju.