biopaliwo

Biopaliwo — paliwo wytwarzane z materii organicznej pochodzenia roślinnego i zwierzęcego ulegającej biodegradacji przy udziale mikroorganizmów oraz produktów przemiany materii organizmów żywych (biomasy). Biopaliwa pozyskiwane są z roślin spożywczych (np. rzepaku, lnu, soi, pszenicy, kukurydzy, buraka cukrowego, trzciny cukrowej) (tzw. biopaliwa I generacji); odpadów i pozostałości produkcji rolniczej, leśnej i przemysłowej lub gospodarki hodowlanej i komunalnej (np. słomy, zrębków drzewnych, wysłodków buraczanych, odchodów zwierząt, osadów ściekowych) (tzw. biopaliwa II generacji) oraz mikroorganizmów (np. sinic, glonów) (tzw. biopaliwa III generacji). Biopaliwa występują w formie pierwotnej (nieprzetworzonej) (np. rośliny energetyczne, drewno, słoma) bądź wtórnej (przetworzonej) jako biopaliwa stałe (np. węgiel drzewny, pellety słomiane), ciekłe (np. bioetanol, biodiesel) i gazowe (np. biogaz, gaz drzewny). Wykorzystywane są do przygotowania posiłków i ogrzewania pomieszczeń, produkcji energii elektrycznej oraz zasilania silników urządzeń i pojazdów mechanicznych.

Produkcja biopaliwa

Biopaliwa (ang. biofuels) są paliwami pozyskiwanymi z materii organicznej pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego oraz ubocznych produktów przemiany materii organizmów żywych (tzw. biomasy). Biomasa roślinna i zwierzęca ulega biodegeneracji, czyli procesowi biochemicznego rozkładu złożonych związków organicznych przy udziale mikroorganizmów saprobiontycznych (bakterii, grzybów). Spalanie biomasy i produktów jej rozkładu prowadzi do uwolnienia zawartej w niej energii chemicznej, którą wykorzystywana jest następnie do produkcji innych form energii – energii cieplnej, energii elektrycznej i energii mechanicznej.

Biopaliwa, w zależności od źródła biomasy, zróżnicowane są na:

• biopaliwa I generacji (biopaliwa konwencjonalne) – biopaliwa pozyskiwane z roślin spożywczych, takich jak rośliny oleiste (np. rzepak, len, soja, olejowiec gwinejski, palma kokosowa); rośliny zbożowe (np. kukurydza, pszenica, sorgo) oraz rośliny cukrodajne (np. burak cukrowy, trzcina cukrowa);
• biopaliwa II generacji (biopaliwa ulepszone) – biopaliwa pozyskiwane z odpadów lub pozostałości produkcji rolniczej, leśnej i przemysłowej, hodowli zwierząt i gospodarki komunalnej (np. słomy, makuchów, kompostu, zrębków drzewnych, wysłodków buraczanych, odchodów zwierząt, osadów ściekowych);
• biopaliwa III generacji (biopaliwa alternatywne) – biopaliwa pozyskiwane z glonów morskich lub innych mikroorganizmów (np. sinic) syntetyzujących oleje roślinne, hodowanych w zbiornikach otwartych (np. stawach) lub długich, przezroczystych zbiornikach wypełnionych wodą (tzw. fotobioreaktorach).

Światowy rynek biopaliw opiera się głównie na płynnych biopaliwach konwencjonalnych, takich jak bioetanol wytwarzany z nasion zbóż (kukurydzy), buraków cukrowych, trzciny cukrowej, zrębków drzewnych i odpadów komunalnych; oraz biodiesel wytwarzany z olejów roślinnych pozyskiwanych z roślin oleistych (rzepaku, lnu, soi, palmy olejowej). Największymi producentami bioetanolu są Stany Zjednoczone (57,5 mld ton) oraz Brazylia (35,6 mld ton); największym producentem biodiesla są kraje Unii Europejskiej (17,7 mld ton) (2022 r.).

Źródła biomasy roślinnej wykorzystywanej do produkcji biopaliw. Autor: Tatiana Liubimova/shutterstock.com

Klasyfikacja biopaliw

Podział biopaliw na poszczególne rodzaje może uwzględniać źródło pochodzenia biomasy roślinnej lub zwierzęcej  wykorzystanej do ich wytworzenia (np. biopaliwa konwencjonalne wytwarzane z roślin energetycznych, biopaliwa ulepszone wytwarzane z odpadów rolniczych lub przemysłowych) bądź technologię produkcyjną (np. biopaliwa wytwarzane w procesie beztlenowej fermentacji biomasy, biopaliwa wytwarzane w procesie transestryfikacji olejów roślinnych lub tłuszczów zwierzęcych). Główne systemy klasyfikacji biopaliw oparte są jednak na bezpośredniości ich wykorzystania oraz stanie skupienia produktów dostępnych na rynku.

Biopaliwa, w zależności od sposobu wykorzystania, zróżnicowane są na:

• biopaliwa pierwotne (biopaliwa nieprzetworzone) – biopaliwa naturalne używane bezpośrednio w celu wytworzenia ciepła do przygotowania posiłków i ogrzewania budynków lub produkcji energii elektrycznej, np. rośliny energetyczne, drewno opałowe, zrębki drewniane, słoma, pellety słomiane, pellety trocinowe;
• biopaliwa wtórne (biopaliwa przetworzone) – biopaliwa powstałe z przetworzonej biomasy; wykorzystywane do gotowania posiłków, ogrzewania, produkcji energii elektrycznej lub zasilania silników urządzeń i pojazdów mechanicznych, np. węgiel drzewny, bioetanol, biodiesel, bioolej, biogaz, biowodór, gaz drzewny.

Biopaliwa, w zależności od stanu skupienia, zróżnicowane są na:

• biopaliwa stałe – biopaliwa z surowców naturalnych (np. drewno opałowe, zrębki drewna, trociny, wióry, słoma, siano, ziarna zbóż, rośliny energetyczne); biopaliwa wyprodukowane z przetworzonej biomasy (np. węgiel drzewny, brykiety i pellety drzewne, pellety słomiane i trocinowe, brykiety słomiane i trocinowe);
• biopaliwa ciekłe (płynne) – biopaliwa wytworzone w wyniku fermentacji cukrów pozyskiwanych z roślin zbożowych lub cukrodajnych, zrębków drzewnych, resztek pożniwnych i odpadów komunalnych (bioetanol, biobutanol); biopaliwa wytworzone w wyniku transestryfikacji olejów roślinnych lub tłuszczów zwierzęcych (biodiesel);
• biopaliwa gazowe – biopaliwa wytworzone w wyniku fermentacji odpadów produkcji rolniczej (np. gnojowicy, obornika, słomy) lub osadów ściekowych (biogaz); biopaliwa wytworzone w wyniku zgazowania biomasy drzewnej (np. gaz drzewny, biowodór).

Biopaliwa są zróżnicowane także pod względem składu chemicznego; obejmują substancje składające się z celulozy, hemicelulozy i ligniny (np. drewno opałowe, słoma, siano, trociny); alkoholi o krótkich łańcuchach węglowych (np. biometanol, bioetanol, biobutanol); estrów metylowych kwasów tłuszczowych (FAME, ang. Fatty Acid Methyl Esters), estrów etylowych kwasów tłuszczowych (FAEE, ang. Fatty Acid Ethyl Esters) (biodiesel); metanu i dwutlenku węgla (biogaz); azotu, wodoru i tlenku węgla (gaz drzewny) lub czystego wodoru (biowodór).

Biopaliwa stałe –pellety drzewne, fot. wirestock/envato

Wpływ biopaliwa na środowisko naturalne

Biopaliwa, pozyskiwane z odnawialnej biomasy roślinnej lub zwierzęcej, stanowią ekologiczną alternatywę dla tradycyjnych paliw kopalnych wytwarzanych z nieodnawialnych surowców energetycznych (np. ropy naftowej, węgla kamiennego, gazu ziemnego). Stosowanie biopaliw płynnych (np. bioetanolu, biodiesla) jako domieszki do paliw produkowanych z ropy naftowej (np. benzyny, oleju napędowego) wpływa na zmniejszenie zużycia tego surowca i ogranicza niekorzystne skutki środowiskowe wynikające z wydobycia lub eksploatacji złóż (np. emisję dwutlenku siarki, SO₂; tlenków azotu, NO_x). Biopaliwa cechują się również wysokim stopniem biodegradowalności, w związku z czym ich stosowanie nie generuje odpadów szkodliwych lub uciążliwych dla środowiska. Biopaliwa wykazują także niską emisję dwutlenku węgla (CO₂), gdyż ilość dwutlenku węgla uwalniana do atmosfery w procesie spalania biomasy roślinnej równoważy ilość dwutlenku węgla związaną przez rośliny energetyczne podczas fotosyntezy.

Uprawa roślin energetycznych, z których pozyskiwana jest biomasa do produkcji biopaliw, zajmuje coraz większe areały użytków rolnych, co wiąże się z koniecznością pozyskiwania nowych terenów rolniczych. W tym celu przekształcane są obszary naturalne, takie jak prerie wykorzystywane pod uprawę kukurydzy lub lasy równikowe wykorzystywane pod uprawę soi lub plantacje palmy olejowej. Zmiana sposobu użytkowania gruntów ma niekorzystny wpływ na środowisko przyrodnicze, przyczyniając się do spadku różnorodności biologicznej, utraty cennych siedlisk, zmiany stosunków wodnych, erozji gleby, wzrostu emisji dwutlenku węgla do atmosfery, zanieczyszczenia gleby i wód przez nawozy sztuczne lub środki ochrony roślin (pestycydy). Wytwarzanie biopaliw może również przyczynić się do zwiększonej emisji gazów cieplarnianych na różnych etapach procesu produkcyjnego (np. spalanie paliw kopalnych przez maszyny rolnicze, produkcja nawozów sztucznych, transport i przetwarzanie biomasy).

Cykl życia biopaliwa na przykładzie biodiesla. Autor: VectorMine/shutterstock.com

Zastosowania biopaliw

Biopaliwa są substancjami wydzielającymi w procesie spalania znaczne ilości energii cieplnej, która może być wykorzystywana do gotowania posiłków, ogrzewania pomieszczeń budynków mieszkalnych i użytkowych lub urządzeń przemysłowych, produkcji energii elektrycznej bądź napędzania silników urządzeń medycznych (np. biosensorów glukozy), maszyn ogrodniczych (np. kosiarek, podkaszarek, pilarek łańcuchowych), maszyn rolniczych (np. ciągników) bądź pojazdów mechanicznych (np. samochodów). Biopaliwa stałe (np. drewno opałowe, węgiel drzewny, pellety słomiane) wykorzystywane są do ogrzewania budynków, rozpalania grilla lub kominków bądź produkcji energii cieplnej i elektrycznej w elektrociepłowniach. Bioetanol ma zastosowanie jako dodatek do benzyny i samodzielne paliwo do silników spalinowych (E100)  i produkcji komponentów benzyn bezołowiowych (np. eteru tert-butylowo-etylowego, ETBE). Biodiesel, w postaci czystej (B100) i mieszaninie z olejem napędowym, wykorzystywany jest głównie do napędzania silników wysokoprężnych; ma również zastosowanie w wytwarzaniu gliceryny. Biogaz wykorzystywany jest do napędzania silników, produkcji energii elektrycznej w generatorach prądu elektrycznego oraz podgrzewania wody użytkowej. Pozostałość po produkcji biogazu (tzw. bioferment) używany jest do produkcji nawozów organicznych.

Produkcja i główne zastosowania biogazu. Autor: VectorMine/shutterstock.com

Bibliografia:

1. Biologia Campbella, Jane B. Reece, Lisa E. Urry, Michael L. Cain, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, Robert B. Jackson, Dom Wydawniczy Rebis, Poznań 2020.
2. Biopaliwa Proekologiczne odnawialne źródła energii, Witold M. Lewandowski, Michał Ryms, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne (WNT), Warszawa 2013.
3. Biopaliwa. Technologie dla zrównoważonego rozwoju, Ewa Klimiuk, Małgorzata Pawłowska, Tomasz Pokój, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2012.
4. Future Energy: Improved, Sustainable and Clean Options for our Planet (3rd ed.), Trevor M. Letcher, Technip, Amsterdam 2020.
5. Nowoczesne kompendium chemii, K.-H. Lautenschlager, W. Schroter, A. Wanninger, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2016.
6. Biofuel production by country/region and fuel type, 2016-2022; International Energy Agency (IEA)Link: https://www.iea.org/data-and-statistics/charts/biofuel-production-by-country-region-and-fuel-type-2016-2022 Data dostępu: 20.11.2023