Biopaliwa gazowe inne niż biogaz

We wcześniej zamieszczonym artykule, który był poświęcony biogazowi, a który przeczytasz tutaj:

stwierdziłem, że biogaz jest obecnie najpowszechniej wykorzystywanym biopaliwem gazowym. Jest produkowany zwłaszcza z biomasy, ale jego źródłem może być również materiał odpadowy ulegający biodegradacji. Paliwo to nie jest jednak jedynym przedstawicielem biopaliw gazowych. Są jeszcze inne biopaliwa gazowe, których charakterystykę przedstawiam poniżej.

Powstawanie gazu drzewnego

Biomasa, jako surowiec do otrzymywania biopaliwa, może być przetwarzana z wykorzystaniem różnych metod konwersji. Biogaz jest otrzymywany z wykorzystaniem procesów konwersji biologicznej, w których wykorzystuje się procesy fermentacji. Oprócz takiego najczęściej wykorzystywanego procesu, biomasa może być również przetwarzana na drodze konwersji termicznej, poprzez zgazowanie. Gdy surowcem takiego procesu zgazowania jest drewno to produktem tego procesu jest biopaliwo nazywane gazem drzewnym.

Czym jest gaz drzewny

Jest to produkt powstały w wyniku rozkładu termicznego drewna, czyli procesu prowadzonego w zakresie temperatur od 600 do 1000 st. Celsjusza. Proces ten przebiega w obecności kontrolowanej ilości powietrza lub gorącej pary wodnej. W takim procesie otrzymuje się zwłaszcza węgiel drzewny będący głównym produktem tej przemiany. Powstaje też produkt ciekły, którym jest destylat wodny oraz produkt stały – smoła; produktem gazowym powstającym w tym procesie jest tzw. gaz drzewny. Wzajemna proporcja stałych, ciekłych i gazowych produktów procesu zgazowania drewna zależy od rodzaju przetwarzanego drewna, w tym, od ilości kory. Zależy też od sposobu prowadzenia procesu zgazowania, zwłaszcza od tempa ogrzewania i temperatury końcowej. Różne mogą być warunki techniczne prowadzenia procesu zgazowania drewna, co wpływa na wzajemne proporcje ilości tworzących się produktów stałych, ciekłych i gazowych. Zgazowanie drewna prowadzone w Bieszczadach określane jest jako wypał węgla drzewnego. Proces takiego wypału nastawiony jest przede wszystkim na produkcję węgla drzewnego. Proces wypału prowadzi się w retortach, które wpisują się w krajobraz i folklor Bieszczad.

Retorty w Bieszczadach

Przedstawione na zdjęciu retorty, w pełni załadowane drewnem, pozwalają otrzymać około jednej tony węgla drzewnego. Wobec bardziej opłacalnych, bo technicznie lepiej dopracowanych metod otrzymywania węgla drzewnego, tradycyjny wypał zanika, coraz bardziej stając się raczej pewnego rodzaju atrakcją turystyczną.

Zastosowanie gazu drzewnego

Skupmy się jednak na produkcie gazowym tego procesu ponieważ mówimy tutaj o biopaliwach gazowych. Powstały w procesie zgazowania drewna gaz zawiera wodór, tlenek węgla i trochę metanu oraz azot i dwutlenek węgla. Trzy pierwsze z wymienionych produktów gazowych to składniki palne. Wartość opałowa gazu drzewnego jest jednak nieduża, kilka razy niższa niż wartość opałowa gazu ziemnego. Okazuje się jednak, że gaz drzewny wykorzystywany może być jako paliwo energetyczne w kotłach domowych, w których proces zgazowania drewna wypełnia wtedy warunki spalania ekologicznego. W kotłach takich z podgrzewanego drewna wydziela się gaz drzewny, który jest spalany w komorze kotła.

zdj.: biospal.pl/produkt/kociol-zgazowujacy-drewno-blaze-green

Warunkiem wykorzystania drewna w takim kotle jest jednak użycie dobrze wysuszonego drewna, gdyż wilgoć znacznie obniża wartość opałową paliwa. Podczas spalania wilgotnego drewna zawarta woda odparowuje i pochłania znaczną część ilości tworzącego się ciepła.

Kotły zgazowujące drewno

Nowoczesne kotły oparte na tej technologii mają dodatkowo ważny element – posiadają wbudowane zbiorniki akumulacyjne. Zbiorniki te mogą gromadzić wytworzone ciepło i z opóźnieniem, kiedy w kotle zakończony został proces spalania, oddawać to skumulowane ciepło do otoczenia. Takim zasobnikiem buforującym ciepło jest zwykle zbiornik wodny wyposażony w wężownicę, spełniając funkcję dodatkowego wymiennika ciepła z otoczeniem.

Okazuje się również, że w rejonach gdzie istnieje znaczna podaż odpadów drzewnych to gaz drzewny może być paliwem wykorzystywanym nawet w dużych jednostkach energetycznych, typu elektrociepłownie. Tego rodzaju lokalne elektrociepłownie, opalane gazem drzewnym istnieją na przykład w Austrii, produkując energię elektryczną i dostarczając ciepło użytkowe. Zwykle jednak w takich dużych jednostkach, proces zgazowania drewna prowadzony jest z wykorzystaniem pary wodnej.

We wszystkich typach kotłów wykorzystujących gaz drzewny, w warunkach właściwie prowadzonego procesu spalania, możliwe jest osiągnięcie wysokiej sprawności, gdyż zachodzi tu wypalenie prawie wszystkich składników palnych. Kotły zgazowujące drewno uważa się za urządzenie w pełni proekologiczne.

Biowodór jako paliwo

Wodór jest najczęściej występującym pierwiastkiem chemicznym we Wszechświecie. Na Ziemi w największych ilościach wodór występuje w połączeniu z tlenem, tworząc cząsteczki wody. Tworzy różne związki chemiczne, zwłaszcza związki organiczne. Długo można by było wyliczać różne zastosowania tego pierwiastka, który okazał się przydatny w przemyśle chemicznym, spożywczym czy metalurgicznym.

Z uwagi na łatwopalność wodoru od dawna było wiadomo, że świetnie nadaje się do wykorzystania jako paliwo. Ma bardzo niską gęstość, czyli stosunek masy do zajmowanej objętości oraz wyróżnia się bardzo wysoką wartością opałową i wysokim ciepłem spalania. Istotną zaletą wykorzystania wodoru jako paliwa jest fakt, że bez wątpienia może być określany jako źródło czystej energii, gdyż wynikiem procesu jego spalania jest para wodna.

Wodór jest obecnie prawie w całości (około 95%) wytwarzany z gazu ziemnego i węgla. Z uwagi na wykorzystanie tego surowca będącego paliwem kopalnym nie jest możliwe nazwanie tego gazu biopaliwem. Ten właśnie fakt jest główną przyczyną poszukiwań metod wytwarzania wodoru z wykorzystaniem energii ze źródeł odnawialnych.

Biowodór, jako biopaliwo, tym musi się różnić od zwykłego wodoru, że otrzymywany musi być metodami przyjaznymi w ich oddziaływaniu na jakość środowiska. Miano biowodoru przysługuje wodorowi otrzymywanemu w wyniku procesów biologicznych, biologiczno-chemicznych z biomasy oraz wodorowi tworzącemu się w procesach fotosyntetycznego rozkładu wody.

W perspektywie najbliższych lat, jako obiecującą opcję produkcji biowodoru, uważa się wykorzystanie biomasy jako surowca. Ważną zaletą takiego procesu jest prawie zerowa emisja ditlenku węgla. Proces zgazowania polega tu na konwersji biomasy do paliwa gazowego, którego składnikami, oprócz wodoru, są: tlenek i ditlenek węgla oraz metan. Ważną zaletą wykorzystania biomasy jako surowca w procesie produkcji biowodoru jest możliwość jego wytwarzania w niedużych, rozproszonych obszarowo instalacjach, zlokalizowanych w pobliżu źródeł tworzenia zasobów biomasy.

Biowodór z elektrolizy wody i elektrowni wiatrowych

To biopaliwo powstaje również w procesie elektrolizy wody. Potrzebny do tego celu prąd musi jednak być wytworzony metodami opartymi na technologii odnawialnych źródeł energii. Od razu narzuca się tutaj celowość wykorzystania prądu z paneli słonecznych, zwłaszcza w okresach kiedy zdarzają się sytuacje nadmiarowych ilości prądu z tego źródła jego wytwarzania.

Jest jeszcze inny pozytywny efekt kojarzenia fotowoltaiki z produkcją wodoru – chodzi o wodorowe magazyny energii. W sytuacjach kiedy fotowoltaika dostarcza energię nie mającą odbiorców w określonym momencie, to wtedy wytworzony wodór można zmagazynować. Kiedy zaś pojawi się potrzeba uzupełnienia ilości energii, to te braki można uzupełnić odbierając energię zawartą w zmagazynowanym biowodorze, który jest wtedy wykorzystany jako paliwo.

Stacja wodorowa zasilana wiatrakami i panelami słonecznymi

Identyczne są zalety magazynowania wodoru w odniesieniu do sytuacji stwarzanych przez „nadprogramową” aktywność elektrowni wiatrowych. Tego rodzaju sprzężenie aktywności farm wiatrowych z produkcją wodoru jest świetnym załatwieniem wady przypisywanej pracy elektrowni wiatrowych (ale również fotowoltaice) jaką jest niestabilność pracy tych instalacji.

Należy jednak podkreślić, że energetyka wodorowa jest na razie na początku swojej drogi. Istnieje jednakże zgodny pogląd, że paliwo to można śmiało traktować jako paliwo przyszłości. W Polsce, równolegle z krajowym rozwojem mocy produkcyjnych biowodoru rozwijany jest system jego magazynowania. Głównym miejscem magazynowania mają być kawerny solne, które od długiego już czasu są ważnym miejscem magazynowania gazu ziemnego. Głównym źródłem wodoru gromadzonym w tych kawernach, ma być proces elektrolizy, w którym prąd wytwarzany będzie przez morskie farmy wiatrowe.

Eter dimetylowy (bio-DME)

Innym jeszcze biopaliwem gazowym jest eter dimetylowy (DME), który już obecnie z powodzeniem sprawdza się jako paliwo pędne w silnikach samochodowych. Paliwo to obecnie wytwarzane jest zwłaszcza z gazu syntezowego, czyli mieszaniny tlenku węgla i wodoru. W latach kiedy światowy rynek paliw zdominowany był paliwami kopalnymi, głównym surowcem otrzymywania gazu syntezowego był gaz ziemny i węgiel. Z czasem jednak okazało się, że surowcem gazu syntezowego może być również biomasa.

Wykorzystanie biomasy jako surowca bazowego upoważnia określanie eteru dimetylowego jako biopaliwo – bioDME. Eter dimetylowy może być biopaliwem również wtedy, gdy surowcem do jego otrzymywania jest biogaz lub biometanol.

Warto wiedzieć, że bioDME już posiada znaczącą pozycję w polityce paliwowej Unii Europejskiej. Chodzi o to aby bioDME, jako paliwo pędne stosowane w transporcie samochodowym, stało się głównym konkurentem węglowodorowego oleju napędowego. Wypieranie oleju napędowego przez bioDME jest szansą na znaczące zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych emitowanych obecnie z pojazdów samochodowych. Wykazano, że stosowanie bioDME jako paliwa w silnikach samochodowych generuje 20-krotnie niższą emisję ditlenku węgla w porównaniu z emisją tego gazu powstającego w przypadku stosowania oleju napędowego. Inną ważną zaletą stosowania bioDME jako paliwa w silnikach wysokoprężnych jest brak emisji cząstek stałych oraz niedopalonych resztek paliwa, co oznacza wyeliminowanie emisji zanieczyszczeń pyłowych z rur wydechowych.

Gdy eter dimetylowy ma być użyty jako paliwo silników samochodowych to do stacji paliwowej jest on transportowany w postaci ciekłej i tam gromadzony jest w zbiornikach podziemnych lub naziemnych. Do zbiorników paliwa w samochodach paliwo to tłoczone jest w postaci ciekłej, i w takiej też postaci wtryskiwane jest do cylindra silnika z zapłonem samoczynnym.

Eter dimetylowy, w tym również jako bioDME, ma inne jeszcze zastosowanie oprócz wykorzystania go jako paliwo pędne w samochodach. Zmieszany z propanem lub butanem może być paliwem w piecach przemysłowych lub kotłach grzewczych.

Autor: Stanisław Hławiczka