Czas na eko-LPG

Włodzimierz Kotowski, Bolesław Doliński

Dotychczas głównym źródłem wytwórczości gazu płynnego (będącego mieszaniną propanu z butanem) w skali światowej są rafinerie przetwarzające ropę. Dopiero teraz rozpoczęto produkcję w skali przemysłowej tego ważnego paliwa płynnego ze źródeł odnawialnych i zupełnie nieoczekiwanie pojawiła się nowa możliwość jego pozyskiwania z biomasy przy użyciu mikroorganizmów, a nad którą to technologią pracują już naukowcy pod kierunkiem prof. Kai-Uwe Hinrichsa na Uniwersytecie w Bremie. (Brennstoffspiegel, 36, 2,2011).

Klucz do procesu wytwarzania gazu płynnego na drodze czysto biologicznej z substancji organicznych znaleziono u wybrzeży Peru. Podczas ekspedycji na Oceanie Spokojnym w pobliżu Peru pobierano próbki gruntu, między innymi z głębokości 400 metrów, w których dostrzeżono mikroorganizmy wytwarzające propan z organicznych substancji. 

Do momentu tego odkrycia ludzkość żyła w przekonaniu, że węglowodory stałe, ciekłe i gazowe tworzą się tylko na ogromnych głębokościach w ziemi, gdzie pod wysokim ciśnieniem oraz w wysokiej temperaturze obumarłe organizmy oraz rośliny uległy i ulegają odpowiedniemu rozkładowi.

Tymczasem w osadach Oceanu Spokojnego na głębokości około 400 metrów dostrzeżono obecność propanu i mikroorganizmów, które najprawdopodobniej uczestniczą w przyrodniczym obiegu węgla. Na rys. 1 uwidoczniono regały z pojemnikami próbek gruntu z odwiertów dna Oceanu Spokojnego u wybrzeży Peru. Poniższe odkrycie wyklucza zatem dotychczasowe przekonanie o tym, że węglowodory tworzą się jedynie na drodze geotermalnej z organicznych materiałów, a ostatnio udział mikroorganizmów w tym procesie został już potwierdzony w eksperymentach laboratoryjnych. Teraz pracuje się nad optymalizacją parametrów procesowych z celem wypracowania ekonomicznie opłacalnej technologii wytwarzania propanu z organicznych surowców przy użyciu mikroorganizmów.

Ten proces w swej istocie jest podobny do technologii wytwarzania biogazu z udziałem innego typu mikroorganizmów z różnorakich surowców organicznych. Do nich zaliczają się nie tylko odpady przemysłu rolno-spożywczego, czy osady z miejskich oczyszczalni ścieków, ale również specjalnie dla tej technologii uprawiane rośliny – wśród nich kukurydza.

Problematykę wytwarzania propanu z materiałów organicznych uznano w RFN za gospodarczo tak ważną, że powołano do życia specjalną sekcję w Niemieckim Zrzeszeniu Gazu Płynnego (Deutscher Verband Flüssiggas). Gaz płynny ma tą przewagę nad metanem, czy biogazem, że w postaci ciekłej można go łatwiej i taniej rozprowadzać wśród pojedynczych odbiorców w cysternach, beczkach czy stalowych butlach.

W ramach ogólnoświatowych działań badawczo-wdrożeniowych nad drugą generacją produkcji biopaliw silnikowych, fiński koncern naftowy Neste Oil wybudował w Rotterdamie w Holandii fabrykę biodiesla o mocy 970.000 ton/rok tym znamienną, że oleje roślinne poddaje się katalitycznemu hydrokrakingowi wg operacji zaprezentowanych na rys. 2. Według tej technologii otrzymuje się biodiesel II generacji o niespotykanej dotychczas jakości: jego liczba cetanowa mieści się w granicach 87-99 jednostek, a temperatura zablokowania zimnego filtra jest w przedziale od -8 do -30°C, tj. znacznie niżej, niż w wypadku otrzymywanych z tych samych surowców estrów metylowych kwasów tłuszczowych. Olej napędowy otrzymywany z ropy – i to w bardzo skomplikowanych, wielostopniowych procesach – osiąga zaś liczbę cetanową 49-56 jednostek.

Autorzy niniejszej rozprawy wykonali badania laboratoryjne w przepływowym reaktorze nad omawianym procesem hydrokrakingu oleju rzepakowego, uprawianego powszechnie w Europie. Zastosowano niklowo-wolframowy katalizator na nośniku w postaci tlenku glinu. Hydrokraking przeprowadzono w temperaturach 320 - 340ºC i pod ciśnieniem 6-8 MPa, uzyskując pełną przemianę surowca do węglowodorów prostołańcuchowych oraz rozgałęzionych, obok określonych ilości wody i ditlenku węgla. Wszystkie typy tłuszczów są zawsze estrami gliceryny z trzema rozmaitymi kwasami tłuszczowymi. Podczas ich hydrokrakingu następuje najszybciej uwodornianie mostów estrowych między gliceryną, a kwasami tłuszczowymi. Równie szybko uwodorniają się wiązania olefinowe, a po nich ma miejsce hydrokraking i to przede wszystkim długich łańcuchów kwasów tłuszczowych. 

W produktach końcowych dominują węglowodory prostołańcuchowe oraz rozgałęzione C17–C18 (tzn. 17 oraz 18 atomów węgla), dzięki czemu uzyskany biodiesel jest najwyższej jakości. Można go stosować samodzielnie lub w dowolnej mieszaninie z innymi paliwami dieslowskimi – zwłaszcza pochodzącymi z przerobu ropy. 

Neste Oil przetestował swój biodiesel II generacji w różnego typu pojazdach drogowych, które w rozmaitych częściach naszej planety przejechały 3.300 tys. kilometrów. Testowane silniki Diesla czołowych producentów aut nie wykazały jakichkolwiek nieprawidłowości eksploatacyjnych. W dodatku stwierdzono, że emisja tlenków azotu zmniejszyła się średnio o 15 procent, a tlenku węgla o ok. 9 procent w porównaniu do przepału w tych samych silnikach oleju napędowego z ropy. 

Nasuwa się pytanie: dlaczego Neste Oy zlokalizował swoją fabrykę w Rotterdamie? Otóż największymi eksporterami oleju roślinnego (pochodzenia palmowego) są Malezja oraz Indonezja, a jego import do Rotterdamu okazuje się relatywnie najtańszy. Tymczasem rozbudowa plantacji palm oleistych jest znaczącym składnikiem rosnącej zamożności narodów Malezji oraz Indonezji i stanowi obecnie nieco ponad 10 procent wartości eksportu tych krajów. Owoce palm oleistych są przewożone przede wszystkim długimi, wąskotorowymi pociągami towarowymi do nowoczesnych olejami o wysokim stopniu automatyzacji  (M. Kałuża; Neue Energie; 138, 9, 2010).

Ubolewać należy, że obecnie olej palmowy w pokaźnej ilości importuje Europa Zachodnia jako paliwo dla elektrociepłowni, skoro jest to - obok żywności - najbardziej doskonały surowiec do wytwarzania wysokiej jakości biodiesla II generacji. Elektrociepłownie można opalać rozmaitymi innymi nośnikami energii - głównie jednak organicznymi odpadami.

W ramach hydrokrakingu olejów roślinnych wg powyższej technologii uzyskuje się produkt, zawierający 7 – 8 procent masowych propanu (podobna jest zawartość butanu), co stanowi w wytwórni w Rotterdamie 70.000 ton/rok. Dalsze tego typu fabryki fińskiego koncernu Neste Oil są już w budowie.

Inną technologią, umożliwiającą przetwarzanie materiału organicznego, między innymi do wysokowartościowego gazu płynnego jest katalityczny hydrokraking gliceryny, będącej produktem ubocznym w fabrykach, których przetwarza się oleje roślinne na drodze katalitycznej reestryfikacji metanolem do biodiesla. W ramach tego, powszechnie już stosowanego procesu, występuje w skali światowej pokaźny nadmiar gliceryny, której przetwórstwo do paliw silnikowych jest wysoce opłacalne i przebiega w harmonii ze środowiskiem.

Niemcy we Freibergu dysponują pilotową instalacją do tlenowo-parowego zgazowywania drewna. Uzyskiwaną w tej instalacji mieszaninę tlenku węgla z wodorem kierują do węzła aparatury tzw. syntezy Fischera-Tropscha. W niej na katalizatorze kobaltowym wytwarza się w temperaturze 180 – 220ºC i przy ciśnieniu 1,5 – 3 MPa syntetyczną ropę, zawierającą 4 – 5 procent biopropanu (w tym procesie uzysk butanu bywa podobny). Na bazie powyższych badań projektuje się już fabrykę syntezy Fischera-Tropscha, która będzie zlokalizowana w rejonie miasta Schwedt koło Szczecina.

Wytwarzanie biogazu płynnego z roślin spotkało się ze znacznym zainteresowaniem gospodarki światowej.