Repcéből üzemanyag?
A mezőgazdaság, azon belül is a szántóföldi növénytermesztés feladatköre az elmúlt 25–30 évben jelentősen átalakult. Míg a 20. század utolsó negyedében legfőbb „küldetése” a takarmány- és az élelmiszer-alapanyag előállítása volt, addig a 21. század elejétől egyre növekvő mértékben egyéb feladatok is beléptek ebbe a „küldetésbe”. A környezetvédelmi törekvések erősödése megtalálta a növénytermesztést is, egyrészt, mint komoly fosszilis hajtóanyag-felhasználót, másrészt, mint megújuló üzemanyagtermelő ágazatot. A két legfontosabb ásványi üzemanyagunk a benzin és a gázolaj. Az előző lapszámunkban a benzin helyettesítésére, illetve kiegészítésére alkalmas bioetanollal foglalkoztunk, most pedig a gázolaj (vagy dízelolaj) felhasználását mérséklő biodízelre és annak előállítására helyezzük a hangsúlyt.
(fotó: shutterstock.com)
Olajválságtól a klímanyomásig: a biodízel útja
Ahogyan a bioetanol esetében is említettük, a biodízellel kapcsolatos kutatások gyökerei a hetvenes évek kőolajválságáig nyúlnak vissza. Akkor vált nyilvánvalóvá, hogy a fosszilis energiahordozóktól való erős függés komoly kockázatot jelent az iparosodott országok számára. Ezt később tovább erősítette a népesség gyors növekedése, a globális felmelegedés fokozódása és a környezetvédelem szerepének felértékelődése. Napjainkra mindehhez az is társult, hogy a Föld kőolajkészletei folyamatosan csökkennek, miközben kitermelésük egyre nehezebb és költségesebb.
Biodízel röviden: miből készül, miben más?
A biodízel növényi, illetve állati eredetű olajokból és zsírokból előállított üzemanyag, amely fosszilis eredetű dízelolajjal keverve, de akár önmagában is alkalmazható dízelüzemű motorok működtetésére.
Érdekesség, hogy bár a biodízel kapcsán gyakran a hetvenes évek kőolajválságát említjük kiindulópontként, a dízelmotor névadója és feltalálója, Rudolf Diesel már 1893-ban növényi olaj alapú hajtóanyaggal – konkrétan földimogyoró-olajjal – képzelte el találmányának működtetését, éppen a fosszilis kőolajtól való függetlenedés céljával.
A biodízel egységes és ellenőrizhető minőségének biztosítása érdekében szabványokat is kidolgoztak: Európában az EN 14214, az Egyesült Államokban pedig az ASTM D6751 határozza meg többek között az üzemanyag kémiai összetételét, sűrűségét, viszkozitását, valamint a megengedett szennyezőanyag- és víztartalmat.
A kémia a gyakorlatban: így lesz az olajból üzemanyagA biodízel átészterezéssel előállított zsírsav-metil-észter. A folyamatot transzészterifikációnak is nevezik, amely során egy alkohol – jellemzően metanol vagy etanol – reagál a növényi vagy állati eredetű olajokkal és zsírokkal. Az átészterezés elnevezés onnan ered, hogy ezek az alapanyagok alapvetően glicerin és zsírsavak észterei.
A folyamat során katalizátor jelenlétében az alkohol hidroxidionjainak hatására a „nyers olajból” glicerin és egy másik észter, a zsírsav-metil-észter, vagyis a biodízel keletkezik.
A biodízel előállításához világszerte számos olajos magvú növény termését hasznosítják. A legismertebbek közé tartozik a napraforgó és az őszi káposztarepce, de alkalmaznak olajlent, kukoricát, olívát, mogyorót, szóját és kókuszt is. Jelentős olajtartalommal rendelkezik továbbá az olajpálma és a jatropha. Európában elsősorban a repce és a napraforgó terjedt el, mivel termesztésük jól megoldott, és kedvező olajtartalommal rendelkeznek.
A folyamat azzal kezdődik, hogy az olajos magvakból sajtolással – jellemzően meleg sajtolással, amikor az olaj hőmérséklete 55–70 °C-ra emelkedik – kinyerik az olajat. Alternatívaként állati eredetű zsíradék is felhasználható, ugyanakkor a növényi alapanyagok alkalmazása jóval elterjedtebb.
A kinyert olajat ezt követően megtisztítják, majd a jobb felhasználhatóság érdekében elvégzik az előzőekben ismertetett észterezési folyamatot, amelynek célja a viszkozitás csökkentése. Az eljárás során metanol és etanol egyaránt alkalmazható, azonban a metanol előállítása lényegesen olcsóbb, ezért az ipari biodízelgyártásban ez terjedt el.
Katalizátorként lúgokat vagy erős savakat is alkalmazhatnak, a gyakorlatban azonban a lúgos katalizátorok terjedtek el, mivel gyorsabb reakciót és nagyobb végtermék-kihozatalt biztosítanak. Leggyakrabban nátrium-hidroxidot vagy kálium-hidroxidot használnak.
Meg kell említeni a lipáz enzimmel történő katalizálást is, ez az eljárás azonban egyelőre kevésbé elterjedt, mivel lassabb és költségesebb. Előnye ugyanakkor, hogy kevesebb melléktermék keletkezik, valamint a reakció alacsonyabb nyomást és hőmérsékletet igényel.
Amennyiben a biodízel előállítása során felhasznált kiindulási olajos mag mennyiségét 100 százaléknak tekintjük, a végtermékek aránya az alábbiak szerint alakul:
• a kinyert biodízel 33,5 tömegszázalék,
• a glicerin 7,7 tömegszázalék,
• a visszamaradó olajpogácsa pedig 58,8 tömegszázalékot tesz ki.
A korábban említett olajnövényekből eltérő mennyiségű bioüzemanyag nyerhető, az egy hektárra vetített átlagtermések alapján az olajpálma kiemelkedő hozamot biztosít. Nyugat-Európában és hazánkban ugyanakkor elsősorban a repce és a napraforgó a meghatározó, mivel termesztésük jól megoldott, és intenzív művelés mellett hektáronként körülbelül 1200–1500 liter biodízel nyerhető belőlük. Az olajos magvak olajtartalma jellemzően 45–50%, amelynek mintegy 85–90%-a kinyerhető.
(fotó: shutterstock.com)
A gyártási folyamat során a reaktorban egy elegy keletkezik, amely a biodízel, a glicerin, valamint a visszamaradó katalizátor és metanol keverékéből áll. Ezt az elegyet ülepedni hagyják, majd idővel szétválik: felül a kisebb sűrűségű biodízel, alul pedig a nagyobb sűrűségű glicerin helyezkedik el. A két fázist ezt követően elválasztják egymástól.
Az így kinyert biodízelt a katalizátor-, metanol- és glicerinmaradványok eltávolítása érdekében további mosási és tisztítási lépéseknek vetik alá. Ennek során eltávolítják a maradék vizet, valamint kiszűrik az esetlegesen jelen lévő szilárd részecskéket.
Gazdasági haszon: takarmány, saját üzemanyag, kisebb függés
Az olajos magvakból történő olajkinyerést követően visszamaradó melléktermék az úgynevezett olajpogácsa takarmányozási célra jól hasznosítható. Különösen a napraforgóolajpogácsa elterjedt, míg a repce esetében a magas erukasav-tartalmú fajták és hibridek terméséből származó visszamaradó anyag etetésével óvatosan kell bánni, mivel az állatoknál szív- és érrendszeri problémákat, keringési zavarokat okozhat. Napjainkban azonban egyre inkább terjednek az úgynevezett „00” jelölésű repcehibridek, amelyek termése már nagyon alacsony, 2% alatti erukasav-tartalommal rendelkezik, így takarmányozásuk biztonságosan megoldható.
Jelölések a piacon: RME, SFME, SME – mit jelentenek? A különböző alapanyagokból előállított biodízeleket eltérő jelölésekkel látják el:
•repce-metil-észter (RME),
•napraforgó-metil-észter (SFME),
•szója-metil-észter (SME)
•pálma-metil-észter (PME),• nem kizárólag növényi eredetű biodízelek, amelyek
o AME jelölést kapnak (tisztított növényi olaj és használt sütőolaj keverékéből), vagy
o FAME jelöléssel szerepelnek (használt sütőolajból előállított zsírsav-metil-észter).
A növényi olajból előállított hajtóanyag egyik legnagyobb előnye a kőolaj-alapú üzemanyagokkal szemben, hogy alapanyaga bármely növénytermesztéssel foglalkozó gazdaságban megtermelhető. Nyugat-Európában már elterjedtek azok a megoldások is, amelyeknél a gazdálkodó saját sajtoló- és finomítóberendezéssel rendelkezik, így a biodízel közvetlenül a gazdaságon belül áll rendelkezésre a munkagépek üzemeltetéséhez.
A biodízel dízelüzemű motorokban tisztán, gázolajjal való keverés nélkül, valamint különböző arányú keverékek formájában is alkalmazható, sőt, fűtési célokra is felhasználható.
Előnyök és buktatók: mit tud a biodízel a gázolajhoz képest?
Elkerülhetetlen, hogy a biodízelt a gázolajjal vessük össze, hiszen felhasználási területe gyakorlatilag teljes mértékben megegyezik azzal. Zavartalan alkalmazásához azonban több szempontot is figyelembe kell venni.
Az elsők között említendő a sűrűség és a viszkozitás, mivel ezek jelentősen befolyásolják a motorban való viselkedést, az adagolhatóságot, a porlasztást, valamint a lerakódások kialakulásának esélyét. Mindkét tulajdonság tekintetében a biodízel valamivel magasabb értékeket mutat, ugyanakkor ezek nagymértékben függnek a felhasznált alapanyagtól és az üzemi hőmérséklettől is.
A cetánszám a biodízel esetében szintén magasabb, ami kifejezetten előnyös, mivel az üzemanyag gyorsabban gyullad meg, így az égés az adagolást követően rövidebb idő alatt zajlik le, mint a hagyományos gázolajnál. Ez egyenletesebb motorjárást eredményez, és a hidegindítás is némileg könnyebbé válik.
A biodízel fűtőértéke ugyanakkor elmarad a gázolajétól, ezért azonos motorteljesítmény eléréséhez körülbelül 10%-kal nagyobb mennyiségre van szükség.
A tárolás és a szállítás biztonsága szempontjából szintén fontos paraméter a lobbanáspont, amely az üzemanyag gyúlékonyságát jellemzi. Míg a gázolaj lobbanáspontja jellemzően 50–55 °C, a biodízel esetében ez az érték több mint kétszer magasabb, legalább 135–140 °C. Ez azt jelenti, hogy a biodízel gőzei csak jóval magasabb hőmérsékleten képeznek a levegővel gyúlékony elegyet, így tárolása és szállítása még a gázolajénál is biztonságosabb.
A biodízel egyik kedvezőtlen tulajdonsága az avasodásra való hajlam. A benne található telítetlen zsírsavak könnyen oxidálódnak, ezt a folyamatot pedig a magasabb hőmérséklet és a fény tovább gyorsítja. Az oxidáció során polimer vegyületek keletkezhetnek, amelyek növelik a viszkozitást, és lerakódások kialakulásához vezethetnek az üzemanyagrendszerben. Ennek mérséklésére antioxidáns adalékanyagokat kevernek a biodízelhez.
A negatív tulajdonságok között meg kell említeni a korrózió elősegítésére való hajlamot is. Ez abból fakad, hogy még a tiszta biodízel is – bár csak igen kis mennyiségben – tartalmazhat szabad zsírsavakat, valamint olyan szennyeződéseket, amelyek elsősorban a réz és a cink korrózióját idézhetik elő. A korszerű dízelmotorok üzemanyag-ellátó rendszereit ezért már ezek figyelembevételével alakítják ki.
A felhasznált alapanyag zsírsavösszetétele határozza meg a biodízel hidegáramlási tulajdonságait is. Amennyiben a telített zsírsavak aránya magasabb – például pálmaolaj vagy állati zsírok esetében –, alacsony hőmérsékleten a hajtóanyag kezelhetősége romlik, hajlamosabb a „dermedésre”. Ez a szűrhetőség romlásán keresztül az üzemanyagrendszer szűrőinek eltömődését, végső soron pedig a motor működésének zavarát okozhatja. Ennek kivédésére téli időszakban célszerű a biodízelt gázolajjal vagy megfelelő adalékanyagokkal keverni.
Az előnyök és hátrányok mérlegelése alapján a biodízel több tulajdonságában elmarad a hagyományos gázolajtól, ugyanakkor megfelelő adalékolással használhatósága a fosszilis hajtóanyagéhoz nagyon hasonlóvá tehető.
Környezet és mérleg: hol nyer, hol vitatható?
A mérleget pozitív irányba billenti a biodízel környezetre gyakorolt hatása is. Bár a kén-dioxid-kibocsátása – a hagyományos gázolajhoz hasonlóan – eleve alacsony, a légköri szén-dioxid-tartalmat jóval kisebb mértékben növeli. Az olajnövények a termésképzés során megkötik a levegő szén-dioxidját, amely az elégetéskor felszabadul, így az elvi szén-dioxid-mérleg közel semleges. A gyártási folyamat, valamint a biodízel szállítása ugyanakkor többlet-kibocsátással jár, ez jelenik meg plusz környezeti terhelésként.
Fontos szempont az is, hogy a biodízel megújuló energiaforrásnak tekinthető, hiszen az alapanyagul szolgáló növények évről évre újratermeszthetők. Ugyanakkor ez a megközelítés nem mentes a kérdésektől, mivel a bioüzemanyag-alapanyagok termesztése területet vonhat el az élelmiszer-előállítástól, ami hatással lehet az élelmiszerárakra, ráadásul maga a termelés is jelentős energia-befektetést igényel.
Ezzel összefüggésben Németországban végzett vizsgálatok mind az alapanyag-termelés, mind az üzemanyag-előállítás energiaigényét figyelembe vették, és így is 1,2–1,7 közötti energiahatékonysági mutatót állapítottak meg. Ez azt jelenti, hogy egy egységnyi befektetett energia 1,2–1,7 egységnyi energiát eredményez biodízel formájában, vagyis az energiamérleg összességében pozitív.
A biodízel alkalmazásával a káros részecskekibocsátás megközelítőleg a felére csökken a gázolajhoz képest, és a szén-monoxid-kibocsátás is alacsonyabb. Emellett a biodízel a hagyományos dízelolajnál lényegesen kevésbé környezetszennyező: szivárgás vagy kifolyás esetén a természetbe jutva gyorsabban és könnyebben lebomlik.
Hazai pluszpontok: vetésváltás, méhészet, repceelőny
Hazai viszonylatban a napraforgó és a repce termesztése a méhészetek számára is kedvező, hiszen mindkét kultúra kiváló mézelő növény. Emellett jól illeszkednek a vetésváltásba is: utánuk rendszerint kalászosok következhetnek, a repce pedig kifejezetten jó előveteménynek számít. A szármaradványok kezelése sem igényel feltétlenül intenzív talajmunkát, a forgatás akár el is hagyható, ami a művelési költségek csökkentését teszi lehetővé.
Összességében a biodízel termelése és felhasználása nemcsak az energiaszektorban bír jelentőséggel, hanem a mezőgazdaságban is. Az olajnövények termesztésének erősödése hozzájárul a növénytermesztésből élők jövedelmi stabilitásához, különösen a jelenlegi időjárási és piaci kihívások közepette.
Dr. Dóka Lajos Fülöp, adjunktus
Dr. Szabó Éva, adjunktus
Dr. Szabó András, adjunktus
DE MÉK Növénytermesztési, Nemesítési és Növénytechnológiai Intézet
Agrárágazat Tudástár: biodízel – A biodízel növényi vagy állati eredetű olajokból, jellemzően átészterezéssel előállított zsírsav-metil-észter alapú bioüzemanyag, amely dízelmotorokban önállóan vagy fosszilis gázolajjal keverve használható; jelentősége a megújuló eredetben, a mezőgazdasági alapanyag-termelésben és a részben kedvezőbb kibocsátási mérlegben áll.
