Alternatív hajtóanyagok 1. rész
A múlt század közepe táján, a fosszilis energiahordozók felhasználásának gyors növekedésével párhuzamosan egyre nyilvánvalóbbá váltak azok környezetszennyező hatásai. Ezzel együtt megszületett a felismerés is, hogy változtatni kell: elindult a környezetkímélőbb üzemanyag-alternatívák kutatása. A folyamatnak az 1973-as kőolajválság adott igazán lendületet, amikor a világ szembesült a fosszilis energiától való erős függésével.
A vizsgálatok és fejlesztések egyik fontos iránya a bioüzemanyagok felé vezetett, amelyek növényi vagy állati eredetű biomasszából készülnek. Halmazállapotuk szerint lehetnek szilárd, folyékony vagy gáz formájúak. A folyékony bioüzemanyagok közé tartozik a bioetanol és a biodízel, míg a gáz halmazállapotúak közé a különböző biogázok, például a biometán.
Fosszilis függés és megújulók logikája
A fosszilis energiahordozók nem megújuló energiaforrások: használatukkal a Föld készlete folyamatosan csökken, ezért előbb-utóbb elkerülhetetlenül kimerülnek. Emiatt mindenképpen szükség van olyan forrásokra, amelyek természetes módon megújulnak, vagyis hosszú távon is újratermelhetők. Ide soroljuk a megújuló, „zöld” energiákat, köztük a biohajtóanyagokat is. Ezek elégetésekor szén-dioxid keletkezik, amelyet a növények a növekedésük során újra megkötnek, így a rendszer – megfelelő termelési feltételek mellett – részben körforgásos jellegű.
Kapcsolódás a mezőgazdasághoz
A bioüzemanyagok előállításához szükséges alapanyag – sok más ipari nyersanyaghoz hasonlóan – jellemzően a szántóföldi növénytermesztésből származik. Jelen cikkünkben a bioetanollal foglalkozunk.
A bioetanol a benzint részben kiváltó, illetve ahhoz adalékként kevert bioalkohol. Megújuló energiaforrásnak tekinthető, mivel növényi biomasszából (például szár- és termésrészekből) állítják elő. Már az első Otto-motor is etanollal üzemelt, Magyarországon pedig 1920 és 1930 között kísérleteztek a motorok hajtóanyagaként történő felhasználásával.
A tiszta etil-alkohol a benzinhez képest egyenletesebben és tisztábban ég, ezért az égéstermékben a szén-monoxid mennyisége nagyon alacsony, vagy akár el is maradhat. A gyártás alapanyagát olyan növényi részek és magvak adják, amelyek cukor- vagy keményítőtartalma magas. Ezeket kémiai és biológiai folyamatokkal egyszerűbb cukrokká alakítják, majd ebből készül az etanol. A cukorban gazdag alapanyagok közé tartozik a cukorrépa, a cukornád és a cukorcirok, míg a keményítőalapú csoportba sorolható a kukorica, a búza, a burgonya és a csicsóka.
(Fotó: shutterstock.com)
Bioetanol gyártás: lépések és technológiák
A gyártási folyamat alapvető menete szerint az első lépés az alapanyag előkészítése: a darálás, majd gőzzel, nyomás alatti főzéssel a rostok és sejtfalak roncsolása. Ezzel megnövelik az anyag fajlagos felületét, és megkönnyítik a későbbi kémiai-biológiai folyamatokat.
Az alapanyag aprítására és felületének növelésére – főként a gabonafélék szemtermésének feldolgozásánál – két eljárás terjedt el:
•Száraz darálás: a kukorica– vagy búzaszemeket ledarálják, majd fermentálják. Az eljárás egyszerűbb és olcsóbb.
•Nedves őrlés: a gabonaszemekből különválasztják a keményítőt, a csírát, a fehérjét és a korpát. Ebben az esetben az etanol mellett keményítőt, szirupot, dextrózt és glükózt is elő lehet állítani. A folyamat ugyanakkor összetettebb és nagyobb beruházást igényel, cserébe a frakciók elkülönítése valóban megtörténik.
A következő lépésben a nagyobb molekulákat glükózzá alakítják: enzimek vagy savak segítségével feldarabolják a hosszabb szénhidrátláncokat.
A harmadik fázisban élesztőt adnak az így előkészített alapanyaghoz, majd megkezdődik az erjesztés.
Ezt követően desztillálással, több lépcsőben vonják ki az alkoholt a cefréből. Az így nyert etanol legfeljebb 96%-os alkoholtartalmú. A teljes, 99,9%os tisztaságot hagyományos szűréssel nem lehet elérni, ehhez molekulaszűrős eljárás szükséges. Ez a töményítés folyamata, amelyet a denaturálás, illetve a benzinhez történő bekeverés követ.
Az utolsó lépés a visszamaradó szeszmoslék – vagyis a maradványanyag – kezelése. Nedvességtartalma akár 60–70% is lehet, ezért csak rövid ideig tárolható; emiatt gyakran szárítják is. A folyamat végén egy magas fehérje- és rosttartalmú takarmány melléktermék keletkezik.
A bioetanol felhasználható önálló hajtóanyagként, a benzint részben kiváltva, illetve különböző arányokban benzinbe keverve (E5 – 5%, E10 – 10%, E85 – 85%). Emellett fűtési és háztartási célokra is alkalmazható, valamint az élelmiszeriparban – például különböző italok előállításánál – is szerepet kap.
Előnyök és hátrányok: a mérleg két oldala
Előnye, hogy alkalmazása nem növeli károsan a Föld üvegházhatását, sőt szélesebb körű felhasználása akár csökkentheti is az üvegházhatású gázok kibocsátását. Emellett olyan országok is előállíthatják, amelyek nem rendelkeznek elegendő kőolajkészlettel, így mérséklődhet a fosszilis energiahordozóktól való függőségük. A motorok működésére is kedvezően hat: oktánszámnövelő, és a hidegindítást is javíthatja.
Ugyanakkor hátrányokkal is számolni kell. A gyártás során felhasznált elektromos és hőenergia rontja az energiamérleget, és a szén-dioxid-megtakarítás mértéke is erősen függ az előállítás körülményeitől. A bioüzemanyag-alapanyagnak termelt növényi produktumok ára növelheti az élelmiszerárakat, miközben a termeléshez szükséges területek részben az élelmiszer-előállítás elől vonhatók el. Ez közvetve az erdők, akár az esőerdők fokozott veszélyeztetettségéhez is hozzájárulhat. Emellett nem elhanyagolható, hogy a bioetanol energiatartalma alacsonyabb, mint a benziné, ezért ugyanannak az energiaigénynek a fedezéséhez nagyobb mennyiségre van szükség.
Második generáció: hulladékból üzemanyag?
A hátrányok mérséklésére más alternatívákat is keresnek. Ide tartoznak a második generációs bioüzemanyagok, amelyek cellulóztartalmú alapanyagokból készülnek, például fahulladékból, fűfélékből, szalmából, kukoricaszárból, illetve a cukornád feldolgozása után visszamaradó növényi részekből. Ilyen alapanyagokból biobutanol vagy metil-alkohol is előállítható, ezek azonban a gyakorlatban nehezebben elegyíthetők a benzinnel.
Az elképzelés ígéretes, hiszen az előállítás főként mezőgazdasági és erdészeti melléktermékekre, hulladékokra épülne, így kisebb lenne a verseny az élelmiszer-alapanyagokkal és a termőterületekkel. Ugyanakkor az ipari léptékű, gazdaságos termelés ezeknél a megoldásoknál több területen még mindig fejlesztésre vár.
Mennyi etanol nyerhető hektáronként?
Bioetanol előállítására – ahogy korábban említettük – több növényfaj is alkalmas, az alkoholkihozataluk azonban jelentősen eltérhet, és a különböző források sem mindig azonos értékeket közölnek. Nézzünk néhány példát:
Hektáronként, a termésátlagtól és a cukor-, illetve keményítőtartalomtól függően cukorrépából 3300–5000 l, kukoricából 2100–2400 l, burgonyából 1800–2500 l, míg búzából 1600–1800 l etanol nyerhető.
Fő alapanyagok: kukorica, répa, cirok, csicsóka
A teljesség igénye nélkül néhány növényfajt emeltünk csak ki és mutatunk be nagyvonalakban, amelyekből bioetanol állítható elő:
Kukorica
A bioetanol-előállításban messze a kukorica a leggyakoribb alapanyag. Ez érthető: termesztésének komoly múltja van, ráadásul magas a keményítőtartalma. A megtermelt kukorica mintegy tizedét dolgozzák fel ilyen célra, ugyanakkor a kinyerhető etanol mennyiségét és minőségét jelentősen befolyásolja a fajta genetikai háttere. Kulcstényező a minél magasabb keményítőtartalom, de legalább ennyire fontos a keményítőn belüli amilózamilopektin arány is.
Az általánosan elterjedt hibridek – a lószemű kukoricák – esetében az arány jellemzően 70–75% amilóz és 20–25% amilopektin között alakul, míg a viaszos szemű típusok keményítője amilopektinben gazdagabb. Utóbbiaknál akár az is előfordulhat, hogy a keményítő szinte teljes egészében amilopektinből épül fel, ezért ipari feldolgozásra kedvezőbbek lehetnek.
A feldolgozás melléktermékei is jelentős értéket képviselnek:
•DDGS (Distillers Dried Grains with Solubles): szárított gabonatörköly, a gabonaalapú etanolgyártás mellékterméke. Magas fehérjetartalma miatt fontos takarmányozási alapanyag.
•CGF (Corn Gluten Feed): kukorica-glutén takarmány, amelyet gyakran pelletált formában vagy por alakban forgalmaznak. Fehérjében, rostban és vitaminokban gazdag, energiadús takarmány, ugyanakkor az esszenciális aminosavak közül lizinben és triptofánban szegényebb.
Cukorrépa
Az etanolgyártásra szánt cukorrépa termesztése gyakorlatilag megegyezik a cukorgyártás céljára termesztett és betakarított répáéval. A feldolgozás első lépései is hasonlóak: a répát megmossák, majd szeletelik. Ezt követően a répaszeletekből kinyert cukros levet megtisztítják, vagyis leválasztják belőle a répatestből származó egyéb anyagokat és rostokat.
A tisztított cukros levet ezután anaerob körülmények között, enzimek közreműködésével erjesztik. Az erjedés lezárulta után következik a lepárlás, majd a víztelenítés, amellyel az etanolt a kívánt tisztaságig töményítik.
Cukorcirok
A cirokfélék jól ismert erőssége, hogy a szélsőséges időjárást – különösen a forró, aszályos évjáratokat – kifejezetten jól tűrik, alkalmazkodóképességük pedig kiemelkedő. Az elmúlt évek elhúzódó, csapadékmentes időszakai miatt a kukoricatermesztés hazánk egyes térségeiben egyre kockázatosabbá, helyenként pedig sikertelenné vált. Emiatt alternatív gabonanövényként fokozódott az érdeklődés a cirokfélék iránt.
Ebben a helyzetben a cukorcirok szerepe is felértékelődhet, különösen akkor, ha gyelembe vesszük a bioüzemanyagok iránti kereslet tartós növekedését. A növény akár a kukorica fontos kiegészítőjévé, bizonyos termőhelyeken pedig részbeni kiváltójává válhat az etanolgyártás alapanyag-ellátásában. Előnye, hogy feldolgozáskor a szárából kipréselt, magas cukortartalmú lé erjesztéssel közvetlenül alkohollá alakítható – szemben a kukoricával, ahol a keményítőt előbb cukorrá kell bontani.
Hozama etanolban a kukoricáéhoz hasonló nagyságrendű: fajtától és termesztéstechnológiától függően hektáronként nagyjából 2000–3200 l bioetanol nyerhető belőle.
Csicsóka
Magyarországon üzemanyagcélú előállításra egyelőre nem használják széles körben, pedig a csicsóka kifejezetten jó alapanyag lehet. Egy tonna csicsókagumóból megközelítőleg 100 l alkohol állítható elő, így 50–60 t/ha gumóterméssel számolva hektáronként akár 3100–4200 l bioetanol is gyártható. A többi említett növénytől eltérően itt nem cukor- vagy keményítőtartalmat hasznosítanak, hanem az inulint dolgozzák fel, a technológia fő lépései azonban a keményítőalapú eljárásokhoz hasonlóak.
A csicsóka föld feletti részek is fontosak, akár takarmányozásra, akár – száraz állapotban – égetésre, 17–18 MJ energia nyerhető ki belőle szárazanyag-kilogrammonként, ami kedvező érték a biomassza-tüzelés szempontjából.
EU-trendek és hazai helyzetkép
Az Európai Unió egyre nagyobb arányban szeretné érvényesíteni a megújuló energiaforrásokat a fosszilis üzemanyagok kiváltásában, így a bio etanol iránt várhatóan tartós marad a kereslet. Magyarország az előállításban kifejezetten jól teljesít: az egy főre jutó etanolmennyiség alapján a nemzetközi élmezőnyben vagyunk, és a hazai termelés az uniós össztermelés több mint 10%-át adja.
Ahogy láttuk, a kukorica több szempontból is az egyik legkedveltebb alapanyag: magas terméshozamra képes, és termesztésében évtizedes tapasztalatunk van. Ugyanakkor a klímaváltozás – az elmúlt évek tapasztalatai alapján – egyre nagyobb kockázatot jelent a sikeres kukoricatermesztés számára, miközben felhasználása a takarmány- és élelmiszeripar mellett az energiaszektorban is tovább bővül. Jelentősége így vitathatatlan: a kiváltását célzó törekvések helyett inkább a termésbiztonság növelésére érdemes koncentrálni. Ennek több iránya is körvonalazódik, például a nemesítés, az öntözés fejlesztése, a talajművelés korszerűsítése, a vetésváltás, valamint a tápanyag-gazdálkodás finomhangolása.
Dr. Dóka Lajos Fülöp adjunktus,
Dr. Szabó Éva adjunktus,
Dr. Szabó András adjunktus
DE MÉK Növénytermesztési, Nemesítési és Növénytechnológiai Intézet
Agrárágazat Tudástár: Bioetanol – A bioetanol növényi eredetű biomasszából (cukor- vagy keményítőtartalmú növényekből, pl. cukorrépa, kukorica, búza) erjesztéssel és desztillálással előállított etil-alkohol, amelyet a benzinhez keverve (pl. E5, E10, E85) üzemanyagként használnak. Előnye, hogy részben megújuló, és az oktánszámot is növeli, hátránya, hogy energiatartalma alacsonyabb a benzinénél, így ugyanahhoz a teljesítményhez több kell belőle.
