A keményítő és cukortartalmú növények termesztése és felhasználása bioetanol előállításra. Kovács Gergő Péter SZIE-MKK Növénytermesztési Intézet Gödöllő
Előadás 1.Bioetanol alapanyagok rövid csoportosítása 2.Bioetanol előállításra alkalmas növények rövid jellemzése 3.Szünet 4.Bioetanol előállítás technológiai ismertetése 5.Bioetanol gazdasági és társadalmi hatásainak áttekintése 6.Kérdések az adott témakörben.
Történelmi áttekintés I. Szudáni ásatások során 7000 éves edényben kimutatták a sör maradványait. Első írásos emlékeink Mezopotámiai kőtábla i. e. 2800
Történelmi áttekintés II.
Történelmi áttekintés III. Égetett szeszek a 12. században jelentek meg, de elsősorban gyógyászati célokra használták fel őket. A középkorban a szerzetesek élen jártak különféle szeszes italok megalkotásában. A bor és sörfogyasztás jelentős volt a középkori Európában.
Energianövények csoportosítása Folyékony energiahordozó alapanyagok Burgonya Búza Cikória Cukorcirok Csicsóka Kukorica Olajnövények Napraforgó Őszi káposztarepce Szilárd energiahordozó növények Energiakender Kínai nád Olasznád Nádképű csenkesz Óriás keserűfű Szudánifű Zöld pántlikafű Gáznemű energiahordozó növények Angol perje Cukorcirok Kukorica Nádképű csenkesz Rozs Búza Tritikálé
Bioetanol alapanyagok Bioetanol alapanyagok Első generációs Második generációs Keményítő tartalmú Cukor tartalmú Lignocellulóz tartalmú Kukorica Búza Rozs Tritikálé Cukorrépa Cukorcirok Cukorcirok Szudánifű Energiafű Olasz nád (Arundo) Kínai nád (Miscanthus)
Gabonatermesztés 2013 (Globális) (millió tonna) Kukorica 1 018 Rizs 741 Búza 716 Árpa 144 Köles 62 Zab 24 Rozs 17 0 300 600 900 1200
Kukorica A kukorica szemben található keményítőt használjuk bioetanol előállításra. A szemek átlagos keményítőtartalma 65 %. Az EU tagországaiban a kukorica egyenleg néhány ország kivételével (Franciao., Magyaro., Szlovákia, Bulgária, Cseho., Ciprus) általánosan negatív. Termésátlaga: 0-16 t/ha (7,8 t/ha) Vetésterület: 1,1-1,2 millió hektár (Mo) Betakarított mennyiség: 9,3 millió tonna (2014) Hazai felhasználás 4-4,5 millió tonna
Kukorica
Kukorica Etanol kihozatal növelése Termés mennyiség Beltartalom Ipari feldolgozás Növénytermesztés és nemesítés Ipar Új technológiák
Kukorica A hagyományos lófogú kukoricában a keményítőben található amilopektin/amylóz arány 75/25%. A Waxy kukoricában közel 100%- os az amilopektin részaránya. PIONEER (HES-High Extractable Starch) (HTF-High Total Fermentable) 235 etanol hibrid MONSANT O DEKALB SYNGENTA A hagyományos hibridektől elmarad a terméshozam. A Waxy kukoricák vízleadás lassabb.
Kukorica Syngenta ENOGEN PROGRAM (Alfa-amiláz keményítőbontó enzim már a magban megtalálható) Forrás: www3.syngenta.com
Kukorica Syngenta CELLARATE PROGRAM (Kukorica szem rost-tartalmának felhasználása)
Búza A búzaszemben található keményítőt használjuk fel. A szemek átlagos keményítőtartalma 60-70%. Termésátlaga: 0-10 t/ha (4,7 t/ha) Vetésterület: 1,1 millió hektár (2014) Betakarított mennyiség: 5,2 millió tonna (2014) Magyarországon a megtermelt gabona felhasználása: 48, % takarmány, 22,2% export, 10,1% élelmiszer, 12,1% egyéb ipar és 6,9% vetőmag. Inkább élelmezési célú felhasználása javasolt.
Burgonya Burgonya gumóban található szénhidrátokat használjuk bioetanol előállításra. Keményítő-tartalma 14-20% Termésátlaga: 10-50 t/ha (25 t/ha) Vetésterület: 21 ezer hektár (2014) Betakarított mennyiség: 567 ezer tonna (2014) Finomszesz gyártásban betöltött szerepe jelentős.
Cukorrépa A répatestben található szacharózt hasznosítjuk. A répatest 17%-ban szacharózt és egyéb inverz cukrokat tartalmaz. Termésátlaga: 30-70 t/ha (69 t/ha) Vetésterület: 15 ezer hektár (2014) Betakarított mennyiség: 1017 ezer tonna (2014) A cukorrépa termesztés elsősorban Európában koncentrálodik.
Cukorrépa Szeletelés Termés: 40 t/ha Víz: 77% Cukor: 17% Nem-cukor:4 % Cukros lé kinyerése Fermentáció Desztílláció Vízmentes etanol: 3250 l/ha Energia: 26,8 Mj/kg Víztelenítés
Cukorcirok A szárban található szacharózt hasznosítjuk. A szár 10-12%-ban szacharózt és egyéb inverz cukrokat tartalmaz. Termésátlaga: 30-120 t/ha (zöldtömegben) Vetésterület: 10-15 ezer hektár (2014) legfőképpen silónak A cukorcirok termesztése forró égövi területeken gazdaságosabb. Magyarországon jelenleg nincs olyan, amely nagy mennyiségben fel tudná dolgozni.
Cukorcirok - Évjárat hatás
Cukorcirok - Talajművelés
Cukorcirok - Tápanyag
Cukorcirok-cukoreloszlás
Cukorcirok
Cukorcirok
Cukorcirok
Bioetanol gyártás folyamata I. 1.Alapanyag előkészítés 2.Hidrolízis/cukrosítás 3.Erjesztés/fermentáció 4.Desztílláció 5.Töményítés 6.Maradványanyag kezelése
Bioetanol gyártás folyamata II. 1.Alapanyag előkészítés: darálás (méretcsökkentés, felületnövelés) + főzés, gőzölés (rostok, sejtfalak roncsolása) 2.Hidrolízis: savval vagy enzimmel (α-, β-amiláz, glüko-amiláz) a hosszú szénhidrátláncok feldarabolása glükózzá. 3.Erjesztés: élesztőgomba (Sacchoromyces cerevisiae) bekeverése + hűtés cefre (10-18% alkohol + magas víztartalom + szilárd maradványanyagok) 4.Desztilláció: elgőzöltetés + cseppfolyósítás 95-96%-os alkohol
Bioetanol gyártás folyamata III. 5. Töményítés: molekulaszűrő 99,9%-os tisztaságú alkohol 6. Maradványanyag kezelése: desztillációs maradék centrifugálása és/vagy bepárlása 60-70 m/m%-os nedvességtartalmú cefremaradvány (DGS Distillery Grain with Solubles) szárítás 16% alá DDGS (Dried Distillery Grain with Solubles) magas fehérje és rosttartalmú, tárolható takarmány
Bioetanol gyártás IV. Nyersanyagok feldolgozása 1.Nedves őrléses technológia: gabona áztatása kén-dioxidos vízben (erjedés gátlása) darálás (több fokozatban) nyersanyag frakcionálása magban lévő komponensek különkülön kinyerése és értékesítése (csíraolaj, fehérje, rost) 2.Száraz őrléses technológia: gabona száraz őrlése nincs szeparálás hidrolízis
Alapanyag Alapanyag előkészítés Hidrolízis (Cukrosítás) Bioetanol gyártás technológiai folyamata Hulladékhő Biomassza Többlépcsős fermentáció Hálózat Biogáz Desztilláció Etanol motor Generátor Földgáz Szeszmoslék Etanol Szállítás Finomító Dehidrálás Nedves takarmány Állattenyésztés Száraz őrlés 100 kg kukorica Etanol kihozatal Nedves őrlés 100 kg kukorica 32,5 kg etanol 28,8 kg DDGS 30,0 kg CO 2 29,3 kg etanol 3,3 kg csíraolaj 4,7 kg sikér 20,1 kg sikértakarmány 28,3 kg CO 2
Alapanyagok etanol-kihozatala Növény Termelés Átalakítási hatékonyság % Etanolkihozatal Átlag, t/ha l/t l/ha Cukorrépa 38,0 35 95 4300 Búza 3,5 24 356 1200 Kukorica 4,5 32 387 2100 Burgonya 10,3 82 110 3050 Cukornád 57,0 31 67 5300
Energiamegtérülési mutató EROEI, Energy Return on Energy Invested Level Two EROEI = Kinyert teljes energia/befektetett teljes energia Etanol alapanyag Energiamegtérülés Cukorrépa 1,2 2,5 Lignocellulóz 1,9 5,6 Kalászosok 1,1 2,3 Kukorica 0,9 1,8
E85 bioüzemanyag Vízmentes bioetanol és célirányosan kiválasztott szabványos szuperbenzin, valamint kimondottan erre a célra kifejlesztett adalékcsomag megfelelő arányú elegye. A 85 jelzés a hagyományos benzinekkel szemben a maximális alkohol tartalmat takarja, az E85 oktánszáma min 105.
Magyarországi E85 töltőállomások
Magyarország bioetanol gyárai Pannonia Ethanol évente 450 millió liter bioetanol üzemanyagot, 250,000 tonna magas fehérjetartalmú állati takarmányt (gabonatörkölyt) termel, alapanyagként 1,000,000 tonna kukoricát használ fel. A Hungrana Kft. 2008-ban bioetanol-üzemegységet épített, ahol éves szinten 110 ezer tonna üzemanyagcélú bekeverésre gyártott bioetanolt állít elő megújuló energiaforrásból (1,000,000 tonna kukorica) Az MBSZ álláspontja szerint, az ország még 3 (2010es adat) Hungrana nagyságú gyárat is elbírna - mind alapanyag piaci, mind felhasználói oldalról tekintve, ugyanis a hazai adottságokkal évente 1,5 millió liter bioetanol előállításra is lehetőség lenne. Ennek a gyártókapacitások alig egytizedét tették ki 2010-ig, a dunaföldvári üzemmel együtt is az MBSZ szerint csak 20%-át használjuk a lehetőségeinknek.
Tervezett bioetanol üzemek
Bioetanol előállítás kérdései Potenciális lehetőségek Infrastruktúra Versenyképesség Kőolajalapú termékek Egyéb alternatív hajtóanyagok Alapanyag másirányú hasznosítása Vitatott kérdések Élelmiszer-biztonság Területigény Környezetvédelem Energetikai hatékonyság Munkahely-teremtés Ellentmondásos elvárások
Élelmiszer vagy energia?
80 liter
Minden 4. másodpercben éhen hal egy ember 70% GYERMEK Legfőbb oka a szárazság és a túlnépesedés az Afrikai kontinensen
Népesség növekedés
Világ gabona felhasználása (2012) 50 47 38 25 34 13 0 Humán élelmezés Állati takarmányok Egyéb** Bioetanol 13 6
Bioüzemanyag gyártás 2014 Amerikai Egyesült Államok Brazilia 16 656 (1000 tonna) KoE 30 056 Németország Argentina Indonézia Franciaország Kína Hollandia Thaiföld Kanada 2 684 2 577 2 444 2 269 2 083 1 445 1 402 1 143 0 10000 20000 30000 40000
Bioetanol gyártás 2014 16000 14 300 12000 (millió gallon) 8000 6 190 4000 0 1 445 635 510 310 160 155 USA Brazilia Európa Kína Kanada Thaiföld Argentina India
Bioetanol gyártás 2014 (millió gallon) Afrika 42 Ázsia 952 Ausztrália 71 Európa 1 179 Észak és Közép-Amerika 13 768 Dél-Amerika 5 800 0 3500 7000 10500 14000 17500
Legnagyobb bioetanol gyártók ADM (1,75 milliárd gallon/év) 7 db üzem POET (1,6 milliárd gallon/év) 27 db üzem Valero Energy Corporation (1,2 milliárd gallon/év) 10 db üzem Green Plains Renewable Energy (750 millió gallon/év) Flint Hills Resources (440 millió gallon/év) Az Egyesült Államok termelésének több mint 40%-át adja az 5 legnagyobb gyártó.
Bioüzemanyag gyártás (2. és 3. generáció) USA 23 21 18 (milliárd gallon) 15 8 7 9 11 13 15 6 0 4 3 1 1 1 2 2009 2010 2011 2012 2013* 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022
Bioüzemanyag üzletág 2005-2012 125 100 95 98 (milliárd USA dollár) 75 50 45 56 83 25 16 21 25 35 0 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
Biomassza üzletág 2010-2015 875 (milliárd USA dollár) 700 525 350 573 595 619 643 668 694 175 0 2010 2011 2012 2013 2014 2015
Bioetanol előnyei Megújuló energiaforrás Általában olcsóbb, mint a fosszilis üzemanyag Megfelelő növénynél magas alkoholhozam Hagyományok (szeszgyártás) Mezőgazdaság prioritása Termelés és hasznosítás területileg integrálható Pozitív hatás a kapcsolódó iparágakra (vegyipar, mezőgazdasági gépgyártás) Mezőgazdaság feleslegei hasznosíthatók Magasabb hozzáadott értékkel rendelkező terméket exportálhatunk (GDP növekedés, vidékfejlesztés, munkahelyek)
Bioetanol hátrányai Megfelelő növény termelése korlátozott (vetésforgó) Motorok átalakítása szükséges Energiamérleg még mindig negatív Elvileg 13%-os CO 2 -kibocsátás csökkenés (alapanyag előállítást nem számolja ) Magas beruházási-üzemeltetési költségek Benzin hatékonyságának csupán 70%-a érhető el Melléktermék hasznosításának megoldatlansága Emelkedő ár meddig gazdaságos még? Esetleges víztartalom motor károsodása!
Köszönöm a megtisztelő figyelmet!!!