Jednym z priorytetowych celów Unii Europejskiej jest stworzenie zasobooszczędnej gospodarki, w której wzmacniane będzie wykorzystanie surowców pochodzenia biologicznego przy równoczesnej dbałości o środowisko naturalne. Kluczową rolę w realizacji przedmiotowych celów odgrywają rozwiązania dotyczące gospodarowania zasobami w obiegu zamkniętym, w tym biorafinerie. Oczekiwanym rezultatem przedmiotowych działań ma być wzrost efektywności wykorzystania zasobów, zwiększenie poziomu wykorzystania odpadów pochodzących z różnych gałęzi przemysłu, wzrost wykorzystania zaawansowanych technologii konwersji bioodpadów do bioproduktów o wartości dodanej oraz integrowanie się różnych sektorów gospodarki i przemysłu prowadzące do efektywnej wymiany produktów ubocznych (biomasy, pozostałości lub odpadów po procesowych).

Gospodarka o obiegu zamkniętym

Idea gospodarki o obiegu zamkniętym zakłada, że produkty, materiały oraz surowce pozostają w obiegu gospodarczym tak długo, jak tylko jest to możliwe, przy czym wszelkiego rodzaju odpady, jeśli to tylko możliwe, należy traktować jako surowiec wtórny, możliwy do wykorzystania w kolejnych lub nowych cyklach produkcyjnych (rysunek 1). Zgodnie z dokumentami europejskimi, które wprowadzają cyrkularny model gospodarki, należy dążyć do: ograniczania ilości produkowanych odpadów, organizowania systemu zbierania i gospodarowania odpadami, ograniczania ilości biodegradowalnych odpadów komunalnych kierowanych na składowiska oraz osiągnięcia określonych poziomów odzysku i recyklingu odpadów. Powyższe działania mają zapewnić korzyści środowiskowe, w postaci poprawy jakości środowiska, ochrony zdrowia ludzkiego, zrównoważonego, efektywnego i racjonalnego wykorzystywania zasobów naturalnych, zwiększenia efektywności wykorzystania energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych oraz zmniejszenie zależności krajów od zasobów importowanych, w tym pochodzących ze źródeł kopalnych.

Rys. 1. Koncepcja gospodarki o obiegu zamkniętym [1]

Gospodarka o obiegu zamkniętym jest ściśle powiązana z biogospodarką (rysunek 2), której założeniem jest wykorzystanie do realizacji przedmiotowych celów odnawialnych zasobów pochodzenia biologicznego (głównie biomasy, w tym bioodpadów) do wytwarzania szerokiej gamy bioproduktów o wartości dodanej (np. żywności, pasz, biochemikaliów, biopaliw, biopłynów, bioenergii) [2]. Procesy wykorzystania biomasy oparte są na zasadzie kaskadowego wykorzystania zasobów, co pozwala na ich optymalne i efektywne wykorzystanie oraz sprzyja minimalizacji ilości pozostałości i odpadów, poprzez ich ponowne lub wielokrotne wykorzystanie w kolejnym cyklu produkcyjnym.

Rys. 2. Wzajemne powiązania biogospodarki i gospodarki o obiegu zamkniętym [1]

Biogospodarka obejmuje wszystkie sektory wytwarzające biomasę (np. sektor rolny, leśny) oraz wszystkie działy gospodarki, które z tymi sektorami są powiązane (np. przemysł spożywczy, paszowy, drzewny, papierniczy, biopaliwowy, itp.). Sprzyja tym samym wdrażaniu innowacji [3], tworzeniu nowych gałęzi przemysłu, bazującego na biosurowcach oraz zyskuje unikalny charakter ze względu na wykorzystanie zasobów odnawialnych o niskiej (bądź zerowej) emisyjności gazów cieplarnianych, możliwości ich wielokrotnego wykorzystywania w procesach produkcyjnych oraz uzyskiwania bioproduktów końcowych charakteryzujących się korzystnymi właściwościami fizykochemicznymi (np. o mniejszej lub zerowej toksyczności, większej stabilności, trwałości, wytrzymałości) [4].
Biorafinerie
Najbardziej optymalny sposób wielkoskalowego i zrównoważonego wykorzystania biomasy we wspieranej przez Unię Europejską wizji biogospodarki stanowią biorafinerie, które są swego rodzaju zintegrowaną fabryką, łączącą różne procesy oraz urządzenia, w sposób umożliwiający wielokierunkową i kompleksową konwersję biomasy  [5, 6, 7]].

Ogólnym założeniem funkcjonowania biorafinerii jest osiągnięcie połączonego i kaskadowego wykorzystania zasobów biologicznych i materiałów odpadowych. Surowcami stosowanymi w biorafineriach są różnego rodzaju bioodpady tj.:

• biodegradowalna frakcja odpadów komunalnych i przemysłowych,
• odpady organiczne z leśnictwa, rolnictwa i przemysłu spożywczego,
• specjalne, dedykowane uprawy roślin energetycznych (np. wierzba energetyczna, topola),
• biodegradowalne odpady pochodzenia zwierzęcego i roślinnego.

W zależności od rodzaju bioodpadów i ich właściwości fizykochemicznych dobiera się metody ich konwersji (np. biologiczne, chemiczne, termochemiczne), przy czym głównymi czynnikami przesądzającymi o wyborze metody są:

• rodzaj i ilość surowca (w tym np. wilgotność biomasy),
• forma energii jaka ma być wytworzona,
• obowiązujące standardy środowiskowe,
• koszty inwestycyjne i eksploatacyjne dotyczące realizacji przedsięwzięcia.

Surowce te trafiają do biorafierii, gdzie przy wykorzystaniu wybranych metod  są przetwarzane w użyteczne bioprodukty (np. alkohole, związki chemiczne), biopaliwa (np. paliwa syntetyczne/węglowodory, paliwa gazowe) i energię. Otrzymane w procesach biorafineryjnych bioprodukty, mogą stanowić produkt końcowy technologii lub półprodukt wykorzystywany do innych procesów [9].

W biorafineriach stosowanych jest bardzo wiele różnych biosurowców, metod ich konwersji oraz otrzymanych bioproduktów, przez co elementy te stanowią o kryteriach podziału biorafinerii na różne typy (np. ze względu na: rodzaj wykorzystywanego surowca,  na stosowane procesy, produkty finalne [10-12]). Inną klasyfikacją biorafinerii może być także ich podział ze względu na liczbę i rodzaj technologii przetwarzania surowca, zwanych platformami (biorafinerie jedno-,  wieloplatformowe).

W Europie funkcjonuje ponad 220 biorafinerii, w różnych skalach (głównie pilotażowe, mniej demonstracyjne i komercyjne), z czego większość w Holandii, Kanadzie i Austrii [8]. Przykładem biorafinerii może być instalacja ACRRES w Holandii, w której z odpadów biodegradowalnych i ścieków, wytwarzane są bioprodukty w postaci: biogazu, białka, mikroalg, bioetanolu oraz pasza i nawóz (rysunek 4).

Rys. 4. Biorafineria ACRRES, Holandia [8]

Innym przykładem biorafinerii jest 3-platformowa instalacja demonstracyjna w Austrii, w której z mikroalg wytwarzane są  biopaliwa, energia, kwasy tłuszczowe i nawóz (rysunek 5).

Rys. 5. Biorafineria Ecodua Algae, Austria [8]

W zależności od zapotrzebowania rynkowego na dany produkt, bazę surowcową, posiadane zaplecze materialne (infrastruktura) i intelektualne (wiedza, know-how), układy biorafineryjne mogą występować w bardzo wielu różnych formach, rozmiarach i konfiguracjach [13]. Barierą do wdrożenia wielu technologii, pozostaje ich mała gotowość do komercjalizacji. Z tego względu prowadzone są prace nad optymalizacją procesów konwersji surowca (szczególnie lokalnego), rozwoju nowych łańcuchów jego dostaw oraz wykorzystania strumieni bocznych organicznych odpadów przemysłowych i komunalnych. Perspektywicznym rozwiązaniem może być wykorzystanie istniejących zakładów przetwórczych do tworzenia systemów biorafineryjnych (rysunek 4). Po ich modernizacji możliwy będzie wzrost wykorzystania stosowanych tam surowców, powiększenie bazy surowcowej oraz włączenie nowych procesów konwersji biomasy.

Podsumowanie

Systemy biorafineryjne, w których wytwarzane są biopaliwa, bioenergia oraz różnego rodzaju biosubstancje/biochemikalia, stanowią kluczowy element zrównoważonego i konkurencyjnego rozwoju przemysłu. Możliwość zwiększenia ilości i asortymentu wytwarzanych bioproduktów wpływa z jednej strony na wzrost wykorzystania zasobów odnawialnych (przy zmniejszonej ilości zasobów nieodnawialnych), z drugiej natomiast na zwiększanie zysków związanych z realizacją takich rozwiązań (sprzedażą lub wykorzystaniem na własne potrzeby bioproduktów, biochemikaliów, biopaliw, energii, itd.). Dodatkowo, niewątpliwie istotne są korzyści środowiskowe (np. zmniejszanie emisji gazów cieplarnianych i ilości odpadów), a także rozwój gospodarczy (nowe miejsca pracy) i ekonomiczny kraju (wzrost uniezależnienia od nośników energii pochodzenia kopalnego).

dr inż. Marlena Owczuk

Sieć Badawcza Łukasiewicz – Przemysłowy Instytut Motoryzacji

Artykuł ukazał się w wydaniu 8,9/2021 "Paliw Płynnych"