Budoucnost motorových paliv Česká asociace petrolejářského průmyslu a obchodu Milan Vitvar červen 2013 1
Obsah Fosilní paliva Alternatívní paliva Ekologie spalování paliv Biopaliva Obnovitelné zdroje a legislativa v EU Vyspělé výroby biopaliv Jak dál v EU, situace v USA, situace v ČR Vyspělé výroby biopaliv- další směřování Těžba břidličných energetických surovin Důsledky těžby břidličné ropy Výhled do roku 2050 2
Fosilní paliva Královská místa stále náleží autobenzinu a motorové naftě. Ve světě se ročně spotřebuje asi 2 200 Mtoe/r USA používají více automobilový benzín, Evropa spíše motorovou naftu. (Historické důvody, zaměření komerční dopravy, daňové zatížení a efektivnost) Ropa a její produkty se podílí asi 30 % na světové roční spotřebě energie Rostoucí nároky probouzejících se motoristických gigantů Číny a Indie. Značná část ropy se nachází v politicky nestabilních oblastech středního východu: Otázka skutečných světových zásob, udržitelné těžby, mezinárodní závislosti Dosud nevyřešený problém ekologie Kulatý stůl Motorová paliva pro silniční přepravu 3
Alternatívní paliva: Cíl: Nahradit částečně nebo úplně stávající fosilní paliva nebo zajistit pohon vozidel jiným způsobem než vnitřním spalováním Důvody pro jejich uplatnění mohou vycházet z : ekologie ( biopaliva jako obnovitelný zdroj) vědomí limitu ropných zásob politicko-hospodářské důvody (biopaliva pro kompenzaci přebytků v zem. výrobě, globální bezpečnost v zásobování trhu energií) Hlavní alternatívní paliva: LPG : Bilance plynů při zpracování ropy a jejich využití, dobré vlastnosti - úzká směs uhlovodíků OČMM 89, pro pohon je v ČR používáno cca 80 000 t/r. Používají se běžné benzinové motory, emisní parametry jsou lepší tlak v nádrži 1,4 MPa Není přílišný zájem výrobců automobilů LPG rozšiřovat pro omezené zdroje, existovaly problémy s nekompatibilními materiály. 4
Alternatívní paliva CNG Dostupnost a zajištěnost zdrojů, metan jediný uhlovodík, přednost při návrhu motorů. OČVM 128. Dobré emisní parametry Stlačen na 25 MPa Podpora plynárenských podniků, očekáváno podstatnější rozšíření Kryogenní forma LNG ( bod varu 160 C). Určena pro veliké motory Vodík Dávný sen ekologů zcela čisté palivo, diskutován v souvislosti s nukleárními/solárními /vodními/větrnými elektrárnami a elektrolýzou vody. Jiné technologie zajištění suroviny vycházejí z fosilních nebo bio paliv. Patrně omezené využití v příštích dekádách Elektrická energie Spojení baterie a elektrický motor naráží na omezenou kapacitu baterií. Existuje intenzívní výzkum právě v této problematice. Současné dojezdy mohou být až 200 km. Značná podpora v USA a Číně 5
Alternatívní paliva Hybridní pohony Jde o kombinaci spalovacího a elektrického motoru: dvojí typ: spalovací motor jako pro rychlou jízdu mimo města, elektrický používán spíše ve městech pro nižší rychlost ( lepší ekonomie provozu), anebo menší spalovací motor jen na dobíjení baterií. Využití brzdění pro dobíjení. Palivové články Elektrické motory zásobeny z palivových článků, kde se proud vyrábí z kapalných paliv. Chemická energie paliva se mění na elektrickou v důsledku oxidace paliva kyslíkem nebo jiným oxidačním činidlem. Proud směřuje od anody ke katodě elektrickým obvodem s elektromotorem, přes elektrolyt mohou procházet jenom ionty. Článek dosahuje cca 0,7 V napětí, takže pracuje více článků dohromady. Účinnost se pohybuje od 40 do 60 %. 6
Specifické použití v kosmické technice ( USA), ale nyní např. i v záložních zdrojích, pohonech strojů, motorů atd. Nově existují palivové články s výměnou protonů, používající jako elektrolyt pevnou polymerní membránu či pevné oxidy kovů a jiné materiály. Desítky typů a variant, vč. teplotních podmínek, za kterých provozují. V konečné podobě na stejném principu může být jako paliva používán i metanol, benzín či jiné uhlovodíkové frakce. Oxidantem může být i vzduch. Výsledkem reakcí je voda a CO2. Zatím spíše ve stadiu pokročilého výzkumu a prototypů. Cenově i výrobně jsou poměrně náročné, v USA nejsou z důvodu nákladů považovány za prioritně perspektivní. Z alternatívních paliv jsou nejslibnější zemní plyn, biopaliva a elektrická energie (IEC) 7
Ekologie spalování paliv: Roční globální emise činí 50 000 Mt CO2 ( 23 % z toho doprava) Scénáře vlivu skleníkových plynů na podmínky celé planety Ke konci století může globální oteplení činit až 6 C Významné meteorologické jevy, hladiny moří a ztráta území, podmínky života na planetě Bioenergie jako taková a její součást - biopaliva jako alternatívní zdroj v dopravě - mohou významně pomoci zlepšit ekologickou situaci. Jde o obnovitelnou energii. V dnešní době se bioenergie podílí 10 % na celkové energetické spotřebě a do roku 2050 by se měl tento podíl ztrojnásobit. (2% podíl v palivech) CO2 emitován do atmosféry je v průběhu času znovu pohlcován rostlinami během fotosyntézy Další předností je vytvoření pracovních míst pro výrobu biopaliv v celém svém řetězci, postupná nižší závislost na fosilních zdrojích 8
Biopaliva alternatívní a obnovitelný zdroj energie v dopravě Biopaliva první generace ( převážně výroba z potravinářských surovin) Nejstarším biopalivem je etanol ( od 20. let minulého století- OČ 106/89) mísený do autobenzínu Rozvoj nastal v Brazílii a USA, kde od 80. let nahrazuje MTBE Pro motorovou naftu jsou palivy první generace FAME, tedy v podstatě rostlinné oleje, reesterifikované metanolem. Ve světě dominuje olej palmový ( C 16 C 18), sojový ( C 18+ ) a řepkový C 18 +). Dají se zpracovávat i živočišné tuky, upotřebené kuchyňské oleje a další suroviny. 9
Globální výroba biopaliv a hlavní producenti (převážně první generace) 10
Obnovitelné zdroje v dopravě: Legislatívní rámec v Evropě: Směrnice 2009/28/EC ( Směrnice o obnovitelných zdrojích ) stanovila závazné cíle dosáhnout do roku 2020 20 % podílu obnovitelné energie v Evropské unii a 10 % podílu pro obnovitelnou energii v sektoru dopravy. Současně byla doplněna Směrnice 98/70 EC ( Směrnice o kvalitě paliv ), která zavedla závazný cíl dosáhnout do roku 2020 redukci 6 % obsahu skleníkových plynů v palivech, používaných v provozu mobilních prostředků. Směrnice nezohledňovaly vysoké emise skleníkových plynů, které vznikají jako důsledek zvýšené poptávky po kapalných biopalivech ve světě. Státy EU jsou schopny saturovat biosložky pro paliva přibližně ze 2/3 své současné spotřeby. 1/3 se dováží ze států, kde dochází k záboru nezemědělské půdy. V roce 2020 by importy měly krýt téměř dvojnásobnou poptávku oproti současnému stavu 11
Obnovitelné zdroje: Důsledkem poptávky jsou tzv. nepřímé změně ve využití půdy ( ILUC), která vede ke globálnímu řetězci změn, končícímu záborem nových přírodních území (savany, rašeliniště, mokřadla, pralesy atp). Zejména odlesněním deštných pralesů vznikají vysoké škody. Jsou obavy ze ztráty biodiverzity a nejúčinnějšího sytému pro pohlcování CO2. Mění se zásoba uhlíku, tedy vlastnost charakteristická pro kteroukoliv půdu, změnou ve využití a vypalováním území s velkou zásobou uhlíku je uvolňován CO2 a další zplodiny do atmosféry. 12
Obnovitelné zdroje: Evropská komise a parlament se proto rozhodly navrhnout novelizaci původní směrnice a nastavit nová pravidla s cílem minimalizovat vliv nepřímé změny ve využití půdy.. 13
Evropská komise spolu s dalšími relevantními organizacemi vybrala variantu, kdy dojde k omezení výroby tzv. I. generace biopaliv ( výroba složek z potravinářských surovin, tedy olejnin a škrobovin) a akcentuje vývoj a komerční využití vyspělých biopaliv, tedy biopaliv původně ve směrnici 28 označovaných jako biopaliva druhé ( celulóza, lignocelulóza) a třetí (řasy, odpady) generace. 14
Hlavní prvky návrhu novelizace směrnice podíl biopaliv z potravinářských surovin bude limitován na 5 % konečné spotřeby energie v dopravě ( 5 + 5 %) biopaliva vyrobená z řas, biologické části směsného komunálního odpadu, biomasy z průmyslových odpadů, slámy, zvířecího hnoje, zbytků při výrobě palmového oleje, surového glycerinu, odpadního oleje z celulózek, odpadů při výrobě vína, slupek a skořápek ořechů, zbytků třtiny, vymlácených kukuřičných klasů, kůry, větví, pilin, listí, odřezků ze zarovnávání prken. budou započtena čtyřnásobně biopaliva vyrobená z upotřebených kuchyňských olejů, zvířecího tuku, nepotravinářského celulózového materiálu, lignocelulózy ( vyjma řezaných klád a dýhových odřezků) by měla být započítávána ve dvojnásobném energetickém obsahu. úspory skleníkových plynů by měly být alespoň 60 % pro biopaliva vyráběná na zařízeních, které zahájily provoz od 01.07. 2014 nebo později. V případě výroby biopaliv v zařízeních, které byly v provozu před 01.07. 2014 by tato měla dosahovat úspory skleníkových plynů alespoň 35 %, a to do 31. prosince 2017 a od 01.01. 2018 alespoň 50 % 15
Praktické zajištění ILUC stanoven paušálně dle přílohy 1 novelizace obilniny 12 g CO2/MJ cukrové plodiny 13 g CO2/MJ olejniny 55 g CO2/MJ ILUC se jen vykazuje, nepočítá se do cíle!!! Výhledově se hodnoty a výpočty ILUCu mohou měnit modely) (ekonometrické Pokud by byl ILUC závazný, byly by emise např. pro řepku: 52g + 55 g CO2/MJ. Olejniny v tomto případě přestávají vyhovovat ( fosilní palivo 83,8 g CO2/MJ) 16
Vyspělé výroby biopaliv Biopaliva vyráběná biochemickými postupy, fermentacemi, hydrolýzou, a to z celulózových odpadů současně jeden z hlavních směrů, zejména v USA Biopaliva vyráběná termochemickými cestami, tedy pyrolýzou, zplyňováním, s využitím katalytických postupů nebo bez nich, ze stejných surovin nebo jiných odpadů, vč. případného využití FT syntézy a hydrokrakování. Produkty mohou být: biometanol, bioetanol, biobutanol, biodme, biovodík, směs alkoholů, směsi uhlovodíků Výroba řas ( dále s použitím uvedených procesů) Výroba řas fotosyntetickou cestou z odpadního CO2 (následují výše uvedené cesty vč. případné reesterifikace olejů) Zpracování odpadů (obě uvedené cesty + mnoho způsobů dle druhu Reesterifikace upotřebených kuchyňských olejů, zvířecích tuků aj. Hydrogenace VGO (?) 17
Vyspělé výroby biopaliv Nejvíce průmyslově zvládnutá je prozatím výroba bioalkoholu z celulózy a hemicelulózy, získávané z biomasy. V USA jsou desítky závodů na zpracování zemědělských zbytků nebo dřeva a další se staví, a to v komerčních velikostech. V Evropě by zatím měl být v provozu závod v severní Itálii Lze využít obilních lihovarů, ke kterým se přidají stupně přípravy biomasy a další fermentační stupně pro přeměnu hemicelulózy/celulózy ve zkvasitelné cukry Termochemické cesty se nacházejí prozatím spíše ve výzkumných a poloprovozních stupních: Rychlá pyrolýza je uskutečňována v náročném zařízení, kdy se vysušená biomasa zahřeje na cca 500 C během 1 4 sekund. Po ochlazení a separaci je získán tzv. pyrolýzní olej ( až 80 %). Je nemísitelný s uhlovodíky, rozpustný ve vodě, obsahuje určité množství vody ( cca 10 15 %) a jeho výhřevnost je přibližně poloviční oproti fosilnim palivům. Je nutno zajistit separaci vody a hydrogenaci k odstranění kyslíku. 18
Vyspělé výroby biopaliv Proces rozkladu biomasy superkritickou vodou ( SCW proces) probíhá při tlaku 22,4 MPa a teplotách okolo 374 C, kdy se voda dostává do nadkritického stavu, stává se silným oxidačním činidlem a dokáže rozkládat biomasu. Předností technologie je, že biomasa může být vlhká a variabilní. Výtěžek oleje je nižší ( asi 50 %), ale z hlediska vlastností je srovnatelný s pyrolýzním olejem. Varianta HTU ( Hydro Thermal Upgrading) prováděná při mírnějších podmínkách s delší dobou zdržení má poskytovat lepší kvalitu oleje a snížení jeho afinity k vodě. Rovněž tyto biooleje bude třeba rafinovat a dekarboxylovat BTL technologie využívá zplynění biomasy ( oxidace s podstechiometrickým poměrem kyslíku) a FT syntézy umělé ropy. Tato se následně hydrokrakuje. I když jsou finální paliva velmi kvalitní, celkový výtěžek nafty se pohybuje od 10 do 20 % a celkově je zařízení vysoce investičně a provozně náročné. 19
Vyspělé výroby biopaliv, jak dál v EU? Stimuly pro první generaci: - podpora zemědělství, zvýšení výnosů za posledních 50 let - snížení emisí skleníkových plynů - závislost na fosilních palivech Stimuly pro druhou generaci: - zhodnocení odpadní biomasy: až 10 % biomasy - silná konkurence ve využití jako OZE dle stejné směrnice 28/99, podpora v rámci jiných programů. Biomasa se spaluje za účelem výroby energie: ČEZ: několik elektráren a tepláren; - Využití biomasy není v současnosti palčivým ekonomickým problémem, cena biopaliv z biomasy je prozatím vyšší než z potravinářských plodin - snížení emisí skleníkových plynů, zabránění ILUC - závislost na fosilních palivech Stimuly pro třetí generaci: -????, odpady, řasy, pohlcení plynného CO2. Nenáročnost na rozlohu půdy, efektivita vlastního růstu řas. Cena prozatím více než trojnásobná oproti potravinářským plodinám. Chybí ekonomické stimuly - snížení emisí skleníkových plynů - závislost na fosilních palivech 20
Situace v USA: USA jsou mnohem dále než EU EISA 2007, dále RFS 2, ročně korigovaná ze strany EPA Jednoznačná povinnost, vč. kvót na vyspělá biopaliva. Snaha omezit bioetanol z kukuřice, za posledních 10 let se prudce zvýšilo pěstování kukuřice pro bioetanol a nyní tam směřuje více než 40 % produkce Jiný historický vývoj ( zabránění škod z použití MTBE), orientace na bioetanol, představa o postupné náhradě fosilních paliv. RFS 2 definuje i finanční motivace výrobcům, zvýhodňuje celulózový etanol. Komerční závody na výrobu celulózového etanolu se začínají stavět, výroba biopaliv z řas zatím minimálně. Do roku 2015 by mělo být uvedeno do provozu 27 nových závodů, 16 z nich na celulózový etanol 21
Situace v USA: Do roku 2022 by mělo směřovat 136 mil m3/r biopaliv do celkové spotřeby Rozdíl v pojmech oproti EU : termín vyspělá biopaliva zahrnuje téměř všechny typy s výjimkou kukuřičného etanolu V USA jsou vyspělými biopalivy i metylestery z řepkového a zejména sojového oleje, jatrophy a lničky seté. Zařazování plodin a druhů provádí EPA, která jinak celkově řídí produkci biopaliv na federální úrovni z pověření legislativy. Má mandát i např. snížit povinnost vzhledem k podmínkám daného roku a dále vede agendu podpor. Postavení třtinového alkoholu, jako uznávaného pokročilého paliva, i když z dovozu, je bilanční a plní srovnávací funkci z hlediska nákladů. 22
Vyspělé výroby biopaliv, jak dál? Obě nové generace se zdají být prozatím nákladově podstatně výše oproti 1. generaci, i když chybí spolehlivé srovnání. V některých studiích se upřednostňuje pyrolýza a proces SCW před biochemickými cestami pro možnost zkapalnění biomasy a snadnější logistiku a možnost zpracovávat olej ve stávajících rafineriích ropy, i když ekonomika fermentačních technologií vychází obecně lépe. Biopaliva, vyrobená termochemickými cestami z biomasy musí v následujících úpravách ztratit kyslík, a proto výtěžky produktu v ekvivalentu fosilního paliva jsou relativně nízké. Výroby jsou investičně i nákladově ( zejména energie) náročné a vzbuzují otázku, zda je tato cesta správná. V případě biopaliv z řas je hlavním problémem zajištění nutrientu, čistoty, případně i separace vody. Existují představy o výrobě biopaliv z řas poblíž elektráren a čistíren odpadních vod. Zvládnutí tohoto technologického procesu je ale velice náročné a nákladné. Proces ale může být využit i pro výrobu potravin či krmiv Smysl v nynější době: zpracování odpadu 23
Vyspělé výroby biopaliv, jak dál? Hnací silou pro další vývoj pokročilých biopaliv bude cena ropy a otázka její dlouhodobé dostupnosti. Za hranici se považuje trvale více než 130$/bbl. Komerční velikost výroby a rozvoj technologií může výhledově zlevnit biopaliva vyšších generací. Podle určitých studií by měly procesy plně vyspět v horizontu 30 60 let, kdy jejich relativní konkurenceschopnost k ropě může odpovídat 40-60 $/bbl Elektrická energie z obnovitelných zdrojů představuje principiálně jednodušší řešení, které je dnes úspěšně komerčně zvládnuto. Proto využití elektrické energie v dopravě může podstatně ovlivnit budoucnost pohonu automobilů nebo změnu dopravních technologií. Není požadavek EU na zavedení vyspělých biopaliv do 7 let předčasný? 24
Situace v ČR (biopaliva) Pozitiva: Nebývalá příležitost pro výzkum a podnikání vyspělá biopaliva - zvláště oblast likvidace odpadů a výroba řas, dále v provádění teoretických analýz a rozborů, zapojení se do mezinárodních programů ( dobrovolná schémata ) - Zákon 201/2012 Sb a Nařízení 351/2012 Předběžné stanovisko ČAPPO - Členské firmy plní povinnosti dané legislativou. Na dávkování biopaliv si motoristé zvykli, nicméně ČAPPO nepovažuje I. generaci za definitívní řešení perspektivu asociace vidí ve vyspělých biopalivech a bude podporovat příslušný výzkum 25
Těžba břidličných energetických surovin Před časem byly zveřejněny zprávy, zejména z USA, o těžbě břidlicového zemního plynu. Plyn začal být v USA natolik levný, že se vrací zpět průmysl z Asie. Plyn, ale i ropa je dobýván novou technologií horizontálních vrtů a frakturováním hornin. Přestože existují pochybnosti o možných ekologických problémech ( podzemní vody, tektonické poruchy, otřesy ), bylo rozhodnuto tento způsob realizovat na území několika států USA. Postup byl vyvinut před mnoha lety pro dotěžování klasických ropných ložisek v periferních oblastech. Ropa z břidlic bývá často označována jako tight oil. USA: Budeme zcela soběstační do několika let (2035). Významné zásoby také: Argentina, Kanada, Čína, Polsko ( plyn) 26
27
Jaké mohou být důsledky těžby břidličné ropy: Pokles cen ropy: - odsunutí či zpomalení bioprogramu - zvyšování počtu vozidel a spotřeby fosilních paliv - nedozírné důsledky pro ekologii- další masívní zvýšení emisí skleníkových plynů - země OPEC zintenzívní výstavbu zařízení na produkty s vyšší přidanou hodnotou, snížená konkurenceschopnost Evropy Nerovnováha ve světě v důsledku zdrojů ( levná ropa vs. drahá ropa, totéž o plynu, a to v kombinaci s levnou prac. sílou ) Jiný způsob globalizace, mocenských zájmů a zchudnutí států bez energetických zdrojů Snížené úsilí o zavádění energeticky vyspělých technologíí a o úspory energií???? REVOLUCE! 28
Co na závěr: Výhled do roku 2050 (dle IEC /WEC) z roku 2011 Benzín a nafta stále dominantní, ale konvenční motory s vnitřním spalováním podíl 26-78 % Dále TO a letecký petrolej Spotřeba paliv poroste ( 30% -82%): nafta a TO 40% - 200%, l. petrolej 200-300%, benzín se sníží o (16 63 %) Rozvoj biopaliv (4x vyšší než nyní), další jako elektřina, hybridy a zemní plyn se zvýší 7x Spotřeba hlavně Asie/Čína/Indie Počet aut se zvýší (2,2 x-2,6x) Urbanizace: megaměsta více než 25 50 mil. obyvatel globálně 60-100, z toho v Číně 50 Elektrizace dopravy, zvl. v megaměstech Nové dopravní systémy a technologie, zejména pro hromadnou přepravu 29
Děkuji za pozornost 30