Biorafinerie – nové technologie zpracování odpadů

Výrobní linky pro účinné materiálově-energetické zpracování odpadů jako suroviny pro výrobu pokročilých biopaliv či cenné chemicky látky jsou stále ve vývoji. Doposud nebyly vyvinuty takové technologie zpracování, které by zaručily možnost energeticky efektivního, ekonomicky rentabilního a ekologicky šetrného komplexního velkoobjemového zpracování odpadní biomasy na pokročilá biopaliva a bioprodukty. Důvodem je to, že biopaliva a bioprodukty nejsou schopny svými výrobními náklady a jakostí konkurovat konvenčním palivům či petrochemickým produktům.

V poslední době se při zpracování odpadů upřednostňuje koncept tzv. biorafinerie. Jedná se o flexibilní multitechnologický provoz, ve kterém dochází k paralelní konverzi odpadní biomasy na biomateriály, biochemikálie a biopaliva souběžně s výrobou elektrické energie či tepla. Princip zpracování surovin je zpravidla založen na kombinacích termochemických, biochemických a termických metod zpracování. Výstupními produkty jsou např. biometan, elektrická energie a teplo, biopaliva, cenné chemické látky a vodík, polymery, složky kompozitních materiálů, potravinářské a farmaceutické látky.

Autorský tým Ústavu procesní a zpracovatelské techniky Fakulty strojní ČVUT v Praze prezentoval několik vlastních originálních ideových návrhů a technicko-ekonomických studií biorafinerií, ve kterých se zaměřil na posouzení strojně-technologické části výrobní linky a limitů technické vyspělosti.

První ukázkou může být technologie výroby celulózových vláken. Surovinou je v tomto případě biomasa s lignocelulózovým základem (traviny, dřevní odpady, sláma). Tedy surovina, která je nevyužitá, volně leží na poli nebo je přímo spalována. Vlastní návrh biorafinerie uvažuje, že biomasa prochází technologickými celky drcení a hydrotermickou předúpravou. Během tohoto zpracování dochází díky rozvaření biomasy k rozvláknění lignocelulózové matrice. Celulózová vlákna se odseparují a vysuší. V závislosti na jejich čistotě jsou připravena k použití jako izolace, biodegradabilní výztuž do biokompozitů, v elektronice, kosmetice nebo k výrobě membrán. Kapalná část vsádky po hydrotermickém rozvaření je vedena na anaerobní fermentaci. Vzniklý bioplyn je spálen v kogenerační jednotce. Produkovaná elektrická energie je distribuována do rozvodné sítě a vznikající teplo je využito k vysušení celulózových vláken a jako decentralizovaný zdroj tepla.

Druhou ukázkou může být technologie zpracování rybích odpadů s dostupným množství 71×106 t v roce 2020. Ideový návrh předpokládá hygienickou stabilizaci rybího odpadu a jeho následné smíchaní s kejdou. Vsádka podléhá anaerobní fermentaci, při které vzniká bioplyn a digestát. Bioplyn je metodou PSA vyčištěn a zušlechtěn na biometan. Fermentační zbytek po anaerobní digesci je mechanicky zpracován. Vzniká pevná část, separát a kapalná část, fugát, tj. kapalina bohatá na minerální prvky. Inovativní technologie reverzní osmózy umožňuje separovat vodu, zahuštěné minerály prvky jsou připraveny k použití jako koncentrované kapalné hnojivo. Nová metoda může být realizována v přímořských oblastech. Mořské ryby se běžně zpracovávají přímo na lodích, které jsou vybaveny technologiemi pro zpracování vedlejších živočišných produktů, kontejnerovými kafileriemi, nebo se „zbytky“ vhazují do moře. Nový koncept nabízí možnost využít rybí odpad jako decentralizovaný zdroj paliva, minerálního hnojiva, elektrické energie či tepla v dané lokalitě.

Uvedené koncepty biorafinerií představují inovativní směry v oblasti biotechnologického zpracování odpadů. Nicméně typická otázka z vědecké sféry, průmyslové praxe i veřejnosti vždy zní: „Vyplatí se to?“. Veškeré koncepty biorafinerie jsou vždy založeny na předpokladu, že díky vyšším výkupním cenám produktů a maximálnímu využití odpadní suroviny i emisních plynů lze dosáhnout pozitivní ekonomické bilance procesu.

Technicko-ekonomické studie však potvrzují, že daná řešení nejsou za standardních tržních podmínek zpravidla ekonomicky rentabilní. Důvodem jsou zejména vysoké investiční náklady, ceny energií, výkupní ceny produktů a nízká technická vyspělost určitých technologických kroků. Zpracování odpadů v konceptu biorafinerie však nabízí příležitost efektivního decentralizovaného zpracování odpadů, minimalizaci množství skládkovaných odpadů, snížení zátěže na životní prostředí a produkci eko-inovativních materiálů. Současný stav realizací je však limitován nejen výše technickými limity, ale i nezájmem z řad investorů, vztahem poptávka versus nabídka bioproduktů a lokální legislativou.

Tento výzkum vznikl na infrastruktuře a znalostech získaných v projektu OP VVV „Centrum výzkumu nízkouhlíkových energetických technologií“.
 
Kontakt: doc. Ing. Lukáš Krátký, Ph.D.; Lukas.Kratky@fs.cvut.cz