BIOETANOL - naše naděje nebo past?

Tuto otázku si kladou vědci zejména v USA, kde se etanol jako palivo hojně využívá pro pohon motorů (1,5%) s nadějí, že rozvojem jeho produkce zmenší svou závislost na dovozu ropy. Tento trend byl vyhlášen i prezidentem Bushem s náležitou dotací na průmyslové pěstování plodin a výrobu etanolu. Při tom vyvstává řada otázek.


- jaký je poměr vstupní energie ke kalorické energii vyprodukovaného etanolu?
- kolik odpadů z produkce musí být vráceno do půdy, aby nedošlo k nevratné likvidaci humusu v půdě?,
- kolik oxidu uhličitého se při výrobě etanolu vytvoří v porovnání se spalování benzínu?,

- je proces produkce bioetanolu trvale udržitelný, nebo dojde k vyčerpání zdrojů a produkce etanolu skončí?

K vyřešení těchto otázek byla zpracována řada studií renomovanými ústavy, pro naše účely budeme využívat studií z University of California, Berkeley [Tad Patzek] a Cornell University [D.Pimentel] z posledních dvou roků. Jsou to rozsáhlé studie, zpracovávající všechny aspekty produkce etanolu vzniklé ve spolupráci vědeckých pracovníků a studentů univerzit.
http://www.coe.berkeley.edu/labnotes/0305/patzek.html

Jako zdroj pro výrobu etanolu byla použita kukuřice, jejíž technologie je dobře zmapována a ve velké měřítku v USA produkována. V USA je kukuřice pěstována na rozloze 30 mil ha, což je desetinásobek orné půdy v ČR s průměrným výnosem vlhkého zrna 8600 kg/ha s energetickým výnosem 100-130GJ/ha. To je dostatečný podklad k analýze cyklu kukuřice-etanol. Pro výrobu etanolu jsou možné další plodiny jako pšenice, víceleté plodiny-traviny-celulózový cyklus, cukrová třtina. Jejich analýza je však ovlivněna omezeným rozsahem produkce, proto zůstáváme u kukuřice s možností využití dalších plodin podle stupně poznání.

Studie A

1. Hlavní energetické vstupy produkce kukuřice a energetické vstupy na 1 ha

• dusíkatá hnojiva (všechno fosilní energie) – 8,1 GJ/ha

• fosfáty, potaš, vápno (většinou fosilní energie) – 1,69 GJ/ha

• herbicidy a insekticidy (všechno fosilní energie) 0,95 GJ/ha

• fosilní paliva : nafta, benzin, LPG, zemní plyn (obdělávání, zavlažování, vysoušení) - 6,38 GJ/ha

• elektřina (fosilní nebo atomová elektřina) – 194 kWh/h = 0,69 GJ/ha

• doprava (všechno fosilní energie) 0,4 GJ/ha

• osivo a zavlažování (skoro v šechno fosilní energie) 2,60 GJ/ha

• mechanizace&infrastruktura (většinou fosilní energie) 6,50 GJ/ha

• práce (většinou fosilní energie) 0,29 GJ/ha

• výnos etanolu 2916 l/ha = 68,15 GJ/ha

Energie spotřebovaná na pěstování kukuřice na 1 hektaru je 29,28 GJ/ha

2.Spotřeba energie na výrobu etanolu

Konverze zrna na etanol je energeticky náročný proces, který generuje značné množství skleníkových plynů kapalných a pevných odpadů.

Průběh procesu:

= >ZRNO = >	ŠKROB = >	GLUKÓZA = >	ETANOL = >
Máčení	Zkapalňování	Fermentace	destilace
Mletí	Sacharizace	CO2	dehydratace
separace

Při procesu fermentace vzniká 49% z celkového množství hmoty oxidu uhličitého, který zatěžuje životní prostředí. Při uvedených procesech se spotřebovává převážně fosilní energie. Při procesu výroby vzniká ztráta 16% suchého zrna.

Doprava v rafinerii
Musí být přepraveno 8600 kg/ha zrna, 2200 kg/ha etanolu, 2600 kg/ha lepku, je spotřebována pracovní síla.

Mletí zrna
Při mletí zrna se spotřebuje 11,36 MJ/l a 3,12 MJ/l elektřiny, celkek 14,5 MJ/l

Energie na výrobní proces etanolu je daná součtem dílčích enerií jednotlivých fází výroby a činí 52 GJ/ha.
Energie obsažená v zrnu činí 160 GJ/ha.
Tato energie vstoupí do procesu, ale do konečné energie etanolu se dostane jen malá část, čímž dojde k její degradaci.

3. Celkové hodnocení energetické spotřeby na výrobu etanolu.

Energie na 1 ha	Vstup/Výstup	GJ/ha
Energie spotřebovaná na pěstování kukuřice	Vsup	29,3
Energie spíotřebovaná na výrobu etanolu	Vstup	52,0
Energie obsažená v zrnu	Vstup	160,0
Kalorická hodnota etanolu z 1 ha půdy	Výstup	68,2

Celková vstupní energie je 241 GJ/ha, kalorická hodnota etanolu je 68,2 GJ/ha to znamená, že v tomto případě je energie vstupní 3,4 × větší, než je energetická hodnota etanolu. Z toho plyne, že bez dotací z jiných druhů energie není výroba bioetanolu trvale udržitelná.

4. Půdní humus a vyčerpávání půdy produkcí kukuřice

Def.: Humus je zúrodňující půdní komponenta, která vzniká rozkladem organické hmoty.

1 ha kukuřice produkuje 8600 kg/ha zrna a 8600 kg/ha slámy, listí a kořenů. Pěstováním kukuřičné monokultury se vyčerpá jednou sklizní kolem 2600 kg/ha humusu. Při rozkladu všech 8600 kg kukuřičných zbytků se vrátí do půdy 2100 kg/ha humusu , což je o 500 kg/ha méně, než bylo vyčerpáno. Takto vedle těžení fosilních paliv dochází i k vyčerpávání půdy. Aby úroveň humusu příliš neklesala, musí být aplikováno více dusíkatých hnojiv, což však dále zvyšuje nároky na chemickou výrobu a vedlejší produkty při fermentaci (gluten) musí být vrácen do půdy.

Uvedené hodnoty se týkyjí USA. V ČR je průměrný výnos kukuřice 6400 kg/ha, (pšenice 4,71 kg/ha) (ČSÚ), takže pro ČR musí být čísla přiměřeně korigována.

V každém případě je to hrozba nevratné devastace půdy. Ve svém prohlášení prezident Bush vyzývá k využití všech částí rostlin různých druhů k výrobě etanolu s dotací $10 mld/rok. To znamená příklon k devastaci půdy s posvědcením nejvyšších orgánů. Samozřejmě pro farmáře je to zlatý důl seslaný z nebe.

5. Emise CO₂

Otázka: Generuje průmyslový cyklus kukuřice – etanol více ekvivalentu CO₂ z jeho palivových
vstupů než plynné emise z spálením benzínu v energetické hodnotě etanolu vyrobeného z 1 ha

Uhlíkový cyklus:

Během pěstování se CO₂ váže do rostlin. Při sklizni se oddělí zrno od slámy, vysuší se a jde do fermentace, kde se vytvoří EtOH+H₂O, gluten, odpadová voda. Destilací se oddělí odpadová voda a vznikne čistý etanol, jehož spalováním vzniká CO₂. Z odpadové vody se odděluje CO₂, sláma a gluten se použije pro vytváření humusu, při čemž též vzniká CO₂.

CO₂ se vytváří během výroby a vstupu ve všech komponentech (obdělávání, výroba umělých hnojiv, mechanizaci, dopravě, výrobě pesticidů, herbicidů, výrobě elektřiny, spalování zemniho plynu, výrobě etanolu, při vzniku humusu). Při výpočtu se odečte hodnota ekvivalentu spáleného etanolu od celkově vygenerovaného CO₂ a dostaneme hodnotu emisí CO₂.

Na obrázku je ve sloupci B je ekvivalent emisí CO₂ , vygenerovaného neobnovitelnými zdroji- pěstování, výroba, odpad. voda v hodnotě 7475 kg/ha. Sloupec C zobrazuje ekvivalent benzínu spáleného etanolu v hodnotě 5268 kg/ha.
Rozdíl je 2200 kg/ha je hodnota CO₂, který je větší než hodnota vázaného CO₂ v rostlinách.

6. Souhrn výsledků studie [Patzek, Pimentel]

• Energie.
  Vstupní energie je 3,4 krát větší než kalorická hodnota vyrobeného etanolu. Hodnota se může pohybovat v rozmezí ± 3 v závislosti na půdních a klimatických podmínkách. Z toho vyplývá, že tento proces není soběstačný a musí být dotován z jiného druhu energie.

• Humus.
  Z rozboru vyplývá, že odpad z pěstování (sláma, kořeny, listy) musí být vrácen do půdy. Aby se snížila devastace půdy je ještě třeba doplňovat dusíkatá hnojiva a vedlejší produkty při fermentaci.

• Emise CO_2.
  Z rozboru vyplývá, že při procesu produkce etanolu se vygeneruje více CO₂ než se stačí vázat do rostlin během vegetace, čímž se zvětšuje množství skleníkových plynů.

• Trvalá udržitelnost
  Vzhledem k úniku tepla do atmosféry dochází k nevratnému procesu, který činí výrobu bioetanolu neobnovitelným zdrojem energie.

Studie B.

7.Oponentní studie [Farrel, Kammen, University Berkeley]
Uvedená studie dochází k závěru, že vyrobený bioetanol má větší kalorickou hodnotu než spotřebovaná energie na jeho produkci. Používá stejnou metodiku jako Patzek, ale vychází z následujících principů:
a) Místo kukuřice nebo zrní používat celulózové vstupy, které mají údajně větší jednotkový obsah energie.
b) Využít všech částí rostliny bez jejich návratu do půdy s cílem dosáhnou co největší produkce etanolu.
c) Vedlejší produkty při výrobě etanolu využít pro další účely, např. krmivo, nikoliv k návratu do půdy.
d) Do procesu nejsou započítávány energetické náklady na infrastrukturu spojenou s procesem produkce (t.j.náhradní díly, opravny, silnice, cesty, železnice, sila, elektrické generátory, vysoušeče, pumpy atd.).
e) Projekt připouští, že produkce etanolu z celulózy není ještě dostatečně prozkoumaná a výzkum je zatím na začátku. Tedy mnohé údaje o procesu jsou zatím neznámé.
f) Autoři předpokládají že při příznivém vývoji technologií by tato metoda mohla přispět k rychlému přispění etanolu k řešení nedostatku benzínu, do r. 2020 20%, do r. 2030 až 30% celkové spotřeby (v USA) což je i v souladu se záměrem vládní administrativy.

8. Poznámky k předložené analýze

• Rozbor se vztahuje na produkci etanolu z kukuřice, protože je tento proces dobře zmapovaný v USA, které jsou největším producentem kukuřice. Prezident Bush inicioval vytvoření fondu pro výzkum výroby etanolu nejenom z kukuřice, ale i z dřevěné štěpky, slámy nebo z travin a všech částí rostlin.

• V USA je dotace 54 centů na galon (3,78 l) etanolu.

• Největším producentem etanolu vládou dotované cukrové třtiny je Brazílie, která konvertovala infrastrukturu čerpacích stanic a skladů na korozivní etanol.Výroba etanolu je je vysoce dotovaná vládou.

• Není možné vytvořit univerzální rozbor pro více plodin, protože každá plodina má svoje specifické podmínky cyklu. Obecně platí, že pokud energie vstupní převyšuje kalorickou hodnotu vyrobeného etanolu, tak proces je trvale ztrátový a musí být dotován.

• Od roku 2000 bylo vytvořeno 6 studií o produkci etanolu jako motorového paliva a ve všech vycházela energetická rovnováha pro etanol negativní. V současné době vznikla další studie prof. Kammena, který vidí zlepšení v přechodu na celulózovou výrobu a zpracování veškeré organické hmoty. Tyto technologie jsou ve stadiu výzkumu a není zkušenost s velkoplošným nasazením.

• Při výrobě etanolu ze zrní je proces obdobný jako u kukuřice, u cukru (cukrová třtina, melasa) je odlišný. Poměr mezi spotřebovanou energií a hodnotou vyprodukovaného etanolu se liší podle hektarových výnosů, úrovně zavlažování, druhu použitých rostlin a klimatických podmínek.

• Provedený rozbor byl vytvořený na základě hodnocení fyzikálních a chemických procesů a nebyl ovlivněn ekonomickými parametry, které prostřednictvím různých daní, slev a dotací zamlžují pohled na energetickou rovnováhu.

• Oba projekty A. i B nedokážou posoudit vliv průmyslového pěstování monokultur na celkovou zemědělskou produkci.

• V ČR se dosud hromadná výroba za účelem výroby etanolu neprovádí, počítá se s její výrobou v r. 2007 z cukrovky a obilí a mísení etanolu do benzínu. Podle www.biom.cz v tomto roce zahájí výrobu 54 závodů. Stávající lihovary vyrábějí etanol z melasy(odpadního produktu při výrobě cukru), noví žadatelé budou vyrábět z obilí. Ve svých záměrech mají výrobny přidruženou výrobu krmných směsí, tedy spotřebovat všechen biologický materiál. Vypadá to, že ten humus ve formě vykrmených prasat projíme.

• Je na čtenáři, aby posoudil předložené problémy a vyslovil svoje úsudky, jaké dopady může která varianta mít.

• Dokument byl zpracován na základě uvedených studií čítajících několik set stran a autor tam nevkládá svoje závěry, nemá politické ani ideologické ambice.

Zpracoval Mojmír Štěrba