A bioetanollal kapcsolatos kutatási eredmények

Az utóbbi évtizedekben az energiaválság központi kérdéssé vált. Napjainkban számos kezdeményezés látott napvilágot alternatív energiaforrások keresésére (Lawlor, 2002). Ezek egyike a mezõgazdasági eredetû biomasszából elõállítható üzemanyag; a biodiesel, bioetanol és a biogáz. Az új energiaforrásoknak nem csak gazdasági versenyképességgel kell rendelkezniük, hanem környezetkímélõnek is kell lenniük (Hill et al. 2006).

A hazai primérenergia felhasználás szerkezete nagymértékû átalakuláson ment keresztül az elmúlt évtizedekben (1. ábra). Míg a múlt század hetvenes éveiben a szén és a kõolaj együttesen az akkori energiafelhasználás mintegy háromnegyedét fedezte, addig napjainkban a két legfontosabb energiaforrás a földgáz és a nukleáris energia. Az alternatív energiaforrások, így a víz, a szél, a napenergia, valamint a megújuló – fõként biomassza eredetû – energiaforrások részaránya gyakorlatilag szinte elhanyagolható. Továbbra is kritikus azonban az importált kõolajalapú üzemanyagok használata. Jelenleg hazánkban 1,5 millió tonna benzin és 2,8 millió tonna a gázolaj felhasználás.

1. ábra. Magyarország primérenergia felhasználása (FST, 2006.)

Az alternatív energiatermelés egyik legfontosabb területe a mezõgazdaság, azon belül is a legkülönfélébb energianövények termesztése. Általánosságban az energianövények termesztésének három fõ területét különböztethetjük meg: biomassza elõállítás, további feldolgozás, illetve közvetlen tüzelés céljára, valamint biodízel és bietanol termelése. Ez utóbbi két terület lényegében a megújuló energiatermelés célterülete. Magyarország jószerivel legnagyobb természeti erõforrása a mezõgazdasági termelésre való képessége, vagyis az a mintegy 1500 MJ/m² fotoszintetikusan aktív energia, amely révén a légköri szén-dioxid megköthetõ, és energiaforrásként hasznosítható. A fotoszintetikus carbon sequestratio lehetõségei három területet ölelnek fel (2. ábra).

2. ábra. A fotoszintetikus carbon sequestratio

lehetõségei Magyarországon. (Jolánkai, 2007.)

E területek bármelyike ugyanakkor számos problémával terhelt.

- Alacsony energiahatékonyság (1:1-tõl maximum 1:6-ig).

- Gazdaságtalan elõállítás, a hagyományos energiahordozók piaci árához képest (fosszilis energiahordozók, nukleáris energia stb.).

- Környezetkárosítás, a szervesanyag körforgalom sérülése miatt. Rablógazdálkodás a természeti erõforrásokkal.

- A hosszú távú vertikális és horizontális technológiai rendszerek hiánya.

- Az energiatermelés ipari melléktermékeinek valamint e technológiák mellékhatásainak figyelmen kívül hagyása.

- Az élelmiszer termelés veszélyeztetése azáltal, hogy az energianövény termesztést alapvetõen élelmiszertermelõ területen végzik, illetve élelmiszernövényeket, vagy gabonát dolgoznak fel bio üzemanyagnak.

A három fõ terület mindegyike más és más módon, illetve mértékben érintett a felsorolt problémákban. Mondhatni, mindegyiknek vannak elõnyei és hátrányai is. Lényegében kettõt szükséges ezek közül kiemelni. Egyik az energia-hatékonyság, vagyis az alternatív energiahordozó egységnyi elõállításához felhasznált energia mennyisége, pontosabban e két érték hányadosa (NEB – net energy balance). Ezekrõl ad információt a 3. ábra.

3. ábra. egújuló mezõgazdasági eredetû energiahordozók

energiahatékonysága (Hill et al., 2006.)

Energiahatékonyság tekintetében jelentõsek a különbségek. Energetikailag a leghatékonyabb a biomassza felhasználása, közvetlen tüzelésre, vagy valamely, pl. fermentációs átalakítást követõen. Itt 1:6 arányú NEB-hányados is elérhetõ. Ettõl lényegesen kedvezõtlenebb a folyékony üzemanyagként alkalmazható biodízel és a bioetanol hatékonyságának alakulása.

Hazánkban a cikk írása idején, 2011. tavaszán a benzin Ft-ra átszámított adómentes önköltsége, fûszerezve az észak-afrikai konfliktusok árfelhajtó hatásával szinte a csillagos egekig szaladt fel, és 150-170 Ft/l között ingadozik, ugyanakkor az energia-egyenértékre korrigált etanol elõállítása 200-220 Ft/l, a biodízelé pedig 240-260 Ft körüli, vagyis ennél többe kerülnek. Ahhoz, hogy e termékek fogyasztói ára versenyképes lehessen, az államnak jelentõs adókedvezményt, vagy más támogatási szerkezetet kell biztosítania. A dolog természetesen nem reménytelen. Egyrészt azért, mert bár a kõolaj alapú üzemanyagok eljövendõ világpiaci ára teljes mértékben meghatározhatatlan, de egy tekintetben biztos: kevesebb sosem lesz. A másik a CO₂ emisszió csökkentésének jogszabályi kötelezettsége, amely minden EU tagállamban, így Magyarországon is meghatározó (Boros-Sárvári 2011). Bioetanol termelés tehát mindenképpen lesz az elkövetkezendõ idõszakban. Két kérdés merül fel. Mibõl, és milyen hatékonysággal?

A kukorica nagy, 65% körüli keményítõtartalma kiválóan alkalmas bioetanol elõállításra. Nemesítéssel a közelmúltban sikerült mérsékelten növelni egyes fajták keményítõtartalmát. A kukoricakeményítõ mindkét komponense, az amilóz és az amilopektin fermentáció során cukorrá, majd élesztõgombákkal való erjesztés során etilalkohollá alakul. A bioetanol alapvetõen két célra használható fel. Közvetlenül motor hajtóanyagként is használható, itt a benzint helyettesíti. 5-15%-ban keverhetõ a benzinhez. Tiszta bioetanol is alkalmas üzemanyagként, de az etanol energiatartalma kisebb a benzinénél. 1 liter etanol 0,65 liter benzinnel egyenértékû. A másik felhasználási területe is nagyon jelentõs, etil-tercier-butil-éter (ETBE) formában. A termesztett növények közül a búza és a kukorica elõnye, hogy hosszú idõn át tárolható, így a feldolgozás egész éven át, folyamatosan biztosított. A kukorica nagyobb termõképességével és energiasûrûségével a búzánál is jobban használható (Berzsenyi és Lap 2004; Jolánkai et al. 2005).

A SZIE Növénytermesztési Intézetében többéves kísérletsorozat keretei között tanulmányozzák több, az MTA Mezõgazdasági Kutatóintézete által nemesített kukoricahibrid energetikai célú termesztésének lehetõségeit. A kutatás célja a különbözõ agrotechnikai tényezõktõl függõ hozamstabilitás meghatározása, illetve a tényezõk közötti kölcsönhatások következményeinek feltárása, kvantifikálása. A kukoricahibridek keményítõ-, valamint annak bázisán az etanol kinyerési képessége nagymértékben eltérõ (4. ábra), függvénye a hibrid genetikai tulajdonságainak, illetve az agrotechnikai körülményeknek, fõként az optimális tápanyagellátásnak.

4. ábra. ukoricahibridek etanol-kihozatala

A kísérletsorozat eddigi eredményei alapján csak feltételes következtetések vonhatók le. A kapott eredmények alapján igazolható, hogy a nemesítés hozzájárulása az energianövény termesztéshez elsõdlegesen meghatározó. A vizsgált kukoricahibridek átlagos keményítõtartalma 70,5-74,2%-os volt, amely 8,4-14,1%-kal nagyobb mint a hagyományos, köztermesztett genotípusoké. A vizsgált hibridek termõképességét nagymértékben meghatározta a tenyészidejük hossza. A korai hibridek szemtermése mintegy 40%-kal kisebb volt a késõiekhez képest. A nagyobb nitrogénadagok minden hibrid esetében nagyobb szemtermést és relatíve kisebb keményítõtartalmat eredményeztek. A vizsgált kukoricahibridek mindegyike, különösen a nagyobb nitrogén kezelésekben az irodalmi adatokat meghaladó mértékû etanol-kihozatalra (>400 l t-1) volt képes. A legnagyobb etilalkohol-kihozatali képessége az Mv 454 hibridnek volt. A kapott eredmények nyomán maradtak még nyitott területek, illetve további kérdések merültek fel. Nem ismeretesek pl. az ETBE konverzió hatékonysági adatai. Ennek ellenére valószínûnek látszik, hogy a keményítõtartalom, az alkohol-kihozatal és annak etil-tercier-butil-éter konverziója nem lineáris összefüggésben állnak. A kukorica melléktermékek, csõ, szár, rost, egyéb biomassza hasznosítási lehetõsége ugyancsak lényeges kérdés, amely tisztázásra szorul, vizsgálata további kutatásokat igényel.

Az alternatív energiaforrások keresése során, túlmenõen a biológiai, agrotechnikai és ökonómiai problémákon, nem hallgattathatók el az etikai szempontok sem. Ma, jó esetben, vizsgálataink szerint 1 l benzinnel egyenértékû biotanol kb. 3,1 kg kukoricából állítható elõ. Ez egy átlagos nyugat-afrikai dagomba család egy heti élelme. Ma, az élelmiszer globális árrobbanásának idõszakában az élelmiszertermelés ipari alapanyag-termeléssé való átalakítása azonban már nem csak egyszerûen gazdasági vagy etikai kérdés, hanem számos externáliát is magába foglaló folyamat, beleértve a szegénységet, a migrációt, a háborúkat és más egyebeket is.

Berzsenyi Z. – Lap, D.Q. (2005): Responses of maize (Zea mays L.) hybrids to sowing date, N fertiliser and plant density in different years. Acta Agronomica Hungarica. 53. 2. 113-119 pp.

Boros B. – Sárvári M. (2011): A kálium mûtrágyázás hatása a kukoricahibridek bioethanol produkciójára. Növénytermelés. 60. 1. 7-26 pp.

Hill, J. – Nelson, E. – Tilman, D. – Polasky, S. – Tiffany, D. (2006): Environmental, economic, and energetic costs and benefits of biodiesel and ethanol biofuels. PNAS, Vol 103. 30. 206-210 pp.

Jolánkai M. – Máté A. – Nyárai H.F. (2005): The carbon cycle: a sink-source role of crop plants. Cereal Research Communications, 33.1. 13-17 pp.

Jolánkai M. – Nyárai H.F. – Farkas I. – Szentpétery Zs. (2007): Kukorica- (Zea mays L.) hibridek energetikai célú termesztése. Acta Agronomica Óváriensis 49. 2. 489-494 pp.

Jolánkai M. (2008): Növényi alapanyagok bioetanol elõállítás céljára. Biohulladék. 3. 2. 38 43 pp.

Lawlor, D.W. (2002): Carbon and nitrogen assimilation in relation to yield: mechanisms are the key to understanding production systems. Journal of Experimental Botany, 53. 773-787 pp.

Jolánkai Márton, Farkas Ildikó, Gyuricza Csaba

SZIE Növénytermesztési Intézet, Gödöllõ