Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kar Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék Dr. Ősz János Bioenergia.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kar Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék Dr. Ősz János Bioenergia."— Előadás másolata:

1 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kar Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék Dr. Ősz János Bioenergia

2 Tartalom 1.Biomassza 2.Szilárd biomassza összetétele 3.Biomassza energetikai hasznosítása 1.Tüzelés 2.Termokémiai elgázosítás 3.Hidrotermális elgázosítás 4.Pirolízis, cseppfolyosítás. 4.Biokémiai eljárás 1.Anaerob lebontás (digestion) 2.Erjesztés (fermentation) 5.Extrahálás (kivonás) 6.Bio-üzemanyagok 7.Hulladék-hasznosítás

3 1. Biomassza A növények a napsugárzás hatására, fotoszintézissel nőnek, azaz szén-dioxidból és vízből szénhidrogént (cukrot) és oxigént állítanak elő. Az állatok megeszik a növényeket és más állatokat. A teljes növényi (pl. szalma, fa, termény) és állati (pl. trágya) anyagot biomasszának nevezzük. A biomassza ma is jelentős energiaforrás a világon, 2002-ben a világ primerenergia-felhasználásának (412 EJ/év) 12 %-a (50 EJ/év) volt.

4 Biomassza évi globális mérleg A fotoszintézis reakciója: CO 2 +H 2 O+hν → O 2 +[CH 2 O], –hν=14,4 eV, 8 db foton (~1,8 eV/foton) szükséges 1 db O 2 molekula előállításához, –egy C-atom ~4,8 eV energiát tárol. Fotoszintézis hatékonysága: (4,8/14,4)*0,12*0,2*0,6≈0,005. A CO 2 teljes oxidációja, mint szénhidrát ~16 MJ/kg tüzelőhőt tárol, míg a szénhidrát teljes redukciójával metánná elérhető maximális tárolt energia ~49,7 MJ/kg. A növények és állatok tömege kb t/év, ami ~1, t szenet tartalmaz. ~7,5 MJ/kg átlagértékkel becsülve, a szárazföldi biomasszában tárolt bioenergia J/év. (A biomassza ~50 %-át az óceánok tárolják.) A tárolt bioenergia fele a növényeket táplálja, így a globális potenciál 1, J/év (1500 EJ/év). Ebből 2002-ben ~50 EJ/év bio-tüzelőhő és 16 EJ/év élelmiszer.

5 Fosszilis tüzelőanyagok A biomassza a napenergiát tárolja kis hatékonysággal (0,5-0,6 %), de a biomasszából keletkeztek százmillió évek alatt a fosszilis tüzelőanyagok. A szárazföldi biomassza lerakódik és átalakul a föld felszínén (tőzegesedés), majd a földkéregben a lesüllyedt szénhidrátok (CH 2 O) n idővel elvesztik az oxigén- és hidrogénatomjaik (víz) nagy részét („szénülés”): –tőzeg (C 60 H 70 O 25, τ=1 millió év), –barnakőszén (C 60 H 50 O 16, τ=60 millió év), –feketekőszén (C 60 H 25 O 5, τ=250 millió év), –antracit (C 60 H 15 O 1, τ=400 millió év). A tengeri egysejtűek hatalmas tömege elhalva a tengerfenékre süllyedt, és a nagy szervesanyag-tartalmú iszapot, az ún. szapropélt alkotja. A tengerfenéken (levegőtől elzártan) mikroorganizmusok elbontották a szapropélt, és szénhidrogénekben feldúsult bomlástermékek halmozódtak fel. A bomlástermékek a földkéreg ún. geológiai csapdáiban nagy nyomáson és hőmérsékleten –cseppfolyósodnak (kőolaj) vagy –elgázosodnak (földgáz).

6 A biomassza energiatermelése A biomassza „majdnem zárt ciklusú” energiatermelése: A biomassza számos formában (cukor, olaj, keményítő, cellulóz, lignin, protein, stb.) hasznosul. A növények szénhidrátként szintetizálják a szén-dioxidot és vizet, s a legegyszerűbb szénhidrát a cukor vagy monoszaharid (CH 2 O) n. A glükóz (C 6 H 12 O 6 ) a legegyszerűbb növényi cukor. A glükózból kettős cukor (C 12 H 22 O 11 ) lesz kondenzációs reakcióval (H 2 O keletkezése), ami a hidrolízis fordított reakciója (H 2 O hozzáadása). A képződő poliszaharid (keményítő, cellulóz) kémiailag tárolja az energiát, és a növény struktúráját, tömegét adja..

7 A biomassza csoportosítása [Marosvölgyi]: –Elsődleges: a növényi fotoszintézis által előállított szerves anyag; a természetes vegetáció, a szántóföldi és kertészeti növények, az erdő, a rét és legelő, a vízben élő növények; –Másodlagos: állatvilág, gazdasági haszonállatok összessége, továbbá az állattenyésztés fő- és melléktermékei, hulladékai; –Harmadlagos: biológiai eredetű anyagokat felhasználó ipar melléktermékei, hulladékai; települések szerves eredetű szilárd és folyékony hulladékai; biotechnológiát alkalmazó ipar egyes melléktermékei. [Boyle]: –Energianövények: energia-, erdei, mezőgazdasági növények; –Hulladékok: Famaradékok, mezőgazdasági melléktermékek (mérsékelt égövi: szalma, kukoricaszár; trópusi: bagasz (cukornád rostos maradéka), rizshéj); Állati hulladékok (állati trágya, szennyvíz-iszap, baromfi és szarvasmarha alom); Városi (községi) szilárd hulladék (korábbi hulladéklerakókból „szemétgáz”); Kereskedelmi és ipari hulladék. [McPhail]: –szilárd biomassza (fa, szalma), –nedves biomassza (szerves hulladék, trágya), –cukor- és keményítő-tartalmú biomassza (cukornád, gabona), –olajtermények (repce, napraforgó).

8 Hazai potenciál [Marosvölgyi] 1, [Ősz] 2 BiomasszaQ ü [PJ/év] 1 H ü [GJ/t]/ω [-] 2 M [Mt/év] 2 Dendromassza56,5-635,4-6,1 Tűzifa /~0,401,8-2,0 Energiafa (ültetvény) /~0,453,0-3,2 Vágástéri hulladék5-79/~0,50,5-0,8 Elsődleges faipari hulladék1,5-2,012/~0,350,15 Növényi fő- és melléktermékek ,4-12 Gabonanövények melléktermékei /~0,150,7-0,8 Egyéb növények melléktermékei (szárak, levélzet, venyige) /~0,553,7-6,2 Termesztett energianövények /~0,453-4 Bio-üzemanyagok előállításának melléktermékei 4-65/0,651,0

9 Hazai potenciál [Marosvölgyi] 1, [Ősz] 2 BiomasszaQ ü [PJ/év] 1 H ü [GJ/t]/ω [-] 2 M [Mt/év] 2 Másodlagos biomassza18,7-231,0-1,1 Hígtrágya0,7-1,020/0,00,05 Állati hulladékok, melléktermékek /0,00,65-0,75 Feldolgozási hulladékok5-720/0,00,25-0,35 Harmadlagos biomassza Élelmiszeripari hulladékok3-56/0,60,5-0,8 Élelmezési hulladékok6-96/0,61-1,5 Szennyvíz-iszap15-405/0,62,5-8,0 Kommunális biohulladékok30-806/0,65-13 Összesen ,8-42,2

10 Zöld alga ((Ulva Lactuca, tengeri alga): Dán Algecenter

11 Mikroalga olajkihozatal [Rösch] Növény/ Mikroalga-termelő rendszer Évi hozam [t/haév] TerményekÉvi olajkihozatal [l/haév] C3 szárazföldi növények8-10Napraforgó380 C4 szárazföldi növények10-30Szójabab440 Mikroalga-kihozatal Repcemag1.300 Nyitott tó iszapkerekekkel20Jatropha (scerje)1.900 Csőreaktor (levegő + CO 2 keveréssel) 60Kókuszdió2.700 Csőreaktor + fényhígítás80Pálmaolaj6.000 Sík panel (intenzív keverés, rövid világos és sötét periódusokkal) 100Mikroalgák

12 Hulladék (kommunális, ipari, kereskedelmi) A települési szilárd hulladék rendkívül sokrétű forrással (lakóépületek, közintézmények, közforgalmi és zöldterületek hulladékai) rendelkezik, ami egyben rendkívül heterogén és változó összetételt eredményez. Deponálandó térfogatuk csökkentése környezetvédelmi kényszer, ezért szelektív gyűjtés mellett szükséges a hulladék arra alkalmas részének energetikai hasznosítása. –A kommunális hulladék évi tömege a fejlett országokban (1,4 milliárd fő) kb.1 milliárd t/év. –A kommunális hulladék begyűjtött hazai térfogata millió m 3 /év, ami 4-5 millió t/év tömegnek felel meg. Nyersanyag és primerenergia-forrás (pl. Németország). Ipari hulladék pl. –Gépkocsi: kenőolaj, gumiabroncs, „fluff” (autók hulladék és fém visszanyerés után visszamaradt könnyű maradéka); –Veszélyes hulladék (pl. állati tetem).

13

14 Hulladék visszanyerés Németországban [Engler]

15 2. A szilárd biomassza összetétele Strukturális analízis: –Cellulóz, hemicellulóz (vázanyag), –Lignin (aromás vázanyag), –Extraktívok.

16

17 UK- Egyesült Királyság [Boyle]; D- Németország [Engler] (Egyéb: papírpelenka, alaktalan, sepert, ásványi); Bp [Vörös]; H-2006 [Faitll] (Egyéb: higiénia, éghető, éghetetlen, veszélyes, finom).

18 Szilárd tüzelőanyagok összetétele Elemi összetétel:γ HOH + γ A + γ C +γ H +γ S +γ N +γ O =1 –γ HOH mért összes nedvesség-tartalom (a szárítással elpárolgó durva és a tüzelőanyagban maradó, ún. higroszkópos nedvesség-tartalom összege), –γ A mért hamutartalom, –γ C mért összeskarbon-tartalom, –γ H számított hidrogéntartalom, –γ S mért kéntartalom, –γ N az általában nem mért (a legtöbbször nullának feltételezett) nitrogéntartalom, –γ O (a maradéknak számított) oxigéntartalom, [kg/kg] vagy [tömeg %]. A közelítő (approximate) összetétel:γ HOH + γ sz = γ HOH + γ A + γ fixC +γ V =1 –γ sz szárazanyag-tartalom, –γ fixC fix (vagy koksz-) karbon-tartalom, –γ V illóanyag-tartalom. Száraz, hamumentes összetétel:γ sz-A = γ fixC +γ V ; Összeskarbon-tartalom:γ tC = γ fixC +γ VC.

19

20 A vizsgált tüzelőanyagok helye a Van Krevelen-diagramban

21 Égéshő, fűtőérték A mért égéshő (a tüzelőanyag elégetése „tiszta” oxigén atmoszférában): j=1…r a reakció reagensek, i=1…p a reakciótermékek száma, H entalpiájuk [kJ]. Felső égéshő (a reakciótermékek között a víz folyadékfázisban van): Alsó égéshő (a reakciótermékek között a víz gőzfázisban van), ami megegyezik a tüzelőanyag fűtőértékével [kJ/kg]:,.

22

23

24 Tűzifa H ü =f(ω)

25 TG-MS elemzés A különböző tüzelőanyagok tüzeléstechnikai tulajdonságainak mélyreható vizsgálatára ma általában –thermogravimetriás (TG) vizsgálatokat végeznek, –melyet gyakran kiegészítenek tömegspektrometriai (MS) elemzésekkel. A vizsgált mintákat –először inert atmoszférában, változó hőmérsékletű pirolízis alá vetették. A mintákat 850 °C-ig hevítették, majd ezen a hőmérsékleten tartották őket az illók távozásának befejeződéséig (kb. 5 min). A felfűtés sebessége 40 °C/min volt. –Az inert maradékot ezt követően 10 °C/min felfűtési sebesség mellett oxidatív atmoszférában (Ar:O 2 =79:21 v%) is vizsgálták. A tüzelés valós viszonyai között a fentiektől eltérő TG és DTG görbéket regisztrálhatnánk, elsősorban a jelentősen nagyobb, °C/sec felfűtési sebesség miatt.

26 Az MS vizsgálatok illó anyagai és csoportosításuk Fő termékekH 2, H 2 O, CO, CO 2 (Alifás) szénhidrogének CH 4, C 2 H 2, C 2 H 3, C 2 H 5, C 2 H 6, C 3 H 5, C 3 H 6, C 3 H 7,C 4 H 7, C 4 H 8, C 5 H 7, C 5 H 9, C 5 H 10 Aromás szénhidrogénekbenzol, toluol, fenol, xilol Aldehidek és metoxi-csoportCHO, HCHO, CH 3 O Oxigéntartalmú termékek CH 3 CO, aceton, ecetsav, CH 3 CHOHCHO, furanon, furfural, hidroximetil-furán Kéntartalmú termékekH 2 S, COS SO 2

27 Oroszlányi szén (felső) és tűzifa (alsó) TG-MS eredménye [MTA KKI] INERT OXIDATÍV

28 Illóanyag-tartalom Több nyugat-európai szabványban a biomasszák illóanyag- tartalmát újabban 550 o C hőmérsékletig elegendő meghatározni. Az 550 oC megalapozottságát alátámasztja, hogy o C között az illóanyag-tartalom miatti tömegcsökkenés – MTA TG-MS mérései szerint – mindössze 3 % körül (2,7-3,8 %) van: –fa: ΔM=3,2 % (550 o C-ig 82 %), –szemes anyag: ΔM=2,7 % (550 o C-ig 74,3 %), –szálas anyag: ΔM=3,8 % (550 o C-ig 71,1 %), –oroszlányi szén: ΔM=10,4 % (620 o C-ig 23,4 %). A növényi biomasszák illóanyag-tartalma (2-2,5)-szerese az oroszlányi barnaszénnek. A biomasszák tüzeléstechnikai tulajdonságainak megértéséhez szükséges az egyéb illótermékek minőségi és mennyiségi meghatározása.

29 Illóanyag-tartalom fő termékek (bal felső), alifás szénhidrogének (jobb felső) aldehidek és metoxi-csoport (bal alsó), oxigéntartalmú termékek (bal alsó) [Sándor]

30 3. A biomassza energetikai hasznosítása [El Bassam] TüzelésElgázosí- tás Pirolízis, cseppfolyósítás Termokémiai LebontásErjesztés Biokémiai Olaj- kivonás gőzgáz olajszénbiogáz észterezésdesztilláció Gáz- motor Gőz- turbina Gázturbina, kombinált ciklus, gázmotor Tüzelőanyag- cella HőVillamos energiaÜzemanyag etanoldízel víz Metanol/ szénhidrogén/h idrogén szintézis Adalé- kolás dízel

31 3.1. Tüzelés A szilárd biomassza tüzelőanyagaként: –egyedi fűtésre (kis teljesítményű, 0,5-1 MW th ) melegvíz- vagy forróvíz-kazánokban tüzelhető, –széntüzelésű erőművek gőzkazánjaiban kiegészítő tüzelőanyagaként (<(0,15-0,20) Q ü ), –kapcsoltan hőt és villamos energiát termelő fűtőerőművek gőzkazánjaiban biomassza tüzelőanyagként hasznosítható. Kisebb teljesítményű melegvíz-kazánokhoz jó minőségű biomassza (tűzifa, bio- brikett, bio-pellet) szükséges, míg forróvíz- és gőzkazánokhoz gyengébb minőségű biomassza (faapríték, szalmabála, válogatott kommunális hulladék, szennyvíz-iszap) is tüzelhető. A nagyobb nedvesség-tartalmú biomasszák fűtőértéke javítható szárítással (ω≤10 %, H ü >16 MJ/kg) és kis sűrűségűk pelletizálással (ρ≥600 kg/m 3 ). A pellet mérete kicsi, így automatizálható az adagolása a kazánba. A biomassza pörkölésével ( o C hőmérsékleten) nagyobb fűtőértékű ( MJ/kg), homogénebb tüzelőanyag állítható elő, mint pelletizálással, ezért a pörkölt pellet vízmentes, kisebb az őrlés és pelletizálás költsége, valamint kisebb mértékű a degradációja a tárolás során.

32 A biomassza pelletizálása (pörkölése, pelletizálása) SzárításörléspelletizálásSzállítás, kezelés BiomasszaFűtő- erőmű Q E tárolás SzárításörlésPelleti- zálás Szállítás, kezelés tárolásPörkölés

33 Pelletüzem

34 EN Új európai pellet szabvány Minőségi jellemzőkMértékegységDINplusENplus-A1ENplus-A2EN-B Felhasznált faszárfa, kémiailag nemkezelt famaradék Teljes fa gyökérzet nélkül, szárfa, Kitermelési maradék, kémiailag nem kezelt famaradék Erdészet, ültetvény, kémiailag nem kezelt famaradék, kémiailag nem kezelt elhasznált fa Átmérő, dmm4≤ d ≥86±1≤ d ≥8±1 Hossz, lmm5d≤ l3,15≤ l ≥40 Sűrűségkg/m 3 -≥600 Nettó fűtőérték, H ü MJ/kg≥1816,5≤ H ü ≥19 Nedvesség-tartalomm%≤10 Mállás, porlásm%≤1 Mechanikai tartósságm%≥97,7≥97,5 ≥96,5 Hamutartalomm%≤0,5≤0,7≤1,5≤3,0 Hamu olvadáspont oCoC-≥1200≥1100

35 Pellet-tüzelésű egyedi kazán

36 Családi ház hőigényének kielégítése pellet-tüzelésű kazánnal és napkollektorral [Schraube]

37 Kiegészítő tüzelés: oroszlányi erőmű 2. gőzkazán Fluidágy 34,511 MW th 1. 54,008 MW th 4. 54,255 MW th 3. 2,34 MW th 2. 54,255 MW th Szalma- befúvás 20,636 MW th Fluidágy 32,133 MW th 1. 22,347 MW th 4. 63,555 MW th 3. 23,049 MW th 2. 63,555 MW th Szalma- befúvás 22,416 MW th Négymalmos üzem Hárommalmos üzem

38 Oroszlányi erőmű 2. gőzkazán

39 Fluidágyas kazán [Lurgi]

40 Tűztérben lejátszódó folyamatok 1./ Melegítés és szárítás: –Az égőtérben általában az összes szilárd anyag 0,5-5 % tömeg % éghető anyag. –A maradék szilárd anyag: ágyanyag, tüzelőanyag-hamu, szorbens és néhány nem éghető anyag (az ágy 99,5-95 %-a). Ezek a részecskék melegítik fel a hideg tüzelőanyag részecskéket az ágyhoz közeli hőmérsékletre. –A felmelegedés sebessége, számos tényező, köztük a tüzelőanyag szemcseméretének függvénye, és o C/sec tartományban változhat. 2./ Illó anyagok keletkezése és égése: számos gáztermék keletkezik a tüzelőanyag bomlásával. Az illó anyagok számos szénhidrogént is tartalmaznak. 3./ A faszén égése: Az illótól mentesült tüzelőanyag, a faszén (félkoksz, jóval lassabban ég, a 0,2 mm-nél kisebb szemcse sec alatt ég ki. Ezért esély van arra, hogy némely faszénrészecske nem ég ki a buborékos ágyban a távozása előtt, s ezek eredményezik az égési veszteséget. A faszénrészecske égése általában a tüzelőanyag részecskéből az illó távozása után kezdődik, de néha a két folyamat átfedi egymást. A faszén égése komplex folyamat és két szakaszból áll: –az oxigén transzportja a karbon felülethez, –az oxigén és karbon reakciója a karbon felületen. A faszénrészecske égése alatt az oxigén az áramlási magból kerül a részecske felületéhez. Az oxigén reakcióba lép a faszén-felületén levő karbonnal, és CO 2 vagy CO keletkezik. A faszén nagyon porózus anyag, nagyszámú belső, méretében és görbeségében változó pórussal rendelkezik, a pórusok felülete néhány nagyságrenddel nagyobb, mint a szemcse külső (burkoló) felülete. Az oxigén bediffundál a pórusokba, és oxidálja a pórusok belső felületén lévő karbont.

41 Az illó anyagok szekvenciája [Basu]

42 Szénrészecskék az égés különböző fázisában [Basu]

43 3.2. Termokémiai elgázosítás A fluidizációs elgázosítóban lejátszódó fizikai-kémiai folyamatok: 1./ Szárítás (a folyadékfázisú víz vízgőzzé válása): t>150 o C. 2./ Pirolízis (vagy részleges elgázosodás, devolatization): o C- on kezdődik (termikusan instabil komponensek (pl. lignin a biomasszában, illékony anyagok a szénben), amelyek szétrobbantják a szemcséket, és gázfázisba kerülnek más illékony összetevőkkel együtt), ami jelentősen felgyorsul 700 o C felett. –Szén (vagy biomassza) + Hő  Faszén + Gázok + Gőzök vagy folyadék; –Szén (vagy biomassza)  koksz és hamu, –Faszén (char): szilárd, főleg karbont tartalmazó maradék, –(Könnyű) Gázok: CO, H 2, CH 4, CO 2 ; a szintézisgáz-keverék fűtőértéke 3,5- 10,0 MJ/Nm 3 ; –Gőzök vagy folyadék: poliaromás szénhidrogének és kátrány (nehéz szerves és szervetlen molekulák fekete, viszkózus és korrózív folyadéka). A faszén (char) égése (oxidációja) és a hidrogén oxidációja vízgőzzé ellátja hővel az összes endoterm reakciót is.

44 Felszálló (updraft) elgázosító [Basu]

45 3. Elgázosodás az alábbi reakciókkal...

46 Szintézisgáz várható összetétele [térfogat %] [Basu] Elgázosító közegLevegőOxigén CO1628 H2H CH 4 23 CO N2N2 420

47 Elgázosító technológiák [Gardmark]

48 Elgázosító η≈80% Gáztisztító és kondicionáló rendszer Hőveszteség Hamu Szárító 15%->10% Primer levegő Gázmotor FBLD kWe Füstgáz 728 kWt 1000 kg/h biomassza 10% nedvességtartalom 4410 kWth MJ/h 3623 kWth MJ/h 2437 Nm 3 /h Szárító 40% -> 15% Gázmotorok hulladékhője 1262 kWt Hamu- kiégető kazán hője Pelletáló 1060 kg/h kg/h faapríték 15% nedvességtartalom 2400 kg/h pellet 8% nedvességtartalom Guascor faelgázosító technológia

49 Güssing faelgázosító kapcsolása [Koppatz]

50 A faelgázosító adatai –Üzembe helyezés éve:2002, –Tüzelőanyag:2,2 t/h, –erdészeti faapríték (ω≈35 %),1-2 éves természetes szárítás (tárolás, ω≈15 %)) után, –Tüzelőhő-teljesítmény:8 MW th (H ü =13 GJ/t, ω≈28 %), –Villamos teljesítmény:2 MW e, –Távhő-teljesítmény:4,5 MW th, –Villamos hatásfok:0,25, –Bruttó hatásfok:0,81.

51 XYLOWATT faelgázosító [Dalimier]

52 MILENA faelgázosító [Vreugdenhil]

53 A termékgáz összetétele [térfogat % száraz] GyártóGuascorGüssingMILENA Hivatkozás[Guascor][Koppatz][Vreugdenhil] Elgázosító közegLevegőVízgőz CO ,1 H2H ,2 CH ,5 CO ,9 N2N O2O2 1-3 CmHnCmHn 0,1-1,05,0 N2N2 4,5 Kátrány [g/Nm 3 ]2-5 Részecskék [g/Nm 3 ]10-20

54 THERMOSELECT hulladék-elgázosító technológia [Wilk]

55 THERMOSELECT integrálása a Lahti szénpor-tüzelésű fűtőerőmű gőzkazánjába [Wilk]

56 A plazma károsanyag-megszüntető hatása [Fourcault]

57 3.3. Hidrotermális elgázosítás Új, K+F technológia. Hidrotermális átalakítással (250 bar, 370 o C, 10 perc) a lignocellulóz összetevők szuperkritikus nyomású vízben –hidrolízissel, –széthasítással, –víztelenítéssel, kondenzációs reakciókkal, –Aldol kondenzációval a szintézisgáz összetevőivé (CO 2, CO, H 2, CH 4 ) alakíthatók [Barbier].

58 Tipikus reakciók szuperkritikus vízben: –Glükóz és víz (∆Ho=+37,9 kJ/mol): –Vanilin és víz (∆Ho=+87,3 kJ/mol): A Baden-Würtenbergi Állami Egyetemen „herbage” fű 14,1 % [tömeg %] szerves anyagot tartalmazott 81 [tömeg %] víz és 3,1 [tömeg %] (eltávolított) homok mellett.

59 VERENA biomassza injektálása szubkritikus hőmérsékleten [Boukis]

60 Hirosimai Egyetem [Matsumura]

61 A termékgázok összetétele [Matsumura] JellemzőkTojóbaromfi alomSertéstrágyaSzarvasmarha alom H 2 [mol %] CO [mol %]<1 CH 4 [mol %] CO 2 [mol %] C 2 H 4 [mol %]<1 C 2 H 6 [mol %]564

62 SunCHem projekt [Vogel] A Paul Sherrer Institute (Lausanne) a napenergiát alkalmazza SunCHem eljárásnál: az algák hidrotermális átalakítása bio- metánná (szintetikus földgáz, SNG). A két fő berendezésben lezajló folyamatok: –Foto-bioreaktor:CO 2 +H 2 O+hν → CH 2 O+O 2 CO 2, H 2 O a légkörből tápanyag, H 2 O, CO 2 a hidrotermális elgázosítóból vissza a reaktorba, de kiegészítő vegyszerek is szükségesek az O 2 - kilépéshez („termeléshez”) mellett. ♦ Hidrotermális elgázosító:CH 2 O → CH 4 +CO 2 –A nedves alga hidrotermális elgázosítása CH 4 keletkezésével és a tápanyag a foto-bioreaktorba való visszaadásával. A mikroalgák nyitott tavaknál t szárazanyag/ha termésre képesek, az eddig megvalósult telepeken 30 t száraz anyag/haév. Abban az esetben gazdaságos, ha költsége <20 EUR/GJ ü.

63 SunCHem folyamat [Vogel]

64 Foto-bioreaktor [Brandenberger]

65 A mikroalgák lehetőségei [Rösch] Technikai változás: –Génmanipulált mikroalgák (génforrás → mérnöki szempontok → baktériumtörzsek); –Tömeges algaművelés fény-hatékony, kis költségű rendszerek fejlesztésével (nyitott medencék, csöves és FPA foto-bio-reaktorok); –Mikroalgák aratása hatékony, sokoldalú eljárásokkal a híg szuszpenzióból a biomassza koncentrálása, az algatermékek kivonása és tisztítása. Gazdasági változás: –Mikroalgák termelési költsége: 4-23 EUR/kg biomassza [Wijffels, 2008], 3 EUR/l olaj [US Védelmi Minisztérium, 2007]. –Jövedelmek: bio-üzemanyag, értékes melléktermékek, ÜHG csökkentése, hulladékvíz-kezelés, nettó trágyaérték nirogénkötő-algák esetén.

66 A mikroalgák aratása, bio-pelyhesítés, fejés

67 Ökológiai változás, pozitív energiamérleg: A CO 2 visszanyerése erőművi és ipari füstgázból

68 Ökológiai követelmények, táplálkozási változás: A táplálék felvételének javítása, a szennyvíz táplálékának újrahasznosítása, nitrogénkötő cianobaktériumokkal (kék, zöld alga) szimbiózisban élő mikroalgák kitenyésztése

69 Ökológiai változás, a termőföld felhasználhatósága: A föld termőképességének rendelkezésre állása és fenntarthatósága a mikroalgák tömegtermelése mellett

70 Multifunkciós algabázisú termelés [Rösch]

71 3.4. Pirolízis, cseppfolyósítás Pirolízis a tüzelőanyag melegítése levegő- vagy oxigén teljes hiányában. A pirolízis-termékek: faszén, bio-olaj és termékgáz. Gyors pirolízis: a biomassza felmelegítése a lehető leggyorsabban (~1s) gondosan ellenőrzött hőmérséklet (~500 o C) mellett, majd a termékek lehető leggyorsabb (<2 s) lehűtése. Az eredmény 75 m% folyadék, bio-olaj, 12 m% faszén és 13 m% gáz kihozatal mellett, aminek előnyei: –Közvetlen folyadék termelése (tüzeléstől és gázosítástól eltérően); –A folyadék a szilárddal szemben előnyösebb a kezelés, tárolás és szállítás területén; –Az endoterm folyamatok (tüzeléstől és gázosítástól eltérően) hőbevitelt igényelnek, de a folyamat energetikailag önfenntartó a melléktermékek (faszén, termékgáz) eltüzelésével; –A biomassza jellemzői fontosak a folyadék kihozatalának és minőségének meghatározásánál; –Sokoldalúbb felhasználás.

72 A gyors pirolízis koncepciója, a termékek sokfélesége [Bridgwater]

73 Számos decentralizált gyors pirolízis üzem + központi üzemanyag-feldolgozó

74 TECHNOFIN termo-katalitikus pirolízis Induló K+F projekt, aminél a felhasználni kívánt biomasszák: –eredeti biomassza, –autó fluff (autó hulladék és fém visszanyerés után visszamaradt könnyű maradék), –poliaminok (alumínium/műanyagok), –poliolefin műanyagok, –városi hulladék biológiailag lebomló szárított frakciója. A pirolízis-termékek gáz-gőzturbinás kombinált erőmű tüzelőanyagaként szolgálnak. –A biomasszák pirolízise elgázosításra irányul, a termékgáz gázturbina égőterében való hasznosításával, –míg a maradék faszén és kátrány eltüzelése a gőzkazán tűzterében, ahová a gázturbina füstgázát is bevezetik, –a termelt gőz gőzturbinában expandál.

75 TECHNOFIN gáz-gőzturbinás kombinált erőmű [Moriconi]

76 Pirolízis forgó kemencében [Kern] A forgó kemence feladata a biomassza illó frakcióinak szétválasztása és együtttüzelése a széntüzelésű gőzkazánban, a Cl, K, Na-ban feldúsult faszén-frakció pirolízise

77 A biomassza gyors pirolízise és vízgőzzel való reformálásának folyamatai [Westerhof] Pirolízis olaj finomítás Vizes frakciójú finomítás Együttes finomítás Biomassza Pirolízis olaj Finomító Biomassza Pirolízis olaj Biomassza Pirolízis olaj vízgőz Syngas, hidrogén szétválasztásfinomító vízgőzKönnyű- benzin Syngas, hidrogén Vizes frakció Nehéz frakció FinomításFeljavítás hidrogén

78 Az olaj vízgőzzel való reformálásának kétfokozatú koncepciója 1./ A pirolízis-olaj atomizálása ( o C), elpárologtatása, katalizátor fix ágyon, szintézisgáz keletkezik. „Szétkapcsolás” mindkét fokozatban és megvizsgálni a szén eloszlását a termékekben. 2./ Pirolízis olaj atomizálása (H 2, CH 4, CO, CO 2, C 2+ képződés, 850 o C-tól elgázosítás), elpárologtatása, amiből gőzök, gázok és faszén keletkezik. –„Szétkapcsolás” mindkét fokozatban és megvizsgálni a szén eloszlását a termékekben. –Az atomizálás/elpárologtatás a hőmérséklet ( o C) függvénye (9 % faszén-tartalomnál a hőmérsékletnek nincs hatása). –A faszén a hőáram szabályozásával minimalizálható. A 360 o C hőmérsékletű olajnál legkisebb a faszén-képződés, maximális a gázkihozatal, és kulcskérdés az olajban jelenlévő oldhatatlan frakciók mennyisége.

79 4.1. Anaerob lebontás (digestion) Anaerob lebontás: A szerves anyagok bomlása levegő hiányában baktériumok hatására. A baktériumok lebontják a szerves anyagot és metánból (50-70 %) valamint szén-dioxidból (50-30 %) álló gázkeveréket termelnek más gázok nyomkoncentrációival. –A biogáz fűtőértéke MJ/Nm 3. –Az átalakítási tényező általában %. A folyamat a természetben is lejátszódik (pl. mocsárgáz, szemétgáz, szarvasmarha bendő). Szerves anyag + anaerob baktériumok + enzimek → biogáz (CH 4 +CO 2 ) + iszap. Feltételek: –Nedvesség: >50%; –Hőmérséklet: (Pszikrofil <30°C), Mezofil 30-40°C – kevésbé érzékeny, Termofil 40-55°C – nagyobb gázkihozatal; –Tartózkodási idő: 15 – 100 nap; –pH≈7,5; –Tápanyag: optimálisan 1-3 kg sza./Nm 3 gáz/nap; –Segédanyagok: oldott nitrogénvegyületek, ásványok, nyomelemek – trágyában megtalálható; –Optimális C:N arány: 20:1 – 40:1; –Fertőtlenítőszerek és antibiotikumok minimalizálása; –Állandó körülmények (T, pH).

80 Az anaerob lebontás négy szakasza [Born] Komplex szerves anyagok (szénhidrátok, proteinek, zsírok) Oldható szerves molekulák (cukrok, aminosavak, zsírsavak) Illékony zsírsavak EcetsavH 2, CO 2 CH 4, CO hidrolízis, 2 savképződés 3 ecetsav- képződés, 4 metánképződés 4

81 CH 4 +CO 2 gázkeverék

82 Az anaerob lebontás négy szakasza 1./ Hidrolízis: a szerves anyag nagy molekuláit kezdetben „szétrobbantja” a víz, proteinek, szénhidrátok és lipidek keletkeznek, amelynek reakciója AB+HOH → A-OH + H-B. 2./ Savképződés: A hidrolízis illó savakat (pl. propion), aminosavakat és glükózt (egyszerű cukrot), hosszúláncú zsírsavakat állít elő. 3./ Ecetsav-képződés: Ezek a savak ecetsavvá alakulnak savképző baktériumokkal, miközben hidrogént és szén-dioxidot termelnek: C 6 H 12 O 6 (glükóz) + 2H 2 O → 4 H 2 +2CH 3 COOH (ecetsav) + 2CO 2. 4./ Metántermelés: A baktériumok „feltárják” a savasítás termékeit és metánt termelnek az alábbi reakciókkal: CH 3 COOH → CH 4 + CO 2, 4H 2 + CO 2 → CH H 2 O. A savképződés és metántermelés a hidrogén és ecetsav gátló baktériumokkal szimbiózisban történik, ezért az ő felhasználásuk a metántermelő baktériumok mellett hasznos. Az átalakítási tényező nagy, a glükózban tárolt energia ~90 %-a átvihető a metánba.

83 Nyírbátor 2,5 MW e

84 4.2. Erjesztés (fermentation) Az erjesztés (fermentálás): enzimek vagy mikroorganizmusok által okozott átalakítási folyamatok. Etanol (EtOH)-2G biotechnológiai gyártása:

85 Egyfokozatú erjesztés Biomassza előkezelés Metán- keletkezés Biogáz 60% CH4 40% CO2 GM FK E VER Q távhő

86 2G NILE projekt [Monot]

87 2G BIOLYFE projekt [Chiaramonti] betápláláselőkezelés Hidrolízis + fermentáció visszanyerés Kazán + generátor gőz EtOHbiomassza víz Villamos energia gőz víz enzimek

88 2G HYVOLUTION projekt [Wukovits]

89 Hidrogéntermelő folyamat

90 A lebontás és erjesztés integrálása [Ljunggren] Cukrok 1. szakasz Metán Savak + H 2 Metán H2H2 H2H2 H 2 + Metán 2. szakaszVégtermék Anaerob lebontás Foto- fermentáció Sötét fermentáció

91 Az integrált folyamat Hidrogéntermelés: A sötét fermentáció a szaharidot hidrogénné és savakká, a foto-heterotropikus fermentáció a savakat hidrogénné alakítja. Metántermelés: Az anaerob lebontás a szerves anyagokat metánná alakítja. Az integrált folyamatok: –Előkezelés: kiinduló nyersanyag: nedves krumplihéj (keményítő-bázisú), cseppfolyósítás, cukrosítás; –Gázkezelés: Amin (DEA) abszorpció; –Termofil fermentáció (ThF): 70 o C, hőhasznosítás (befolyó az elfolyóval); AnD termékgáz eleresztése, ha a H 2 parciális nyomása >20 kPa, kiegészítő CO 2 adagolással; –Anaerobic lebontás (AnD): 35 o C, felszálló anaerob iszap takaró.

92 A biológiai integrált metán- és hidrogéntermelő folyamat [Ljunggren]

93 Kétfokozatú erjesztés [Osaka] ételmaradék enzimek ártalmatlanításcseppfolyósítás Szimultán édesítés és erjesztés desztilláció etanol Metán keletkezés Biogáz 60% CH 4 40% CO 2 GM/FK Iszapkezelés (együtttüzelés erőműkazánban Q E

94 SEKAB projekt [Linstedt] Előkezelés Enzimes hidrolízis Erjesztés Desztilláció LignocellulózEtanol Oldott anyag Szilárd anyag Anaerob kezelés Kapcsolt energiatermelés biogázEnergia Alternatív felhasználás pl. üzemanyag

95 5. Extrahálás (kivonás) Az olajos növényekből az olajok kivonása, majd észterezés után bio-dízel (RME) előállítása. Pálma, repce, napraforgóolaj Extrahálás, kivonás Nádcukor, manióka, cukorrépa, cukorcirok, burgonya, csicsóka Szerves hulladékok Erjesztés, desztilláció Anaerob rothasztás Növényfajták például Technológiák észterezés NövényolajRMEEtanolMetán (biogáz) Üzem- és tüzelőanyagok

96 6. Bio-üzemanyagok Jelenleg a mezőgazdasági terményekből (gabona, olajos magvak) első generációs bio- üzemanyagok (bio-dízel, bio-etanol) elterjedése folyik, ismerve a korlátozott költségcsökkentési lehetőségeket és elfogadva tanulási periódus szükségességét [Pelkmans]. A ligno-cellulóz tartalmú mezőgazdasági új termékekből (pl. fű), melléktermékekből és erdészeti maradékokból második generációs bio-üzemanyagokat (FT-dízel, etanol, DME (CH 3 -O-CH 3 ), szintetikus földgáz (SNG)) kívánnak előállítani. Ennek kutatása megkezdődött a kőolaj-feldolgozók és autógyártók részvételével. A szintetikus üzemanyagok kémiailag azonosak, és teljesen összeegyeztethetők a hagyományos dízellel és benzinnel. A biomassza szintézisgázából az alábbi termékek állíthatók elő [Dinjus]: –Fischer-Tropsch (FT) szintézissel és finomítással: viasz, dízel, benzin, LPG, gáz, stb; –CO 2 és CO leválasztással: vagy hidrogén, vagy metán (SNG); –metanol szintézissel és további feldolgozással: DME, propilén, etilén, dízel, benzin, stb. Az új igényeknek (pl. a kibocsátási szabványoknak) megfelelően alakítható az új belsőégésű motorok koncepciója. A bio-üzemanyagok alapanyagának széles választéka jelentős CO 2 -kibocsátáscsökkentő potenciált ígér. A fosszilis, bio-üzemanyag, hibrid-, villamosenergia-hajtás átmenetet az elkövetkező évben biztosra veszik, ami kb. húsz év múlva a villamosenergia-rendszer termelői (minél nagyobb részarányban karbon-mentes villamos energia) és fogyasztói oldalának (otthoni (éjszakai) „akkumulátor-feltöltés”) átalakítását is igényli majd.

97 Második generációs (2G) bio-üzemanyagok bevezetése [Pelkmans]

98 Második generációs (ligno-cellulóz bázisú) üzemanyagok [Pelkmans] Bio-üzemanyagJellegzetes bio-üzemanyagTermelési folyamat Bio-etanolCellukóz-etanolBiokémia: enzimes hidrolízis és erjesztés Szintetikus bio-üzemanyagokFischer-Tropsch (FT) dízel Bio-metanol Di-metil-éter (DME) Nehéz alkoholok (butanol és nehezebb) P-sor (etanol + MTHF stb) Termokémia: Elgázosítás és szintézis Bio-dízel (1-2. generáció)zöld pirolízis dízel H-bio Termokémia: Pirolízis Hidrogénezés (finomítás kiegészülve növényi olajokkal) MetánBio SNG (földgáz)Termokémia: Elgázosítás és szintézis Bio-hidrogénHidrogénTermokémia: Elgázosítás és szintézis Biológia

99 A szintetikus üzemanyagok kémiai eljárásai [Dinjus]

100 Bio-folyadék gyártás folyamatsémája [Dinjus]

101 A szintetikus üzemanyag előállításának energia- és tömegmérlege [Dinjus]

102 3G Bio-SNG 7 projekt [Seiffert]

103 3G Megújuló földgáz (RNG) előállítása és felhasználása [Bush]

104 A megújulóföldgáz-üzem alap konfigurációja [Bush] Faszárítás a, Elgázosítás b, Metanizáció c, 610 MWh300 t O 2 Biomassza 1450 t 50% nedv.tart MWh 1,2 MWh 800 t CO 2 RNG m MWh a, fa szárítása 20% nedvességtartalomig b, szintézisgáz-tisztítással és víz-gáz reakcióval c, kompresszióval és savtalanítással d, 94% metán, 53 bar, égéshő: 35,5 MJ/m 3

105 Biomassza-átalakítási hatásfokok [Bush] EnergiaátalakításHatásfok [%] Gőzerőmű (E)20-30 Belsőégésű motor (W)25-37 Kombinált gáz-gőz erőmű (E)35-50 F-T dízel (Q ü )35-45 Megújuló földgáz (Q ü )50-68

106 Összefoglalás A többféle biomasszából három szekunder energiahordozó (üzemanyag, hő és villamos energia) valamint kémiai anyagok állíthatók elő. A ma mezőgazdasága energia- és üzemanyag-felhasználó, ezért üvegházhatású gázokat (ÜHG) kibocsátó, élelmiszer-termelő ágazat. A holnap mezőgazdasága kis (vagy negatív) karbon-tartalmú energiát felhasználó, egyre több élelmiszert előállító ágazat lesz, aminek „megoldása” zárt hurkú („zérushulladékú”) rendszer: –input: ÜHG kibocsátás, –output: ezt „megkötő” élelmiszertömeg a felhasznált energia és üzemanyag levonásával. –(A fosszilis üzemanyag referencia értéke 83,8 g CO2ekv/MJü.) A biomassza alapanyagok –egyrészt „szűkülnek” – az élelmiszer elsődlegessége mellett – a ligno-cellulóz alapú mezőgazdasági (pl. szalma, kukoricaszár), erdészeti (pl. vágástéri hulladék) melléktermékekre, (ha kiépülnek az ültetvények) a termesztett energianövényekre, –másrészt „bővülnek” (pl. nagyvárosokban a válogatott hulladékok, ételmaradékok, ipari hulladékok, a tengermelléki országokban az algákkal). A biomassza átalakításának növekvő hatékonyságát az eljárások kombinációjától, több szakterület (mezőgazdaság, hő- és villamos energetika, olajfinomítás, biokémia, stb.) kooperációjától, szakismeretük „egyesítésétől” várják. A fenntartható energetika egyik lehetősége jó mezőgazdasági adottságaink kihasználása a hazai energetikai biomasszák termesztésére, nagyvárosaink hulladékainak ártalmatlanítására, mint primer energiahordozók, amikből szekunder energiahordozók állíthatók elő. Ehhez mind a mezőgazdasági termelők szemléletének (melléktermékek begyűjtése, tárolása), mind a nagyvárosi lakosság (hulladék, mint nyersanyag elfogadása) hozzáállásának megváltozása szükséges!


Letölteni ppt "Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kar Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék Dr. Ősz János Bioenergia."

Hasonló előadás


Google Hirdetések