Biomassza, biodízel, bioetanol és biogáz Bioenergia Biomassza, biodízel, bioetanol és biogáz

Biomassza Az ökológus szemében a biomassza valamely élettérben egy adott pillanatban jelen lévő szerves anyagok és élőlények összessége. A biomassza mennyisége megadható az egyedek számában, tömegében, energiatartalmában.

Biomassza elsődleges biomassza: természetes növényi vegetáció, energianövények; másodlagos biomassza: természetes állati vegetáció, állattenyésztés fő- és melléktermékei, hulladékai; harmadlagos biomassza: bioeredetű anyagokat felhasználó iparok fő- és melléktermékei, hulladékai, települések szerves hulladékai.

Biomassza A biomassza természetes, megújuló, biológiai eredetű energiahordozó, amely a Nap energiáját másodlagosan, szerves organizmusokban való megkötéssel tárolja. Fitomassza: szilárd biomassza dendromassza: fa és faszármazékok Biogáz: légnemű biomassza Biodízel, bioetanol: folyékony biomassza

Biomassza Biológiai eredetű szerves anyag: a szárazföldön és vízben található élő és elhalt szervezetek (növények, állatok, mikrobák) testtömege  biotechnológiai iparok termékei különböző transzformálók (ember, állatok, feldolgozó iparok stb.) összes biológiai eredetű terméke, hulladéka, mellékterméke

CO2+H2O+fény+klorofil → CH2O+O2 Biomassza A biomassza (elsődleges) tárolt napenergia: CO2+H2O+fény+klorofil → CH2O+O2

ηF = ηλ·ηgeom.·ηreak.·ηresp. Biomassza A fotoszintézis hatásfoka (hasznosítási foka): ηF = ηλ·ηgeom.·ηreak.·ηresp. ηλ: hasznosítható hullámhossz tartomány (0,4..0,5); ηgeom.: geometriai hatásfok (visszaverődés, elnyelődés, mennyi jut el a klorofilhoz, ~0,8); ηreak.: kémiai reakció hatásfoka (~0,4); ηresp.: párolgási és hőveszteségek (0,4..0,5). Eredő hatásfok: ηF = 2..5%.

Elegendő? Éves átlagos primer energiahordozó teljesítmény-igény a világon: 16 TW Alacsony konverziós hatásfok → nagy területigény szükséges terület: 3,2·1013 m2 A szárazföldek területe: 1,3·1014 m2 területigény 25% (energiaültetvény) A fotoszintézis teljesítménye: ~90 TW.

Biomassza Tulajdonságok Egyszerre hulladék és nyersanyag Nagy mennyiségben áll a rendelkezésünkre Alkotóit nagyrészt újra lehet hasznosítani (megújuló energiaforrás) Jelentős szerephez juthatna a vegyi és energiafolyamatokban

Biomassza Alkalmazási előnyök Ökológiai okok, mivel általuk a kémiai és energia-körforgások (CO2) nagymértékben bezárulnának A fosszilis nyersanyagok korlátozottan állnak rendelkezésünkre, ami határt szab felhasználásuknak Alternatív termékláncot alakít ki a mezőgazdasági hulladékoknak

Biomassza Alkalmazási hátrányok Gazdaságilag egyelőre nem kifizetődő, ráfizetést igényel magas rizikófaktorral A fosszilis, nem megújuló, nyersanyagok olcsóbbak, mint a mező- és erdőgazdasági melléktermékek A természeti és gazdasági körforgásokban keletkező biomasszát nyersanyagként általánosan elutasítják

Biomassza felépítése Fő alkotóelem: lignocellulóz Jellemzői: polimorf (kristályos, amorf) makrostruktúra; heterogén összetétel (cellulóz, hemicellulóz, lignin); egyes tulajdonságai függnek a polimerizáció fokától, felülettől, lignin eloszlástól.

A lignocellulóz alkotóelemei Lignin: fenolos hidroxi- és metoxi csoportokat tartalmazó bonyolult szerkezetű aromás polimer a C10H12O3 alkohol kondenzációjával és polimerizációjával jön létre; molekulatömege nagy (10000 körüli); felső fűtőértéke ~20 MJ/kg.

A lignocellulóz alkotóelemei Hemicellulóz 5 (D-xylóz és L-arabinóz) és 6 (D-galaktóz, D-glükóz, és D-mannóz) szénatomos cukrokból, valamint uronsavakból épül fel; amorf szerkezetű; viszonylag egyszerűen cukrokká hidrolizálható.

A lignocellulóz alkotóelemei hosszú D-glükóz lánc (kristályos); a biomassza fő alkotóeleme; stabil képződmény (erős kötések); felső fűtőértéke ~14 MJ/kg.

A biomassza mint nyersanyag

Biomassza mint nyersanyag Lignocellulózokból cellulóz  cukrok hemicellulóz  etanol, butanol lignin  ragasztóanyagok cukor  bioalkohol (fermentációval) olajok  biodízel (átészterezéssel) biogáz (anaerob fermentációval)

Hasznosítási lehetőségek Nyersanyagként, energiaforrásként átalakítás nélkül. Felhasználása hő- és áramtermelésre jó hatásfokú (kapcsolt) erőművekben már ma lehetséges (pl. Pécsi Erőmű Rt. Budapesti Hulladékhasznosító). Ilyen felhasználás esetén aprítani, szárítani, valamint hulladékok és melléktermékek esetében granulálni szükséges a biomasszát.

Hasznosítási lehetőségek Átalakítják üzemanyaggá, ami hasonló vagy ugyanolyan módon használható fel, mint a fosszilis üzemanyagok. Kémiai átalakítás szintézisgáz bio-dízel bio-olajok Biológiai átalakítás bio-gáz bio-hidrogén bio-etanol Bio-finomítók energetikai ipar és közlekedés különböző alapanyagok és energiahordozók

Melléktermékek hasznosítása Lucfenyő Kukoricaszár Fűzfa Összetételük Cellulóz [38..45%] Hemicellulóz [25..40%] Lignin [20..25%] Hasznosítási lehetőségük üzemanyag-etanol termelés a folyamat energiaellátása (szilárd tüzelőanyag)

Szilárd bio-tüzelőanyagok Fitomassza és dendromassza

Fitomassza Az energiacélú felhasználásra alkalmas fitomassza források a következők: Az erdőgazdálkodás és a fafeldolgozás alkalmas fő- és melléktermékei, ill. a fás területek metszési hulladékai. Természetben keletkező nem fás növényféleségek (pl. nád). Az élelmezési célú növénytermesztés és -feldolgozás szilárd melléktermékei (szalma, kukoricaszár, napraforgóhéj stb.). Az energiacéllal termelt növényi anyagok (energiafű, rostkender, repce, kender stb.).

Elemi összetétel fajta szerint Fitomassza jellemzők Elemi összetétel fajta szerint Cukornád Olajpálma maradék Fahulladék C% 44,60 H% 6,20 N% 0,20 S% 0,50 O% 46,84 Cl% - C% 53,3 H% 5,50 N% 0,23 S% <0,05 O% 38,90 Cl% 0,49 C% 45,9 H% 5,80 N% 1,20 S% 0,20 O% 40,10 Cl% 0,40

Elemi összetétel fajta szerint Fitomassza jellemzők Elemi összetétel fajta szerint Kukoricaszár Rizshéj C% 39,60 H% 5,17 N% 1,78 S% 0,38 O% 34,60 Cl% - C% 36,10 H% 4,80 N% 0,29 S% <0,02 O% 35,90 Cl% -

Szarvasi energiafű Toleráns, igénytelen; 10..15 évig termeszthető; Szárazanyag: 10..23 t/(ha·a); Fűtőérték: 14..18 MJ/kgsza; Ipari alapanyag is lehet; Élőhely.

Szarvasi energiafű C% 44,60 H% 4,30 N% 0,40 S% 0,10 O% 40,10 Cl% 0,003

Szarvasi energiafű Hasznosítás, feldolgozott termékek

Folyékony bioüzemanyagok Bioetanol, biodízel

Etanolgyártás szilárd maradék előkezelés enzimes hidriolízis fermen- táció desztilláció fizikai előkezelés aprítás, őrlés, gőzrobbantás, nedves oxidáció biokémiai lebontás speciális enzimek által biológiai erjesztés oxigénmentes körül- mények között az alkohol fizikai kinyerése

Lignocellulóz alapanyag Etanolgyártás Enzim- fermentáció Lignocellulóz alapanyag ! Előkezelés Elválasztás, mosás Cellulóz Pentóz Lignin Desztilláció Hidrolízis Hexóz fermentáció Pentóz fermentáció Hasznosítás Celluláz enzimmel vagy savasan EtOH

Előkezelés Szükséges, mert A lignocellulóz komplex & kompakt szerkezete akadályozza az enzimek hozzáférését a cellulóz polimerhez. A cellulóz igen rendezett, tömör struktúrájú kristályos szerkezetű.

Előkezelés Kémiai Biológiai Fizikai Lignint bontó mikroorganizmusok őrlési, aprítási eljárások cél: a fajlagos felület növelése cél: a komplex szerkezet megbontása

Kémiai előkezelés savas  oldja a hemicellulóz frakciót, és kisebb mértékben a lignint lúgos  duzzasztja a cellulózt, oldja a lignint és oldatba viszi a hemicellulózt szerves oldószeres  eltávolítja a lignint gőz-  robbantás megváltozik a struktúra, a hemicellulóz frakció oldatba megy

Biológiai átalakítás Simultaneous Saccharification and Fermentation (SSF) Nyersanyag Enzim Termelés Előkezelés Hidrolízis Etanol Separate Hydrolysis and Fermentation (SHF) Fermentáció Etanol Kinyerés

Erjesztés (fermentáció) - SSF Celluláz enzim Élesztő Egyszerre történik a cellulóz hidrolízise és alkohollá történő fermentációja Bioreaktor/fermentor Cellulóz

Erjesztés (fermentáció) - SHF Először lebontják a cellulózt celluláz enzimmel, majd az így kapott cukrokat élesztő segítségével alkohollá fermentálják, a hagyományos alkohol előállítási technológiát követve. Az SHF esetében külön lehet optimálni a két folyamatot, ami azért lehet előnyös, mert a hidrolízis és a fermentáció pH és hőmérséklet optimuma jelentősen eltér egymástól.

Fermentációs technológiák Előnyei Hátrányai SHF Optimális paraméterek mindkét lépésnél Magas beruházási költségek. SSF Alacsonyabb beruházási költségek. Az enzim és a mikroba optimális paraméterei eltérnek.

Elvárások és előírások Az Európai Közösség vállalása a közlekedési szektorra Az Európai Parlament és Tanács 2003/30 irányelve (2003. V. 08.) A Tagállamoknak biztosítaniuk kell, hogy piacaikon minimális arányban jelen legyenek a bioüzemanyagok és más megújuló energiát hasznosító üzemanyagok. E cél eléréséhez nemzeti előirányzatokat kell felállítaniuk.

Elvárások és előírások EK 2003/30 A referenciaérték minden esetben az adott ország piacán jelenlévő összes közlekedési célra használt benzin és dízelolaj energiatartalmának: 2%-a 2005. december 31-től, 5,75%-a 2010. december 31-től. Felhasználási lehetőségek: tiszta üzemanyagként, ásványi olaj származékokba kevert bioüzemanyagként, bioüzemanyagokból származó adalékanyagként (oxidációt segítő MTBE és ETBE metil/etil-tercier-butil-észter).

Elvárások és előírások Hazai vállalás 2233/2004. (IX.22.) Korm. Határozat Magyarország vállalása: 2005: 0,4-0,6% 2010: 2,0% A vállalásunk tehát: (+) nagyon szerény, de legalább elmozdulás a nulláról (–) Magyarország mezőgazdasága ennél sokkal többre is képes

Magyarországi lehetőségek Biodízel (napraforgó, repce, szója, ricinus, len) Kunhegyes Mátészalka Mosonmagyaróvár Bioetanol (cukorrépa, kukorica, búza, burgonya) Győri Szeszgyár és Finomító Rt. Szabadegyházai Keményítő és Izocukor Gyártó Kft.

Etanol keményítőből A keményítő forrása: kukorica keményítő élelmiszeripari alkohol mint élvezeti cikk, több ezer éve ismert, kukoricából készül a bourbon (amerikai) whiskey keményítő üzemanyag alkohol üzemanyagként 80-100 éve, nagyobb volumenben 30 éve főleg az USA-ban

Biodízel Mi a biodízel? A biodízel olyan folyékony üzemanyag, mely hosszú szénláncú zsírsavas alkil-észter vegyületekből áll és növényi olajból vagy állati zsiradékból állították elő. A biodízel mint márkanév a repce-olajzsírsav-metilésztert (RME) jelenti.

Biodízel Alapanyagok 80..90% növényi olaj (napraforgó, repce, pálma stb.; tisztított sütőolaj); 10..20% alkohol (metil- vagy etil-alkohol); 0,35..1,5% katalizátor (NaOH vagy KOH).

1000 kg olaj + 110 kg metanol → 110 kg glicerin + 1000 kg metil-észter Biodízel Előállítás: átészterezéssel 1000 kg olaj + 110 kg metanol → 110 kg glicerin + 1000 kg metil-észter

Át-észterezés Rn: hosszú szénláncú zsírsav molekula

Reakció és szétválasztás Biodízel Növényi olaj 100 kg Katalizátor 0,5..1,5 kg Metanol 10 kg + többlet Víz 1..100 kg Glicerin Észterek Sav Reakció és szétválasztás telítetlen zsírsavak 0..1 kg Szennyvíz 0..100 kg Savazás Mosás Többlet metanol 50..99% Metanol kinyerés Metanol kinyerés Glicerin 10 kg Biodízel 95..100 kg

Biodízel Előnyök Biológiailag lebomló anyag Használt olajok is feldolgozhatók (éttermek) Nem tartalmaz kén és halogén vegyületeket Csökkenő szennyezőanyag kibocsátás (CO, elégetlen CH, korom) Csak 5% teljesítménycsökkenés A glicerint a kozmetikai ipar felhasználhatja A járművet nem kell átalakítani Könnyen előállítható (egyszerű technológia)

Biodízel Hátrányok előállítása energiaigényes (fosszilis energiahordozó → nincs vagy csekély CO2 megtakarítás); energetikai növénytermesztés → monokultúrák; a termesztés- vegyszer és műtrágyaigényes → talaj és vízszennyezés; a feldolgozás során N2O (üvegház-gáz) és NH3 (savasodás) keletkezik; előállítása költséges; kenőolaj károsító hatás → gyakori olajcsere.

Légnemű bio-tüzelőanyagok Biogáz

Biogáz A biogáz szerves anyagok oxigénmentes bomlása során képződő, a földgázhoz hasonló légnemű anyag. A folyamat magától végbemegy mélyvízi tengeröblökben, mocsarakban, hulladéktároló telepeken.

Biogáz A biogázképződés feltételei biodegradálható szervesanyagban gazdag környezet; oxigénmentes (aerob) környezet; 6,5 – 8,5 közötti pH; 30 – 60 °C közötti hőmérséklet (lebontási módszertől függően); 50%-nál nagyobb víztartalom; a különböző tápelemek (C, N, P) megfelelő aránya; toxikus (mérgező) vegyületek hiánya.

Kiinduló anyagok és gázkihozatal Biogáz Kiinduló anyagok és gázkihozatal Hulladék típusa Biogáz kihozatal, m3/t Sertés trágya 16..25 Marha trágya 15..23 Halfeldolgozás (halolaj) 700..1000 Margaringyártás melléktermékei (zsírok, olajok) 1000..1100 Vágóhídi hulladék 100..300 Szennyvíziszap 150..300

Biogáz Gázképződés főfolyamata Hidrolízis Savképzés Acetogenezis Metántermelés A gázképződés mellékfolyamata: szulfátredukció (bakteriális) szulfát + kénvegyületek → hidrogén-szulfid hidrogén-szulfid + fémsók → oldhatatlan szulfidok

Biogáz Gázképződés 1. Savképzés A komplex organikus makromolekulák monomerekre bontódnak. Az így keletkezett rövidebb molekulák már vízoldhatóak, ezért a baktériumok sejtmembránjain át tudnak hatolni. Hidrolitikus baktériumok: extracelluláris enzimek → hosszabb szénláncú zsírsavak, szén-dioxid, hidrogén.

Biogáz Gázképződés 2. Savképzés A hidrolízis eredményeképpen keletkezett molekulák (zsírsavak és egyebek) részben ecetsavvá és egyéb savakká (propionsav, vajsav, ill. etanol stb.) alakulnak. Baktériumok: hosszú szénláncú zsírsavak → intermedier szerves savak, szén-dioxid, hidrogén.

Biogáz Gázképződés 3. Acetogenezis Az előző lépések közbenső termékei ecetsavvá alakulnak. Baktériumok: intermedier szerves savak → ecetsav.

Biogáz Gázképződés 4. Metántermelés A metanogén baktériumok az ecetsavat és a hidrogént metánná alakítják. Metanogén baktériumok: ecetsav + hidrogén + szén-dioxid → metán.

Biogáztelepek Mezofil (30-37°C): A mezofil tartományban a hőfok fokozatos emelésével a 35°C körüli maximum után, 40°C-on túl aktivitás-csökkenést tapasztalunk, melynek oka a pusztulási sebesség növekedése és a hozamkonstans csökkenése. Termofil (50-65°C): A baktériumok lízise ebben a hőmérséklet-tartományban gyors, ezért csak exponenciális növekedés feltételei közt tudnak fennmaradni. A gáztermelés sebessége a termofil zónában 25-50%-kal nagyobb, mint a mezofil tartományban. A termofil spektrum szűkebb, ezért a hőmérséklet precízebb szabályozása szükséges. A toxikus anyagokra is érzékenyebbek ezek a baktériumok, de a magasabb hőmérséklet miatt a patogén mikroorganizmusok és a féregpeték eliminációja jobb.

Biogáztelepek Centralizált biogáztelep nagy kiterjedésű területről gyűjt; hulladékmegsemmisítőként funkcionál; tárolóként is működik; saját (kombinált ciklusú) erőművel rendelkezik; nagyméretű fermentorok; teljesen kiépített infrastruktúra, példa: szennyvíztisztító biogáztelepe.

Centralizált biogáztelep Biogáztelepek Centralizált biogáztelep Előnyök Hátrányok Távhőellátásra is alkalmas hőteljesítmény. Nagy szállítási költségek. Méretgazdaságosság. Precíz csíramentesítés az átfertőződések megelőzésére. Nem szükséges nagy beruházás a gazdálkodóknál. Szállítójárművek folyamatos fertőtlenítése. Központosított trágyaelosztás. Jó gázkihozatalú nyersanyagoktól való függés.

Biogáztelepek Telephelyi biogáztelep állattartó telepekre, mezőgazdasági termelőhöz épített biogáz-üzemekre a kis méret jellemző, külső hulladék nincs vagy csekély mennyiségű, kapcsolt energiatermelés itt is elsődleges, a keletkezett hőt és a trágyát helyileg próbálják felhasználni.

Telephelyi biogáztelep Biogáztelepek Telephelyi biogáztelep Előnyök Hátrányok Alacsony szállítási költség (esetleg nincs). Fajlagosan drága beruházás. Hulladék ártalmatlanítás a keletkezés helyszínén. Hőigény biztosítandó. Megfelelő nagyságú trágyafelvevő termőföld.

(0,4..0,5 millió lakos: 20 MWe, 30 MWt) Tüzelőanyag-előkészítés Hulladékhasznosítás (0,4..0,5 millió lakos: 20 MWe, 30 MWt) Tüzelőanyag-előkészítés Gázmotor erőmű Válogatás feldolgozás szervesben dús fermentor biogáz kommunális hulladék gázmotor villamos energia szervetlen anyagban dús Hőhasznosítók fém deponálandó (nem éghető) fermentációs maradék hő Fluidtüzelésű forróvízkazán

Depóniagáz Hulladéklerakó-telepeken fejlődő, jellemzően CH4 és CO2 tartalmú éghető gáz. Lehetőségek: elfáklyázás, energetikai hasznosítás.

Depóniagáz Hulladéklerakó életciklusa 1. fázis: aerob bomlás (bakteriális) → rövidebb szénláncú sz.a. <sz.a.>+O2 → CO2+H2O+NH3+hő NH3+O2 → NO3 időtartam: nap..hónap 2. fázis: anaerob savképződés (bakt.) → szerves savak és alkoholok → erősen savas kémhatás

Depóniagáz Hulladéklerakó életciklusa 3. fázis: savátalakulás (bakteriális) → más típusú szerves savak (ecetsav) a depónia kémhatása semlegesközeli megkezdődik a metántermelés savképző bakt. elpusztulnak 4. fázis: anaerob bomlás (bakteriális) → stabil metántermelés időtartam: ~20 a

Depóniagáz Metanogenezis (metántermelődés) CH3COO- + H2O → CH4 + HCO3- ecetsav + víz → metán + karbonát 4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O hidrogén + szén- → metán + víz dioxid

Depóniagáz

Depóniagáz Metánhozam: Korlátok: nem minden szervesanyag bomlik (lignin, műanyagok); nedvességtartalom; mérgező anyagok (toxinok); becsomagolt részek (műanyag zacskóban).

Depóniagáz A metánhozam időfüggő G – gázhozam, térfogat/idő; Mi – nedves hulladékmennyiség az i-edik évben; L0 – fajlagos gázhozam, térfogat/tömeg (100..170 m3/kt); ti – az i-edik évben lerakott hulladék kora, a; k – skálázási konstans, 1/idő (~0,04..0,05), n – periódusok (lerakások) száma.

Depóniagáz Nyomgázok (<0,6 %vol) „szagos” komponensek aromás vegyületek klórtartalmú vegyületek PAH-k alkoholok

Depóniagáz Gázkitermelő kút

Depóniagáz Gázgyűjtő rendszer (aktív)

Depóniagáz Energetikai technológiák belsőégésű gázmotor; gázturbina; mikrogázturbina; gőzkazán és gőzturbina; külső tüzelésű gázmotor (Stirling-motor). *