Alternatív energiaforrások Bioüzemanyagok

Múlt és jelen Folyamatatosan nő a világ energiafelhasználása 1937 2000

Igényeink meghaladják lehetőségeinket Megoldás: megújuló/alternatív energiaforrások Napenergia Szélenergia Vízenergia Geotermikus energia Biomassza (élő és nemrég elhalt szervezetek, biológiai eredetű termékek)

Megújuló energiaforrások Közvetlen : Nap – ebből származó energia megújítható Közvetett : szél, víz, biomassza, geotermikus energia (ez utóbbi nem egyértelmű) Alternatív, mert megoldást kínál a fosszilis energiahordozók kiváltására Ez nemcsak a kifogyóban lévő készletek miatt fontos, de pl. az üvegházhatás csökkentéséhez is hozzájárul

Zöldáramtermelés (Magyarország, GWh) 2001 2004 Biomassza 7 793 Biogáz 7,6 23 Vízenergia 186 210 Szélenergia 0,9 5,5 Hulladékégetés 112 54 Forrás: VG-gyűjtés

Megújuló energiaforrások Biomassza biológiai eredetű anyag (élő és nemrég elhalt szervezetek, biológiai eredetű termékek) A biomassza a szén, a kőolaj és a földgáz után a világon jelenleg a negyedik legnagyobb energiaforrás. Világátlagban a felhasznált energia 14 %-át, a fejlődő országokban 35 %-át biomassza felhasználásával nyerik Faipari hulladék,gabonafélék, egyéb növények szármaradványai, stb – közvetlen égetéssel nyerhető energia Cellulóz, keményítő alapú biomasszából biogáz, alkohol nyerhető Állattartásból eredő, élelmiszeripari melléktermékekből, hulladékokból szintén nyerhetünk biogázt Energiahordozó előállítása - üzemanyag

Biorefinery =bio-finomító

Biodízel Telítetlen zsírsavakból előállított metil észter Alapanyagok: növényi olajok (kb 97%-a triglicerid), állati zsiradékok, használt sütőolaj A növényi olajok üzemanyagként használata szempontjából hátrányos, hogy nagyobb a viszkozitása, ill. nehezebben gyullad, mint az ásványolaj eredetű. Ezek alapján tehát önmagukban üzemanygként nem alkalmazhatók. Át kell észterezni NaOH-os metilalkohollal a növényi zsírsavakat Termesztett alapanyag: repce, napraforgó, szója, tökmag, dió, stb olajpréselés Trigliceridek jelenléte gond, ezek átészterezése szükséges Melléktermékek: olajpogácsa – energiadús (fehérje), glicerin –szintén hasznosítható

Napraforgóolajjal száguldó autókat veszély fenyegeti Mi ez az isteni sültkrumpli szag???

Etanol Már az egyiptomiak is tudták (azaz legalább 3000 éve használt technológia: élesztővel cukorból sört, bort fermentáltak) Ma még jelentősebb, hiszen a bioüzemanyagok egyik fő képviselője (első etanol hajtotta autót 1880-ban Henry Ford alkotta, majd 1990-től Amerikában gasohol, mely kukoricából készült) Fermentáció lényege: Saccharomyces cerevisiae oxigén hiányában cukorból etanolt és CO2-ot állít elő C6H12O6 2 C2H5OH + CO2 Nagyüzemi gondok: az etanol, mint oldószer 5% feletti koncentrációban tönkreteszi a sejtek membránját Előnye, hogy magas cukortartalmú hulladékot, mellékterméket is fel lehet használni alapanyagként

Alkohol termelő mikroorganizmusokban a glükóz átalakulása etanollá glikolizis 2 piruvát Szentgyörgyi-Krebs ciklus acetaldehid 2 etanol 2 CO2 NADH NAD+ Piruvát dekarboxiláz Alkohol dehidrogenáz

Fejlesztési lehetőségek oldószer toleráns törzsek keresése (Zymomonas mobilis baktérium), létrehozása (több hosszúláncú telítetlen zsírsav a sejtmembránban) Batch kultúra helyett fed-batch-, vagy folyamatos-, és/vagy sokedényes folyamatos kultúra Etanol folyamatos kivonása Cellulóz alapú szubsztrátok használata jó, de előkezelés szükséges: fizikai (pl. gőzrobbantás), kémiai (pl. savas hidrolizis), biológiai (celluláz enzimek)

Cellulózból a glükóz enzimatikus kinyerése cellobióz glükóz celluláz b-glükozidáz Az intermedier és a végtermék gátolja (negatív visszacsatolás) az enzimatikus folyamatokat

Bioetanol Keményítő és magas cukortartalmú növényi termékekből régóta Most ismét „divat” – benzinhez kötelező bekeverni Olajválság, ólomterhelés miatt Cukorrépa, búza, kukorica, cukornád, burgonya, cukorcirok Bioetanol előállítás többlépcsős Üzemanyagként lehet eredeti formájában használni, de hátránya, hogy a benzinhez képest kisebb az energia-tartalma (ugyanakkora táv megtételéhez 25-50%-kal több alkoholra van szükség) Benzinbe keverve, ill. komponensként üzemanyagadalék formájában Üzemanyagadalékként oktánszámjavító etil-tercier-butil-éter (ETBE) gyártható belőle (5-7%-ban használják)

Átlagos bio-etanol hozam (l / ha) Néhány bio-etanol előállításra alkalmas növény termesztési adatai (www.kekenergia.hu) Növény Termésátlag (t / ha) Átlagos bio-etanol hozam (l / ha) Cukorrépa 40 4000 Cukorcirok 35 3500 Cukornád 57 5300 Burgonya 20 2000 Őszi búza 5 1500 Kukorica 6 2300 Csicsóka 50 4200

ABE (aceton-butanol-etanol) fermentáció 1861-ben Pasteur figyelte meg a butanol képződését egy butirát termelő törzs izolálása során 1893-ban Beijernick két butanol termelő baktériumot izolált: Granulobacter butylicus, G. saccharobutyricum 1914-től ipari szintű mikrobiológiai termelés – aceton, butanol 1914 Weizmann izolálta az anaerob Clostridium acetobutylicum-ot, keményítőből acetont és butanolt állított elő. Az I. Világháború során a lőporgyártásban sok aceton kellett, a nitrocellulóz oldószere A butanolt a gumielőállításhoz haszálták, butadiént állítottak elő belőle, mely a szintetikus gumi prekurzora ABE termelődés 6-6,5% szubsztrátnak kb 37%-a lesz oldószer 3:6:1 arányban A sejtek exponenciális fázisában acidogén szakasz: acetát, butirát képződik, a rendszer savanyodik, 2. szakaszban szolventogén fázis alacsony pH-n ABE termelődés, 3. szakasz az alkohologén fázis. Melyben csak etanol és butanol képződik közel semleges pH-n

Clostridium sp. fermentáció időskála Gáz=CO2+H2

ABE (aceton-butanol-etanol) fermentáció

Clostridium acetobutylicum etanol aceton butanol

Biogáz

Biogáz Szervesanyagok anaerob bontásával nyerhető gáz – fő komponensek: CH4 + CO2 Felhasználása: helyben – fűtésre Elszállítva – gázhálózatba – fűtésre - Villamos- és hőenergia előállításra - motormeghajtásra hulladékhasznosítás! Visszamaradó biomassza talajerőpótlásra

Biogáz előállításának sematikus ábrázolása Anaerob fermentáció Szerves anyag, “hulladék” TÁPANYAG

Biogáz képződés +H2 Polimerek bontása Monomerek, oligomerek emésztése

Energia növények Bagasse Cukor cirok Cukorrépa Csicsóka Lucerna

A nyírbátori biogáz üzem

Biohidrogén Biotechnológiai előállítása : víz bontásából a nitrogén fixálás mellékterméke biomassza fermentációja során hidrogén alapú technológiák H+ H2 H2 fejlesztés redukció ENERGIA H2 fogyasztás oxidáció e- REDUKÁLÓSZER

Legtisztább energiahordozó: H2 Víz primer energia szállítás, tárolás felhasználás

Biohidrogén termelési stratégiák 2H2O e- Fotoszintézis e- elektron hordozó O2 + 2H+ Hidrogenáz e- e- Sötét fermentáció Biomassza elektron hordozó 2H+ Hidrogenáz

I. keratintartalmú hulladék biológiai bontása II. hidrogéntermelés Kétlépéses, keratintartalmú hulladékot hasznosító hidrogéntermelő rendszer I. keratintartalmú hulladék biológiai bontása keratintartalmú hulladék biomassza oldott keratin Bacillus licheniformis II. hidrogéntermelés biomassza Thermococcus litoralis H2, CO2 III. gáztisztítás H2 CO2

Jó vagy rossz??? Zöldszervezetek tiltakoznak a bioüzemanyagok bevezetése ellen! A belefektetett energia, költségek megtérülnek-e?