Alternat ív energiaforrások Bio ü zemanyagok

1. Alternatív energiaforrásokBioüzemanyagok

2. 2000 1937 Múlt és jelen • Folyamatatosan nő a világ energiafelhasználása

3. Egy ember átlagos energiafogyasztásának változása a történelem során Forrás: Barótfi István – Kempelen Farkas digitális tankönyvtár

4. Fosszilis energiahordozók • Kőszén, kőolaj, földgáz – nem megújuló (több száz millió év alatt), kb 90%-át feléltük • Mai napig a legnagyobb %-ban a kőolajat használjuk, de gond a kitermelés (ma még 3 milliárd tonna/év, de ez csökken, becslések szerint max. 30-40 évre elég a készlet) • Kőszén: több millió évvel ezelőtt mocsári körny-ben az elhalt növényekből kialakult tőzeg, mely vízvesztés után barna-, végül feketekőszénné al. • Kőolaj, földgáz: elhalt szervezetek szervesanyagaiból oxigénszegény körny-ben, magas hőm-en és nyomáson szénhidrogének képz. • Egyes kutatók vitatják fosszilis eredetüket, szerintük nagyon nagy mélységben szervetlen anyagokból képz., érvük, hogy nagyon nagy nyomás kell kialakulásukhoz, mely azokban a rétegekben nem jöhetett létre, amivel a szervesanyagok még érintkezhettek) • Vagy az igényeinket/felhaszn. csökkentjük, vagy kevesebb energiával, hatékonyabban használjuk fel • Mire elfogynak a készletek megfelelő alternatívá(ka)t kell találni

5. Igényeink meghaladják lehetőségeinket Megoldás: megújuló/alternatív energiaforrások • Napenergia • Szélenergia • Vízenergia • Geotermikus energia • Biomassza (élő és nemrég elhalt szervezetek, biológiai eredetű termékek) • Jelenleg az összenergia felhasználás 5-6%-a megújuló

6. 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(felmérések szerint a jelenlegi energiafelhaszn. szerint az üvegházh.-t okozó gázok mennyisége 30-40 évenként megduplázódik)

7. A megújuló energiaforrások felhasználási lehetőségei (Forrás: Energiahatékonysági kézikönyv - Megújuló energiaforrások hasznosítása)

8. Lehetőségek Magyarországon • Biomassza hasznosítása (3,5 millió t olajjal egyenértékű mennyiségű biomassza keletk. évente Mo-n) • Geotermikus energia (0,2 t olajjal egyenért. a kiaknázható mennyiség) • Napenergia (meglepő, de csak 0,05 t olajjal egyenért. hasznosítható) • Víz-, szélenergia (Magyarországon kisebb jelentőségű)

9. Zöldáramtermelés Magyarországon Forrás: Világgazdaság, VG-gyűjtés

10. Megújuló energiaforrásokNapenergia • A következő néhány millió évben nagy valószínűséggel jelen lesz • A Földre érkező sugárzás egy anyag felületén abszorbeálódik, az anyagtól függően változó mértékben. Ez kihasználható, a sugárzási energia hővé alakul • Az első ismert napenergia-felhasználó a krónikák szerint Archimedes (i.e. 287-212) volt, aki a támadó római had hajóit tükörrel/pajzsok segítségével lángra lobbantotta • Az 1600-as években kezdték újra vizsgálni a napenergia felhasználásának lehetőségeit • Komoly előrelépések azonban csak az 1972-es olajválság után történtek Hő- és villamosenergia

12. Napelemek, napkollektorok, napkoncentrátorok

13. Megújuló energiaforrásokVízenergia • Elvileg sokszínű: árapály, párolgás és lecsapódás, vízmozgás • Leginkább folyóvizek mozgási energiáját hasznosítjuk • Magyarország adottságai nem jelentősek (nincsenek nagy szintkülönbségek) • Hazánkban a 1800-as évek végéig az egyik alapvető erg.termelési mód volt (malomiparban, 22647 vízikerék és 99 turbina ). Később vízimalmokból törpe vízerőmű, amelyek már csak áramot termeltek. • Vízturbinák segítségével mechanikai energiát nyerünk

14. Tiszalök ár-apály Kaprun Törpe vízierőmű

15. Megújuló energiaforrásokSzélenergia • A levegő különböző mértékben melegszik fel a Föld felszínén, ez légmozgásokat idéz elő • Szélmalom, vitrolás, szélkerék • Virágkorát a 17-18. sz-ban élte, majd az ipari forradalom gőzgépei kiszorították a színről • Ma elsősorban villamosenergia termelésre fejlesztik a szél energiáját hasznosító erőgépeket • Mo-n az átl. szélseb. 2,5-3,5 m/sec, 1,5 m/s-nál kisebb sebességű szél már nem alk. erg.nyerésre A.A. MILNE: A SZÉL (részlet) „Senki meg nem mondja, mit senkise tud Hogy a szél honnan indul és hova fut Szárnyal valahonnan, nagyon sebesen Utol nem érem rohanva sem” (Devecseri Gábor fordítása)

16. Nyíregyházi szélerőgépek

17. Megújuló energiaforrásokGeotermikus energia • A földkéregben tárolt hőenergia, elvileg korlátlan • Már a rómaiak is ismerték, használták a termál vizeket, mint gyógyvizek, ill. Pompeiben fűtésre • Termálvizek – Magyarországon jelentős előfordul olyan kút, melyből legalább 60°C-os víz folyik • Mo-n átl. 20m/°C (Dél-Dunántúlon, Alföldön találunk 1000 m mélyen 70°C) • Kihasználása nem megfelelő, fejlesztések hiánya

18. Mo-n több, mint 600 35°C feletti kifolyóvíz hőm-ű termálkút van, és legalább 180, mely-nek hőm-e meghaladja a 60°C-ot, ezek kb 45%-a hasznosul energetikai célokra hévízkút hévíz feltárására alkalmatlan terület termálkarsztvíz tározók

19. Geotermikus erőmű

20. Megújuló energiaforrásokBiomassza • A szén, a kőolaj és a földgáz után jelenleg a negyedik legnagyobb energiaforrás. Világátlagban a felhasznált energia 14 %-át, a fejlődő országokban 35 %-át biomassza felhasználásával nyerik • Szervesanyag tömeg (biológiai eredetű) : élő és nemrég elhalt szervezetek, valamint ezek, és a biotechnológiai ipar termékei, hulladékai, melléktermékei (az ember, mint biológiai tömeg, bár biomassza, de nem soroljuk bele e rendszerezésbe, viszont az általa termelt mellék-termékeket, hulladékokat igen) • A biomassza valójában átalakított napenergia, mely kémiai kötésekben tárolódik

21. Megújuló energiaforrásokBiomassza • 3 nagy csoportba osztjuk (keletekezés, típus alapján): • Elsődleges biomassza: természetes vegetáció • Másodlagos biomassza: állatvilág, és az állattenyésztésből származó melléktermékek, hulladékok • Harmadlagos biomassza: emberi tevékenységhez kapcsolódó szerves hulladékok, bio(tech.) ipar melléktermékei, hulladékai • Hasznosítása: • Élelmiszer, takarmány • Energiaforrásként: • Közvetlen tüzeléssel • Kémiai átalakítás után – gáz vagy folyékony üzemanyag • Erjesztéssel (etanol) – foly. üzemanyag • Növényi olajok (sajtozlás, észterezés) - foly. üzemanyag • Anaerob fermentáció – gáznemű üzemanyag, fűtőa., villamoserg.

22. Megújuló energiaforrásokBiomassza • Energetikai hasznosításra felhasznált biomassza: ipari, mezőgazdasági, erdőgazdasági, és kommunális hulladékok, illetve a túltermelési válság miatt felhalmozódott intervenciós termények (főleg kukorica): • faipari hulladék,gabonafélék-, egyéb növények szármaradványai,szalma, kukorica csutka, stb – közvetlen égetéssel nyerhető energia • Cellulóz, keményítő alapú biomasszából biogáz, alkohol nyerhető • Állattartásból eredő, élelmiszeripari melléktermékekből, hulladékokból szintén nyerhetünk biogázt

23. Megújuló energiaforrásokBiomassza • Energetikai célú felhasználásának előnyei: • Kimerülőben lévő fosszilis energiahordozó készletek kiváltása • Újra termelhető • A légkör CO2 szint növekedésének megállítása (megfordítása) • A termelés helyén/környezetében felhasználható, (szállítási költségek csökk., ellátási bizonytalanság csökken – import függőség) • Szénhez viszonyítva kevesebb salak képz., a hamu hasznosítható talajjavításra • Elégetése során sokkal kevesebb kénvegyület szabadul fel, mint a fosszilis energiahordozók esetén • Összességében környezetkímélőbb a használata

24. Megújuló energiaforrásokBiomassza • Energetikai célú felhasználásának hátrányai: • Változó nedvességtartalmú tüzelőanyag elégetéséhez is jó hatásfokú berendezések kellenek • Élelmezési, takarmányozási célra termelt biomassza felhasználása (miközben a világ számos pontján éheznek) • Az élelmezésre termelt növények területeinek csökkentése az energianövények javára, főleg a szegényebb, elmaradott, de jó természeti adottságú országokban, így ott tovább romolhat a helyzet • Cellulóz alapú biomassza képezi a legnagyobb hasznosítható mennyiséget, de ennek hatékony, költségkímélő átalakítása folyékony ill. gáz állapotú üzemanyagra még nem megoldott

25. Megújuló energiaforrásokBiomassza • A biomassza hasznosítása nemcsak energetikai szempontból fontos, hanem környezetvédelmi sőt gazdasági szempontból is jelentősége lehet, pl. alternatív energia piacon Mo. adottságainak köszönhetően jó poziciót érhet el, és ezzel kapcsolatosan új munkahelyeket is biztosítana • Magyaország kitűnő adottságai: nagy megművelhető földterület ( kb 66%-a az összterületnek, az EU átlagnál jobb)

27. Biomassza potenciál Magyarországon • Energiafelhasználásunknak mindössze 3,2-3,6 %-át fedezzük megújuló forrásokból, ennek nagy része (2,8%) tüzifa égetéséből szárm. • Mo. évente újratermelhető biomassza menny-e kb 100-110 millió tonna, ennek bruttó energiatart-a 1185 PJ, ami több, mint az ország éves erg.felhasználása • A mezőgazdaságban keletkező hulladék, melléktermék igen tetemes, melynek csak elenyésző részét hasznosítjuk az állattartásban ill. iparban. Energetikai célú hasznosításukhoz a technológia kialakítása, fejlesztése költséges, és nem kellően támogatott

28. Biomassza potenciál Magyarországon • Az évi biomassza termelésünk kb fele melléktermékként jelenik meg, ami jelentős alapanyag mennyiség az alternatív energiák előállításához • Mo. területeit sokkal jobban ki lehetne használni, pl. energia erdők, energia füvek termesztésére, főleg az állattenyésztés zsugorodása következtében, a felszabaduló, takarmány növények termesztésére fordított, földterületek felhasználásával • A mezőgazdaságban keletkező hulladékok, melléktermékek komolyabb hasznosításával a környezet terhelése csökken (hígtrágya elhelyezés, szalma felesleg) • A mezőgazdaság képes lenne ezzel biztosítani energiaszükségletét (saját anyagból fedezné, nem kell fosszilis erg. felhaszn. ,szállítási költs. csökk.). Akár felesleget is tud előállítani, piac

29. Biomassza potenciál Magyarországon

30. Biomassza potenciál Magyarországon Forrás: BIOMASSZA POTENCIÁL ÉS HASZNOSÍTÁSAMAGYARORSZÁGON. GŐGÖS Zoltán, Háromhatár konf. Nyitra, 2005. május 3-4.

31. Biomassza potenciál Magyarországon • A keletkező – évente megújuló – biomassza nemcsak energetikai célra hasznosítható • Az ipari fejlesztésekben a biomassza szerepe egyre nagyobb, igyekeznek olyan termékeket, technológiákat fejleszteni, melyek alapanyagai biomassza eredetűek • Példák: • Építészet: egyre több faházat látunk ország szerte, ezenkívül kötő-, szigetelőanyagokat is állítanak elő biopolimerekből • Vegyipar: szintetikus polimerek helyettesítése biopolimerekkel

32. BIOÜZEMANYAGOK • Szilárd • Száraz biomassza • Folyékony • Biodízel • Biometanol • Bioetanol • Biobutanol • Gáz • Biogáz • Biohidrogén

33. Folyékony bioüzemanyagok • Elégetés: kémiai energiából hőenergia keletk., majd mechanikai energia (motorok, gépek hajtása) • Járművek üzemanyagaként: • önállóan/tisztán, vagy • keverve:benzinhez a bioetanol, vagy származéka: ETBE(etil-tercier-butil éter), gázolajhoz a növényi olaj, vagy észterezett formái5-30%-ig

34. Biodízel • Magas olajtartalmú növények kinyert olajából észterezéssel előállított üzemanyag • A növényi olajok motor hajtóanyagként használata Rudolf Diesel (1858-1913) ötlete volt, aki a Párizsi Világkiállításon 1900-ban mutattott be földimogyoró olajjal hajtott motort. Halála előtt megjósolta, hogy a növényi olajok a jövőben hasonló jelentőséggel fognak bírni, mint a kőolaj és kőszén az akkori (1912) időben

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

36. Biodízel • Növényi eredetű olajok energetikai hasznosítása többek között környezetvédelmi okok, túltermelési válság miatt • Tüzelő-, és üzemanyagként is - önmagában, vagy adalékként • Alapanyagok: növényi olajok (kb 97%-a triglicerid), állati zsiradékok, használt sütőolaj • Termesztett alapanyag: repce, napraforgó, szója, olajbogyó, tökmag, dió, földimogyoró (és még nagyon sokféle mag) • Mo. éghajlati viszonyainak leginkább a napraforgó kedvez, emellett jelentősek a repce ültetvények

37. Zöld dízel • Növényi olajok közvetlen hasznosítása (tisztítás, finomítás után) motorhatóanyagként, kenőanyagként • Olcsóbban eá., mint az észterezett forma • Tüzelőberendezésekben a tiszta olaj jól használható (de előmelegítés szükséges), kisebb a kén-oxid emisszió • Hajtóanyagként komoly hátrányuk magas viszkozitásuk, speciális motor szükséges (vagy a meglévő motorok jelentős átalakítása szüks.), kokszlerakódás, besülés lehet • Gázolajba keverve 10-15%-ban haszn. magas cetánszáma miatt (Az öngyulladás empirikus mértéke a cetánszám- a cetán a 16 szénatomos normál-paraffin). A cetán öngyulladási tulajdonságai a legkedvezőbbek, ez jelenti a skála 100-as értékét) • Mo-n 2007-ben épült zöldolaj előállító üzem Visontán. A várható kapacitás repcéből: 120 000 t magból 39 000 t olaj állítható elő (működéséről nincs elérhető információ)

38. Biodízel • A zöld dízel kedvezőtlen tulajdonságai szükségessé tették a fejlesztést. Biodízel állítható elő belőle az olajok észterezésével • A növényi olaj 97% triglicerid. Tart. még foszfatidokat, lecitint, vitaminokat. Az olajat sajtolással vagy extrakcióval nyerik, majd alkohollal katalizátor (NaOH) jelenlétében észteresítik. • A biodízel tehát olajok telítetlen zsírsavaiból előállított metil észter • Előállítása: • olajpréselés • Trigliceridek jelenléte gond, ezek átészterezése szükséges • Melléktermékek: olajpogácsa – energiadús (fehérje), glicerin –szintén hasznosítható

39. Zsírsav-metilészter Biodízel • Katalizátor (ált. NaOH) jelenlétében az olajat 10% metanol/etanol jelenlétében reagáltatják, glicerin és zsírsav-metil/etilészterek képz., ülepítik, és az alsó frakciót, mely tart. a glicerint levál., a felesl. alkoholt desztillációval eltáv. • Termék: biodízel, glicerin, olajpogácsa

40. számoljunk • A repce olaj tartalma 40-42%. 1000 kg RME kinyeréséhez tehát kb 2400-2500 kg mag kell. Repcéből lehet 3 t/ha átlagtermést kihozni. Adatok szerint 1 ha-on termesztett repcéből annyi repce-metilészter (RME) nyerhető, ami több, mint 6 ha műveléséhez elegendő, ebből levonva az „önfogyasztást” – 5 ha megműveléséhez tudunk üzemanyagot biztosítani az 1 ha repcéből, tehát nemcsak önfenntartó (2007-es adatok szerint a Dél-Alföldi Régióban mintegy 25-30 000 ha-on termesztenek repcét) • Másik számítás szerint 250 kg repce v. 500 kg szójamagból nyerhető 100 kg tiszta olaj, ezt 11 kg metanollal észteresítve nyerhető 100 kg biodízel + 11 kg glicerin • Biodízel gyártásba az EU első a világon, ezen belül Németország jár az élen (majd Franciaország, és Olaszország követi)

41. A biodízel előállítása során keletkező melléktermékek hasznosításaOlajpogácsa • Az olajpogácsa az olajos magvakból az olaj eltávolítása után visszamaradó melléktermék, mely hasznosítható takarmányozási célokra (kérődzőek, halak) is, amennyiben magas a tápanyagértéke. Az erre nem alkalmas olajpogácsák viszont magas nitrogén tartalmuk miatt trágyázásra/talajjavításra használhatók • Az olajpogácsák összetétele nagyban függ a növénytől, az extrakciótól (de befolyásolja a termesztési körülmény, tárolás is) • Napraforgóból szárm.: magas a nyersfehérje, és rost tart. • Szójabab esetén magas az aminosav tartalom • Repce fehérje tart-a magas, jó aminosav forrás • Biotechnológiai alkalmazásuk: magas tápértékük miatt pl. enzimtermelésre - sikeresen haszn. lipáz, fitáz, extracell. proteáz, amiláz, stb. előállítsához (legtöbbször szilárd fázisú fermentációban szubsztrát vagy tápanyag kiegészítő). Megfigyelték, hogy a növényi élősködők előford-a csökkent pl. ricinus olajpogácsa jelenlétében, míg a szaprofita gombáké nőtt.

42. A biodízel előállítása során keletkező melléktermékek hasznosításaGlicerin • Élelmiszeriparban: • E422 néven élelmiszer adalékként • Édesítőszerként cukor helyett (édesítő ereje csak 60%-a a cukorénak • Vegyiparban: • a poliol, és a poliuretán gyártásban • a nitroglicerin alapanyaga • a kozmetikai iparban hidratáló krémek, szappanokkészítéséhez használják • sejtek tárolása folyékony nitrogénben, a glicerin jelenlétea sejteket megvédi a jégkristályok okozta károsodástól

43. Háztartásokban keletkező zsír, olaj hulladék hasznosítása • Veszélyes hulladék, mert a sütés során toxikus, karcinogén anyagok keletk. • Igen nagy mennyiségben keletk. (EU-ban 0,8-1 millió t/év) • Ártalmatlanítani kell, egyik lehetőség a biodízel előállítása e hulladékokból, mely függ az alapanyagtól, és a költségektől • 3 lehetőség: lúgos, savas ill. enzimes eljárás, melyből az enzim katalizálta reakciók az előnyösek (környezet-kímélő, mellék termék (glicerin) visszanyerése) - lipázok

44. Biometanol • Biomasszából – fahulladékból, szerves, kommunális hull-ból - előállítható, faszesznek is hívják • Légmentes térben hevítve (pirolizis) az alapanyagot CO és H2 nyerhető, nyomás alatti hevítésekor, katalizátor jelenlétében keletk. a metanol • Kedvezőtlen motorikus és korróziós tulajdonságok, ezért nem haszn., mint motorhajtóanyag, keverhetik benzinhez 5%-ig (elegyedési gondok), de összességében így sem előnyös (bár javul a motor hatásfoka, de hidegindítási gondok). Korrozívabb, mint az etanol, energiatartalma is kisebb

45. Bioetanol

46. BioEtanol • Keményítő és magas cukortartalmú növényi termékekből • Már az egyiptomiak is tudták (azaz legalább 3000 éve használt technológia: élesztővel cukorból sört, bort fermentáltak) • Most ismét „divat” – benzinhez kötelező bekeverni • Olajválság, ólomterhelés miatt • 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) • 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)

47. Bioetanol • Cukorrépa, búza, kukorica, cukornád, burgonya, cukorcirok • Fermentáció lényege: Saccharomycescerevisiae oxigén hiányában cukorból etanolt és CO2-ot állít elő C6H12O6 2 C2H5OH + CO2 • Bioetanol előállítás többlépcsős • Nagyüzemi gondok: az etanol, mint oldószer 5% feletti koncentrációban tönkreteszi a sejtek membránját • Előnye, hogy magas cukortartalmú hulladékot, mellékterméket is fel lehet használni alapanyagként • Előállítása költséges, de olcsóbb, mint a szintetikus etanolé, ezért várhatóan inkább a vegyi és kozmetikai ipar lesz a nagyfelhasználó (nem üzemanyagként)

48. Néhány bio-etanol előállításra alkalmas növény termesztési adatai (www.kekenergia.hu)

49. Alkohol ipari előállítása keményítőből • Őrölt gabona keményítőjét gőz és nyomás segítségével gélesítik • Lehűtik 50-60°C-ra és α-amilázt adnak hozzá, mely az α-1,4-kötéseket elhasítja oligoszaharid szálak keletk. • Glükóz felszabadítása glükoamiláz enzimmel, a végtermék glükóz • Élesztő sejtek hozzáadásával a glükózból alkohol fermentálható • Töményítés, desztilláció, víztelenítés, ezek a lépések nagyon költségessé teszik, így az energiamérlege negatív Töményítés, desztilláció

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