Bioenergia

1. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi EgyetemGépészmérnöki KarEnergetikai Gépek és Rendszerek TanszékDr. Ősz János Bioenergia

2. Tartalom • Biomassza • Szilárd biomassza összetétele • Biomassza energetikai hasznosítása • Tüzelés • Termokémiai elgázosítás • Hidrotermális elgázosítás • Pirolízis, cseppfolyosítás. • Biokémiai eljárás • Anaerob lebontás (digestion) • Erjesztés (fermentation) • Extrahálás (kivonás) • Bio-üzemanyagok • 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: CO2+H2O+hν → O2+[CH2O], • hν=14,4 eV, 8 db foton (~1,8 eV/foton) szükséges 1 db O2 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 CO2 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. 4.1011 t/év, ami ~1,5.1011 t szenet tartalmaz. • ~7,5 MJ/kg átlagértékkel becsülve, a szárazföldi biomasszában tárolt bioenergia 3.1021 J/év. (A biomassza ~50 %-át az óceánok tárolják.) A tárolt bioenergia fele a növényeket táplálja, így a globális potenciál 1,5. 1021 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 (CH2O)n idővel elvesztik az oxigén- és hidrogénatomjaik (víz) nagy részét („szénülés”): • tőzeg (C60H70O25, τ=1 millió év), • barnakőszén (C60H50O16, τ=60 millió év), • feketekőszén (C60H25O5, τ=250 millió év), • antracit (C60H15O1, 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 (CH2O)n. A glükóz (C6H12O6) a legegyszerűbb növényi cukor. • A glükózból kettős cukor (C12H22O11) lesz kondenzációs reakcióval (H2O keletkezése), ami a hidrolízis fordított reakciója (H2O 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

9. Hazai potenciál [Marosvölgyi]1, [Ősz]2

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

11. Mikroalga olajkihozatal [Rösch]

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 15-20 millió m3/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).

14. Hulladék visszanyerés Németországban [Engler]

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

17. UK- Egyesült Királyság [Boyle]; D- Németország [Engler] (Egyéb: papírpelenka, alaktalan, sepert, ásványi); Bp-2001 [Vörös]; H-2006 [Faitll] (Egyéb: higiénia, éghető, éghetetlen, veszélyes, finom).

18. Szilárd tüzelőanyagok összetétele • Elemi összetétel: γHOH + γA+ γC+γH+γS+γN+γO =1 • γHOH mért összes nedvesség-tartalom (a szárítással elpárolgó durva és a tüzelőanyagban maradó, ún. higroszkópos nedvesség-tartalom összege), • γA mért hamutartalom, • γC mért összeskarbon-tartalom, • γH számított hidrogéntartalom, • γS mért kéntartalom, • γN az általában nem mért (a legtöbbször nullának feltételezett) nitrogéntartalom, • γO (a maradéknak számított) oxigéntartalom, [kg/kg] vagy [tömeg %]. • A közelítő (approximate)összetétel: γHOH + γsz= γHOH + γA+ γfixC+γV=1 • γsz szárazanyag-tartalom, • γfixC fix (vagy koksz-) karbon-tartalom, • γV illóanyag-tartalom. • Száraz, hamumentes összetétel: γsz-A = γfixC+γV; • Összeskarbon-tartalom: γtC = γfixC+γVC.

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]: . ,

24. Tűzifa Hü=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:O2=79:21 v%) is vizsgálták. • A tüzelés valós viszonyai között a fentiektől eltérő TG és DTG görbéket regisztrálhatnánk, elsősorban a jelentősen nagyobb, 100-1000°C/sec felfűtési sebesség miatt.

26. Az MS vizsgálatok illó anyagai és csoportosításuk

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

28. Illóanyag-tartalom • Több nyugat-európai szabványban a biomasszák illóanyag-tartalmát újabban 550 oC hőmérsékletig elegendő meghatározni. Az 550 oC megalapozottságát alátámasztja, hogy 550-850 oC között az illóanyag-tartalom miatti tömegcsökkenés – MTA TG-MS mérései szerint – mindössze 3 % körül (2,7-3,8 %) van: • fa: ΔM=3,2 % (550 oC-ig 82 %), • szemes anyag: ΔM=2,7 % (550 oC-ig 74,3 %), • szálas anyag: ΔM=3,8 % (550 oC-ig 71,1 %), • oroszlányi szén: ΔM=10,4 % (620 oC-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-tartalomfő termékek (bal felső), alifás szénhidrogének (jobb felső)aldehidek és metoxi-csoport (bal alsó), oxigéntartalmú termékek (bal alsó)[Sándor]

30. Termokémiai Biokémiai Tüzelés Elgázosí-tás Pirolízis,cseppfolyósítás Lebontás Erjesztés Olaj-kivonás gőz gáz gáz olaj szén biogáz desztilláció észterezés Gőz-turbina Gázturbina, kombinált ciklus, gázmotor Metanol/szénhidrogén/hidrogén szintézis Adalé-kolás Gáz-motor etanol dízel Tüzelőanyag-cella dízel víz Hő Villamos energia Üzemanyag 3.A biomassza energetikai hasznosítása[El Bassam]

31. 3.1. Tüzelés • A szilárd biomassza tüzelőanyagaként: • egyedi fűtésre (kis teljesítményű, <70-100 kWth) melegvíz- vagy távfűtésre (nagyobb teljesítményű, >0,5-1 MWth) melegvíz- vagy forróvíz-kazánokban tüzelhető, • széntüzelésű erőművek gőzkazánjaiban kiegészítő tüzelőanyagaként (<(0,15-0,20) Qü), • 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 %, Hü>16 MJ/kg) és kis sűrűségűk pelletizálással (ρ≥600 kg/m3). A pellet mérete kicsi, így automatizálható az adagolása a kazánba. • A biomassza pörkölésével (200-320 oC hőmérsékleten) nagyobb fűtőértékű (20-25 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. Szárítás örlés pelletizálás Szállítás,kezelés tárolás Q Biomassza Fűtő-erőmű E Szárítás Pörkölés örlés Pelleti-zálás Szállítás,kezelés tárolás A biomassza pelletizálása (pörkölése, pelletizálása)

33. Pelletüzem

34. EN 14961-2 Új európai pellet szabvány

35. Pellet-tüzelésű egyedi kazán

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

37. 02-10 Négymalmos üzem 03-25 Hárommalmos üzem Szalma-befúvás 20,636 MWth Szalma-befúvás 22,416 MWth 4. 54,255 MWth 4. 63,555 MWth 1. 54,008 MWth 1. 22,347 MWth 3. 2,34 MWth 3. 23,049 MWth 2. 54,255 MWth 2. 63,555 MWth Fluidágy 34,511 MWth Fluidágy 32,133 MWth Kiegészítő tüzelés: oroszlányi erőmű 2. gőzkazán

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 100-1000 oC/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 50-150 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 CO2 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 oC. 2./ Pirolízis (vagy részleges elgázosodás, devolatization): 230-350 oC-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 oC 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, H2, CH4, CO2; a szintézisgáz-keverék fűtőértéke 3,5-10,0 MJ/Nm3; • 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]

47. Elgázosító technológiák [Gardmark]

48. Hőveszteség 3623 kWth13042 MJ/h 2437 Nm3/h Gáztisztító és kondicionáló rendszer Elgázosítóη≈80% Hamu Primer levegő GázmotorFBLD 480612kWe GázmotorFBLD 480612kWe 1000 kg/h biomassza10% nedvességtartalom4410 kWth15876 MJ/h Szárító 15%->10% Füstgáz 728 kWt Gázmotorok hulladékhője 1262 kWt 1060 kg/h + 2600 kg/h faapríték 15% nedvességtartalom Hamu-kiégető kazán hője Szárító 40% -> 15% Pelletáló 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 MWth (Hü=13 GJ/t, ω≈28 %), • Villamos teljesítmény: 2 MWe, • Távhő-teljesítmény: 4,5 MWth, • Villamos hatásfok: 0,25, • Bruttó hatásfok: 0,81.