Bioenergia

1. Bioenergia Biomassza, biodízel, bioetanol és biogáz

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

3. 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.

4. 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

5. 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

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

7. 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%.

8. 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.

9. 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

10. 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

11. 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

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

13. A lignocellulóz alkotóelemei Lignin: • fenolos hidroxi- és metoxi csoportokat tartalmazó bonyolult szerkezetű aromás polimer a C10H12O3alkohol kondenzációjával és polimerizációjával jön létre; • molekulatömege nagy (10000 körüli); • felső fűtőértéke ~20 MJ/kg.

14. 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.

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

16. A biomassza mint nyersanyag

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

18. 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.

19. 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

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

21. Szilárd bio-tüzelőanyagok Fitomassza és dendromassza

22. 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.).

23. Fitomassza jellemzők Elemi összetétel fajta szerint Olajpálma maradék Cukornád Fahulladék

24. Elemi összetétel fajta szerint Fitomassza jellemzők Kukoricaszár Rizshéj

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

26. Szarvasi energiafű

27. Szarvasi energiafű Hasznosítás, feldolgozott termékek

28. Folyékony bioüzemanyagok Bioetanol, biodízel

29. szilárd maradék Etanolgyártás előkezelés enzimes hidriolízis fermen-táció desztilláció fizikai előkezelésaprítás, őrlés, gőzrobbantás, nedves oxidáció biokémiailebontás speciálisenzimek által biológiai erjesztés oxigénmentes körül- mények között az alkohol fizikai kinyerése

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

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

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

33. 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

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

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

36. 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.

37. Fermentációs technológiák

38. 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.

39. 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).

40. Elvárások és előírások Hazai vállalás • 2233/2004. (IX.22.) Korm. HatározatMagyarország 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

41. 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.

42. 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

43. 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.

44. 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).

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

46. Át-észterezés Rn: hosszú szénláncú zsírsav molekula

47. 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

48. 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)

49. 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.

50. Légnemű bio-tüzelőanyagok Biogáz