ΕΙΚΟΝΑ 2.2: Μονάδες αεριοποίησης βιοµάζας ρ. Μαρία Γούλα, Επ. Καθηγήτρια

Transcript

1 Με την αεριοποίηση (ΕΙΚΟΝΑ 2.2) επιδιώκεται η µετατροπή της βιοµάζας σε αέριο. Στην αεριοποίηση, σε αντίθεση µε την πυρόλυση, η βιοµάζα θερµαίνεται παρουσία περιορισµένων ποσοτήτων οξυγόνου ή αέρα µε σκοπό τη µέγιστη απελευθέρωση CO και Η2. Το µίγµα CO και Η2 είναι γνωστό σαν αέριο σύνθεσης (SNG). Η πλήρη µετατροπή της βιοµάζας σε CO και Η2 θα πραγµατοποιούνταν στην ιδανική περίπτωση, στην πραγµατικότητα όµως τα αέρια προϊόντα που παράγονται από την αεριοποίηση αποτελούνται από υδρογόνο, νερό, µονοξείδιο του άνθρακα, διοξείδιο του άνθρακα, µεθάνιο, αιθάνιο, άζωτο (µε αέρα ως οξειδωτικό) και ποικιλία µολυντών, όπως σωµατίδια άνθρακα, τέφρα, πίσσα, υψηλούς υδρογονάνθρακες και έλαια. Οι περισσότεροι απλοί αεριοποιητές βιοµάζας (ΕΙΚΟΝΑ 2.3) παράγουν σχεδόν ίσα ποσοστά µονοξειδίου του άνθρακα και υδρογόνου.

2 ΕΙΚΟΝΑ 2.2: Μονάδες αεριοποίησης βιοµάζας ρ. Μαρία Γούλα, Επ. Καθηγήτρια

3 ΕΙΚΟΝΑ 2.3: Αεριοποιητές ΚΑΘΑΡΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ Σ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

4 Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι αντιδραστήρων αεριοποίησης : Αεριοποιητές σταθερής κλίνης (fix bed gasifiers): χρησιµοποιούνται σε συστήµατα αεριοποίησης µικρής κλίµακας. Χαρακτηριστικά είδη τέτοιων αεριοποιητών είναι αυτοί της ανερχόµενης ροής, της κατερχόµενης ροής, της διασταυρωµένης ροής και οι ανοιχτού πυρήνα Αεριοποιητές ρευστοποιηµένης κλίνης (fluidized bed gasifiers): παρουσιάζουν εξαιρετικά χαρακτηριστικά ανάµιξης και οι ταχύτητες των αντιδράσεων είναι πολύ υψηλές. Χαρακτηριστικά είδη τέτοιων αεριοποιητών είναι αυτοί της ρευστοποιηµένης κλίνης µε ανακυκλοφορία και της ρευστοποιηµένης κλίνης µε πίεση

5 Τα βασικά βήµατα της αντίδρασης σε ένα αεριοποιητή βιοµάζας είναι: Θέρµανση και πυρόλυση της βιοµάζας όπου έχουµε τη µετατροπή της σε αέριο, σε άνθρακα και στην αρχική πίσσα ιάσπαση της αρχικής πίσσας σε αέρια και σε δευτερογενή /τριτογενή πίσσα ιάσπαση της δευτερογενούς και τριτογενούς πίσσας Ετερογενείς αντιδράσεις αεριοποίησης του άνθρακα που σχηµατίζεται στην πυρόλυση και οµογενείς αντιδράσεις της αέριας φάσης Καύση του άνθρακα που σχηµατίζεται κατά την πυρόλυση και οξείδωση των καύσιµων αερίων

6 Η βιοµάζα µπορεί να αεριοποιηθεί σε υψηλές θερµοκρασίες (πάνω από 1000 Κ). Τα σωµατίδια της βιοµάζας υποβάλλονται σε µερική οξείδωση µε αποτέλεσµα την παραγωγή αερίου και ξυλάνθρακα. Ο ξυλάνθρακας τελικά ελαττώνεται οπότε σχηµα- τίζεται Η2, CO, CO2 και CH4. Αυτή η διεργασία µετατροπής µπορεί να εκφραστεί ως εξής: Βιοµάζα + θερµότητα + ατµός Η2 + CO + CO2 + CH4 + ελαφριοί και βαριοί υδρογονάνθρακες + άνθρακας Αντίθετα µε την πυρόλυση η αεριοποίηση της στερεής βιοµάζας πραγµατοποιείται παρουσία αέρα. Η διεργασία της αεριοποίησης διακρίνεται σε τρία είδη: Αεριοποίηση µε αέρα (air gasification): είναι η µέθοδος που χρησιµοποιείται πιο συχνά, κι αυτό γιατί σχηµατίζεται ένα ενιαίο προϊόν µε υψηλή απόδοση και χωρίς να απαιτείται οξυγόνο. Παράγεται ένα χαµηλής θερµαντικής αξίας αέριο το οποίο περιέχει µέχρι 60% Ν2 µε θερµαντική αξία 4 6 MJ/Nm3 µε υποπροϊόντα νερό, διοξείδιο του άνθρακα, υδρογονάνθρακες, πίσσα και αέριο άζωτο. Μπορούν να επιτευχθούν θερµοκρασίες αντιδραστήρα ίσες µε οc

7 Αεριοποίηση µε οξυγόνο (oxygen gasification): παράγει καλύτερης ποιότητας αέριο µε θερµαντική αξία MJ/Nm3. Σε αυτή τη διεργασία πετυχαίνονται θερµοκρασίες οc. Απαιτεί όµως ανεφοδιασµό µε οξυγόνο µε ότι αυτό συνεπάγεται σε κόστος και ασφάλεια Αεριοποίηση µε ατµό (steam gasification): το αποτέλεσµα αυτής της διεργασίας είναι η µετατροπή του ανθρακούχου υλικού στα βασικά αέρια (Η2, CO, CO2, CH4 και ελαφριοί υδρογονάνθρακες), καθώς και σε άνθρακα και πίσσα. Για να αποφευχθούν προβλήµατα διάβρωσης και δηλητηρίασης των καταλυτών και για να βελτιωθεί η συνολική απόδοση της διεργασίας της αεριοποίησης πρέπει να µειωθούν τα ποσοστά της πίσσας Επιπλέον ο σκοπός της αεριοποίησης είναι η παραγωγή αέριων προϊόντων, ενώ η πυρόλυση στοχεύει στην παραγωγή βιοελαίου και ξυλάνθρακα. Τα αέρια που παράγονται µπορούν στη συνέχεια να αναµορφωθούν µε ατµό για την παραγωγή υδρογόνου, ενώ αυτή η διαδικασία µπορεί να βελτιωθεί περισσότερο µια µε τις αντιδράσεις µετατόπισης, όπως είδαµε και πιο πάνω. Η αεριοποίηση είναι µία διαδικασία κατάλληλη για βιοµάζα µε περιεχόµενη υγρασία µικρότερη από 35%.

8

9

10 Ένα από τα σηµαντικότερα ζητήµατα στην αεριοποίηση της βιοµάζας είναι χειρισµός της πίσσας που σχηµατίζεται κατά τη διάρκεια της διεργασίας. Η πίσσα είναι ανεπιθύµητη γιατί µπορεί να προκαλέσει τον σχηµατισµό aerosols πίσσας καθώς και πολυµερισµό σε πιο σύνθετες δοµές, οι οποίες δεν ευνοούν το σχηµατισµό υδρογόνου κατά την αναµόρφωση µε ατµό. Οι διαθέσιµοι µέθοδοι για την ελαχιστοποίηση της πίσσας είναι τρεις: ο κατάλληλος σχεδιασµός του αεριοποιητή, ο κατάλληλος έλεγχος και λειτουργία και οι πρόσθετες ουσίες / καταλύτες. Οι παράµετροι λειτουργίας που παίζουν καθοριστικό ρόλο στο σχηµατισµό και στην αποσύνθεση της πίσσας είναι η θερµοκρασία, ο χρόνος παραµονής και το µέσω αεριοποίησης. Έχει αναφερθεί ότι η πίσσα µπορεί να διασπαστεί θερµικά σε θερµοκρασίες πάνω από 1273 Κ. Επίσης η χρησιµοποίηση κάποιων πρόσθετων µέσα στο αεριοποιητή βοηθά στη µείωση της πίσσας. Τέτοια πρόσθετα είναι ο δολοµίτης (dolomite), ο άνθρακας και ο ολιβίνης (olivine). Όταν χρησιµοποιείται δολοµίτης µπορεί να επιτευχθεί αποµάκρυνση της πίσσας σε ποσοστό 100%. Οι καταλύτες δεν µειώνουν µόνο την περιεχόµενη πίσσα αλλά βελτιώνουν και την ποιότητα του αέριου προϊόντος, όπως και το βαθµό µετατροπής. Στην αεριοποίηση οι καταλύτες που χρησιµοποιούνται πιο συχνά είναι ο δολοµίτης, οι στηριγµένοι καταλύτες Νi,καθώς και διάφορα αλκαλικά µεταλλικά οξείδια. Έχει αναφερθεί, επίσης, ότι µία τροποποίηση στη διεργασία µε αεριοποίηση δύο σταδίων και µε δευτεροβάθµια έγχυση αέρα στον αεριοποιητή βοηθάει στη µείωση της πίσσας.

11 Ένα άλλο πρόβληµα στην αεριοποίηση της βιοµάζας είναι ο σχηµατισµός τέφρας, η οποία µπορεί να προκαλέσει προβλήµατα απόθεσης, συµπύκνωσης, αποχωρισµού σκουριάς, λέρωµα και συσσώρευση. Για την επίλυση όλων των προβληµάτων που συνδέονται µε την τέφρα έχουν χρησιµοποιηθεί διύλιση και κλασµατοποίηση, για τη µείωση του σχηµατισµού τέφρας µέσα στον αντιδραστήρα. Αν και η κλασµατοποίηση είναι αποτελεσµατική στην αποµάκρυνση της τέφρας, µπορεί να υποβαθµίσει την ποιότητα της υπολειπόµενης τέφρας. Από την άλλη, η διύλιση µπορεί να αφαιρέσει το ανόργανο µέρος της βιοµάζας και παράλληλα να βελτιώσει την ποιότητα της υπολειπόµενης τέφρας. Πιο πρόσφατα, η αεριοποίηση των διυλισµένων αποβλήτων ελαιολάδου, σε ένα αντιδραστήρα ρευστοποιηµένης κλίνης αναφέρθηκε ως µία µέθοδος παραγωγής αερίου η οποία κατέδειξε τη δυνατότητα και ικανότητα χρησιµοποίησης της διύλισης ως τεχνική προεπεξεργασίας για την παραγωγή αερίου προϊόντος υψηλής ποιότητας. Από τα αέρια προϊόντα της αεριοποίησης µπορεί να παραχθεί υδρογόνο µε αναµόρφωση µε ατµό, σε συνδυασµό µε την αντίδραση µετατόπισης, µε την ίδια διαδικασία που περιγράφτηκε στο τµήµα της πυρόλυσης. Επειδή όµως στην αεριοποίηση τα προϊόντα είναι κυρίως αέρια αυτή η διαδικασία αναµόρφωσης είναι πιο ευνοϊκή για την παραγωγή υδρογόνου από αυτή της πυρόλυσης

12 Επιπλέον, το κόστος παραγωγής υδρογόνου µε την αεριοποίηση βιοµάζας είναι ανταγωνιστικό σε σχέση µε αυτό της αναµόρφωσης του φυσικού αερίου, όπως παρουσιάζεται στο ΣΧΗΜΑ 2.17 Biomass feed to Gasifier (tones/day)

13 Λαµβάνοντας υπόψη και το περιβαλλοντικό όφελος είναι φανερό ότι η παραγωγή υδρογόνου από βιοµάζα είναι µία ελπιδοφόρα προοπτική, µε κριτήρια οικονοµικά και περιβαλλοντικά. Ο Bakshi και οι συνεργάτες του έκαναν µελέτες στην αεριοποίηση µε ατµό λιγνίνης και άνθρακα από βιοµάζα και ο Westvako λιγνίνης Kraft (είναι η κυτταρίνη από ξύλα η οποία έχει απαλλαχθεί από τη λιγνίνη) για το σχηµατισµό υδρογόνου και αερίου µε υψηλή και µέση περιεχόµενη πίσσα. Τρία είδη λιγνίνης, Kraft-1, Kraft-2 και Alcell, αεριοποιήθηκαν στους οc σε έναν αντιδραστήρα σταθερής κλίνης µε ροή ατµού 10 g/h/g λιγνίνης. Το ποσοστό του παραγόµενου υδρογόνου κυµάνθηκε από 30 50% Τα τελευταία χρόνια µία νέα µέθοδος αεριοποίησης έχει αναπτυχθεί από τον Lin και τους συνεργάτες του, η οποία ονοµάζεται Hydrogen Production by Reaction Integrated Novel Gasification (HyPr RING).

14 Η µέθοδος HyPr RING είναι η ολοκλήρωση της αντίδρασης των υδρογονανθράκων µε τον ατµό, η αντίδραση µετατόπισης και η απορρόφηση του CO2 και των άλλων µολυντών, σε ένα ενιαίο αντιδραστήρα κατά από υποκρίσιµες και υπερκρίσιµες συνθήκες νερού. Η κύρια αντίδραση για αυτή τη νέα µέθοδο µπορεί να εκφραστεί ως εξής C + 2 H2O + CaO CaCO3 + 2 H2 Αυτή η αντίδραση εξώθερµη και µπορεί να επιτευχθεί υψηλή απόδοση σε υδρογόνο σε σχετικά χαµηλή θερµοκρασία ( Κ). Συγκρινόµενη µε τη συµβατική µέθοδο αεριοποίησης, όπως παρουσιάζεται στο ΣΧΗΜΑ 2.18, φαίνεται ότι µπορεί να πραγµατοποιηθεί µε πολύ πιο απλό τρόπο, καθώς η αντίδραση για την παραγωγή υδρογόνου και ο διαχωρισµός των αερίων πραγµατοποιείται σε έναν ενιαίο αντιδραστήρα σε χαµηλή θερµοκρασία. Αυτή η νέα διεργασία αεριοποίησης έχει αναλυθεί θεωρητικά και έχει αναπτυχθεί πειραµατικά ότι είναι µία πολύ αποδοτική τεχνική για την παραγωγή υδρογόνου από τη βιοµάζα.

15 (α) µέθοδος HyPr RING Coal, Heavy oil, biomass, water High pressure reactor ( K) H 2 C + 2H 2 O + CaO CaCO 3 + 2H 2 Water clean Up Sorbent regenerator CO 2 CaCl 2, NaS Ash

16 (β) συµβατική µέθοδος αεριοποίησης για παραγωγή υδρογόνου Sorbent regenerator Sorbent regenerator S O 2 Steam H 2 O, H 2 S Coal, Synthesis gas Clean gas, Heavy Oil, CO, CO 2, H 2, CO, CO 2, H 2 CO 2, Biomass Gasifier Shift H 2 H 2 Gas clean CO > 1573 K Reaction 2 up absorptor (<673K) Ash C + CO 2 2 CO O 2 C + H 2 O CO + H 2 CO + H 2 O CO 2 + H 2 Air Air Seperator N 2

17 Με την διεργασία AER (Absorption Enhanced Reforming) πετυχαίνουµε την αεριοποίηση βιοµάζας µε ατµό (ΣΧΗΜΑ 2.19). Το αποτέλεσµα είναι η συνεχόµενη παραγωγή ενός αερίου µε συγκέντρωση σε υδρογόνο µεγαλύτερη από 75% κ.ο., κατάλληλο για τη σύνθεση καυσίµων (downstream fuel synthesis) ή την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Σε αυτή την προσέγγιση, το CO2 που παράγεται κατά τη διάρκεια της αεριοποίησης διαχωρίζεται από τη ζώνη του αντιδραστήρα µε τη βοήθεια ενός µέσου απορρόφησης, µε αποτέλεσµα το παραγόµενο αέριο να παρουσιάζει µία υψηλή συγκέντρωση σε υδρογόνο καθώς και χαµηλά ποσοστά οξειδίων του άνθρακα και πίσσας. Η απορρόφηση του CO2 ανεβάζει την ισορροπία της αντίδρασης µε αποτέλεσµα την αύξηση της συγκέντρωσης του υδρογόνου. Επειδή η αντίδραση του διοξειδίου του άνθρακα µε τον απορροφητή είναι εξώθερµη, παράγεται in situ η απαιτούµενη ενέργεια για την αναµόρφωση/αεριοποίηση. Έτσι παράγεται ένα αέριο µε µεγάλη συγκέντρωση σε διοξείδιο του άνθρακα, ενώ ταυτόχρονα και ο απορροφητής αναγεννιέται σε ένα επόµενο βήµα της διεργασίας.

18 Η 2, Syngas Flue Gas, CO 2 FB Gasifier (Absorption) CaCO 3, Char FB Combustor (Desorption) Biomass CaO Steam Air ΣΧΗΜΑ 2.19: ιεργασία ΑΕR [72]

19 Η απορρόφηση του CO2 ανεβάζει την ισορροπία της αντίδρασης µε αποτέλεσµα την αύξηση της συγκέντρωσης του υδρογόνου. Επειδή η αντίδραση του διοξειδίου του άνθρακα µε τον απορροφητή είναι εξώθερµη, παράγεται in situ η απαιτούµενη ενέργεια για την αναµόρφωση/αεριοποίηση. Έτσι παράγεται ένα αέριο µε µεγάλη συγκέντρωση σε διοξείδιο του άνθρακα, ενώ ταυτόχρονα και ο απορροφητής αναγεννιέται σε ένα επόµενο βήµα της διεργασίας. Το σηµείο κλειδί της διεργασίας AER είναι η αντίδραση αναµόρφωσης/ αεριοποίησης παρουσία ενός µέσου απορρόφησης του διοξειδίου του άνθρακα υψηλής θερµοκρασίας. Το µέσο απορρόφησης αποτελείται από ένα σύστηµα µε µεταλλικό οξείδιο/ανθρακικό άλας, π.χ. CaO/CaCO3. Η διεργασία AER συνδυάζει την αναµόρφωση/αεριοποίηση, την αντίδραση µετατόπισης και τις αντιδράσεις µετατόπισης του διοξειδίου του άνθρακα σε ένα αντιδραστήρα, η οποία οδηγεί σε ένα αέριο πλούσιο σε υδρογόνο.

20 Η αρχή της διεργασίας AER παρουσιάζεται παρακάτω, µε µέσο απορρόφησης το CaO Αεριοποίηση βιοµάζας: CH X O Y + (1 y ) H2O CO + (0,5x+ x+1 y) H2 ΗR > 0 CO αντίδραση µετατόπισης: CO + H2O CO2+ H2 Απορρόφηση CO2 σε υψηλή θερµοκρασία: CaO+CO2 CaCO3 ΗR < 0 ΗR < 0 Συνολική αντίδραση: CH X O Y + (2-y)H2O + CaO CaCO3 + (0,5x+ x+1 y) H2 ΗR 0

21 Ανάλογα µε την τροφοδοσία, η υπολογιζόµενη µεταβολή της ενθαλπίας της συνολικής αντίδρασης µπορεί αν είναι λίγο θετική ή µηδέν. Η διεργασία εύκολα προσαρµόζεται για τη σύνθεση αερίου µε την στοιχειοµετρία που απαιτείται, ρυθµίζοντας το ποσοστό του απορροφητή. Για να επιτευχθούν οι συνθήκες λειτουργίας της διεργασίας, συνδυάζονται δύο αντιδραστήρες ρευστοποιηµένης κλίνης. Στον πρώτο αντιδραστήρα, η αεριοποίηση της βιοµάζας µε ατµό πραγµατοποιείται µέσο απορρόφησης το υλικό της κλίνης. Ο δεύτερος αντιδραστήρας λειτουργεί σε κατάσταση καύσης για να ανακτηθεί ο ροφητής (ΣΧΗΜΑ 2.19). Τεχνικά, το αντιδρών υλικό της κλίνης κυκλοφορεί µεταξύ του αντιδραστήρα αεριοποίησης ( οc) και του αντιδραστήρα καύσης του άνθρακα ( οc) για την αναγέννηση του ροφητή

22 Η διεργασία AER δοκιµάστηκε σε µία δοκιµαστική εγκατάσταση 100 kwh. Τα πλεονεκτήµατα της διεργασίας AER, σχετικά µε τη συµβατική αεριοποίηση της βιοµάζας µε ατµό, είναι: η διεργασία AER επιτρέπει την παραγωγή ενός αέριου προϊόντος µε υψηλή συγκέντρωση υδρογόνου (> 75% κ.ο.) ή µε τον επιθυµητό στοιχειοµετρικό συντελεστή τη σύνθεση ρευµάτων (downstream synthesis) σε µία διαδικασία απλού βήµατος η ενέργεια που απαιτείται για την αεριοποίηση/αναµόρφωση παράγεται in situ δια µέσου της εξώθερµης αντίδρασης ανθρακοποίησης του ροφητή δεν απαιτούνται αντιδραστήρες για την αντίδραση µετατόπισης του CO και την αποµάκρυνση του CO2 ελαχιστοποιείται ο σχηµατισµός πίσσας εξαιτίας της απορρόφησης του CO2 και τις ιδιότητες του ροφητή να διασπά την πίσσα

23 Οι Αndersson και Harvey, περιέγραψαν δύο εναλλακτικές δυνατότητες για την παραγωγή υδρογόνου: παραγωγή υδρογόνου µε ενσωµατωµένο pulp mill από αεριοποιηµένο black liquor αυτόνοµη (stand alone) παραγωγή υδρογόνου από αεριοποιητή βιοµάζας Η σύγκριση υποθέτει ότι το ίδιο ποσό βιοµάζας που εισάγεται στην πρώτη εναλλακτική δυνατότητα, παρέχεται και στην εγκατάσταση αυτόνοµης παραγωγής υδρογόνου και αυτό είναι αεριοποιηµένο black liquor στη δεύτερη εναλλακτική δυνατότητα, χρησιµοποιούνται σε ένα συνδυασµένο κύκλο (BLGCC) αεριοποίησης black liquor και µονάδα ηλεκτροπαραγωγής CHΡ. Η σύγκριση βασίζεται στα ίσα ποσά black liquor που τροφοδοτούνται στον εξαερωτή, καθώς και στις ίδιες απαιτήσεις ατµού και ενέργειας για το pulp mill. Τα δύο συστήµατα συγκρίνονται µε βάση το συνολικό ποσό CO2 που εκπέµπουν, που βασίζονται στις διαφορετικές υποθέσεις για το ενεργειακό σύστηµα αναφοράς που απεικονίζει τα διαφορετικά επίπεδα στόχων της µείωσης των εκποµπών CO2. Οι ερευνητές ανέφεραν ότι η παραγωγή υδρογόνου από αεριοποιηµένο black liquor (δυνατότητα 1) είναι καλύτερη από την πλευρά των εκποµπών CO2. Εκτιµώντας ότι κατά την ηλεκτρική παραγωγή έχουµε υψηλές εκποµπές CO2, το υδρογόνο από την αεριοποιηµένη βιοµάζα και η ηλεκτρική ενέργεια από το αεριοποιηµένο black liquor (δυνατότητα 2) είναι προτιµότερα.

24 Από τον Andre και τους συνεργάτες του βρέθηκε ότι είναι δυνατή η συνδυασµένη αεριοποίηση αναµεµιγµένου άνθρακα µε πολτό από τα υποπροϊόντα του ζαχαροκάλαµου (bagasse). Τα πειράµατα αεριοποίησης πραγµατοποιήθηκαν σε ένα αεριοποιητή ρευστοποιηµένης κλίνης και τα αποτελέσµατα δείχνουν ότι η αύξηση του ποσοστού του πολτού ζαχαροκάλαµου αυξάνει την πίσσα και τα αέριους υδρογονάνθρακες. Αυτό µειώθηκε µε την αύξηση της θερµοκρασίας της κλίνης και του ρυθµού παροχής αέρα. Με µία αύξηση της θερµοκρασίας στους 885 οc µπορεί να επιτευχθεί συγκέντρωση υδρογόνου ίση µε 45% (ΠΙΝΑΚΑΣ 2.2). Επίσης µε µία αύξηση στο λόγο Ο2/καύσιµο στα 0,6 g/g daf µειώνει τους αέριους υδρογονάνθρακες περίπου στο 30%. ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ( ο C) ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗ (% κ.ο.) ΠΙΝΑΚΑΣ 2.2: Συγκέντρωση υδρογόνου µε τη θερµοκρασία

25 Η χρήση της ηλιακής ενέργειας για την αεριοποίηση οργανικών στερεών αποβλήτων και για την παραγωγή υδρογόνου έχει µελετηθεί εδώ και χρόνια. Το 1976 ο Antal και οι συνεργάτες του διεξήγαγαν µία εµπεριστατωµένη έρευνα. Τα οικονοµικά µοντέλα έδειξαν ότι η προοπτική από τη χρήση ηλιακής ενέργειας για την παραγωγή υδρογόνου είναι εξαιρετικά ευνοϊκές. Οι Epstein και Spiewak έδωσαν µία αναλυτική αναφορά σχετικά µε την τεχνολογία της αεριοποίησης µε χρήση ηλιακή ενέργεια των ανθρακούχων υλικών για την παραγωγή αερίου σύνθεσης αρχικά και στη συνέχεια υδρογόνου και άλλων καυσίµων. Η µελέτη των Shahbazov και Usubov απέδωσε υψηλή απόδοση υδρογόνου από γεωργικά απόβλητα µε τη χρήση παραβολοειδούς κατόπτρου. Ο Rustamov και οι συνεργάτες του µελέτησαν την θερµοκαταλυτική αναµόρφωση της κυτταρίνης και του ξύλινου πολτού χρησιµοποιώντας συγκεντρωµένη ηλιακή ενέργεια. Σύµφωνα µε τη µελέτη είναι πιθανή η παραγωγή υδρογόνου και µονοξειδίου του άνθρακα σε θερµοκρασία οc µε καταλύτη Pt/Al2O3. O Walcher και οι συνεργάτες του παρουσίασαν ένα σχέδιο µε τη χρησιµοποίηση γεωργικών αποβλήτων σε ένα ηλιοθερµικό αεριοποιητή

26 Η παραγωγή υδρογόνου από αεριοποιούµενη βιοµάζα µέσω αντιδραστήρα ατµού σιδήρου αποτελεί απλή τεχνολογία για την αποθήκευση της ενέργειας του αερίου σύνθεσης. Πλήθος πρόσφατων µελετών εξέτασε τη διαδικασία ατµού σιδήρου για την αναβάθµιση του αερίου σύνθεσης σε καθαρό υδρογόνο για τη χρήση του σε κυψέλες καυσίµου και σε άλλες ενεργειακές συσκευές. Ο Friedrich και οι συνεργάτες του εξέτασαν την περίπτωση της χρήσης της δασικής βιοµάζας και των εµπορικά διαθέσιµων υλικών σιδήρου. Η µέθοδος περιλαµβάνει δύο στάδια : καθαρισµό του αερίου από τη στερεή βιοµάζα, τον άνθρακα ή το µεθάνιο και αποθήκευση της ενέργειας σε υλικά σιδήρου (sponge iron) Οι αντιδράσεις είναι: Fe3O4 + 4 CO 3 Fe + 4 CO2 (άνθρακας, βιοµάζα ή φυσικό αέριο) 3 Fe + 4 H2O Fe3O4 + 4 H2 αυτή η διεργασία, σύµφωνα µε τους ερευνητές φαίνεται να έχει χαµηλό ρίσκο.

27 Ο Biollaz και οι συνεργάτες του την οξειδοαναγωγική διαδικασία για την παραγωγή υδρογόνου από δασική βιοµάζα. Στο πρώτο στάδιο, το οξείδιο του σιδήρου µε τη µορφή Fe3O4 αντιδρά µε τα µειούµενα συστατικά της δασικής βιοµάζας µε σχηµατισµό FeO, CO2 και H2. Η κινητική του δεύτερου σταδίου, 3 FeO + H2O H2 + Fe3O4, µπορεί να βελτιωθεί µε την προσθήκη άλλων µεταλλικών οξειδίων. Αναµένουν ότι περίπου το 90% της θερµαντικής αξίας του χαµηλού σε Βtu αέριο µπορεί να µεταφερθεί στο υδρογόνο, αν µπορούν να βρεθούν τα κατάλληλα τροποποιηµένα οξείδια. ιάφορα οξείδια έχουν εξεταστεί µαζί µε αέριο από ένα µικρό αεριοποιητή. Αρχικά το οξείδιο του σιδήρου µειώθηκε χρησιµοποιώντας το αέριο σύνθεσης που προέρχεται από τη βιοµάζα σε sponge iron, και αργότερα ο sponge iron ξαναοξειδώθηκε µε ατµό (για την παραγωγή υδρογόνου), προσφέροντας τη δυνατότητα της µεταφοράς και καθαρισµό του αερίου σύνθεσης, καθώς και την αποθήκευση και µετατροπή του σε ενέργεια Η παραγωγή υδρογόνου µε θερµοχηµικές µεθόδους µετατροπής βιοµάζας έχει αποδειχθεί ότι είναι ελκυστικές οικονοµικά αλλά και ρεαλιστικές στην εφαρµογή τους. Πρέπει να σηµειωθεί όµως ότι το αέριο υδρογόνο παράγεται µαζί και µε άλλα αέρια. Κατά συνέπεια, απαιτείται ο χωρισµός και ο καθαρισµός του υδρογόνου. Σήµερα, έχουν αναπτυχθεί πολλές µέθοδοι καθαρισµού του υδρογόνου, όπως απορρόφηση CO2, ξήρανση/κατάψυξη και διαχωρισµός µε µεµβράνες. Αναµένεται ότι οι θερµοχηµικές µέθοδοι µετατροπής της βιοµάζας, ειδικότερα οι πρόσφατα αναπτυγµένοι τύποι αεριοποίησης, θα µπορέσουν στο µέλλον να εφαρµοστούν σε µεγάλη κλίµακα για την παραγωγή υδρογόνου

28 Σύµφωνα µε τους Spath, Mann και Amos [67] µία οικονοµικά βιώσιµη διεργασία για την παραγωγή υδρογόνου από βιοµάζα είναι η εξαερίωση ακολουθούµενη από αναµόρφωση του βιοαερίου. Αυτό µπορεί να πραγµατοποιηθεί µε δύο µεθόδους. Στα ΣΧΗΜΑΤΑ και παρουσιάζονται τα απλοποιηµένα διαγράµµατα ροής των δύο αυτών µεθόδων. Σύµφωνα µε την πρώτη µέθοδο (ΣΧΗΜΑ 2.20) η εξαερίωση λαµβάνει χώρα σε ένα µη απευθείας θερµαινόµενο σύστηµα υπό χαµηλή πίεση. Μετά τον καθαρισµό το υγραέριο συµπιέζεται και ακολουθεί καταλυτική αναµόρφωση. Στη συνέχεια ο αναµορφωµένος ατµός διέρχεται µέσα από δύο εναλλασσόµενους αντιδραστήρες νερού αερίου και παράγεται ένα πλούσιο µίγµα σε Η2 και CO2, το οποίο µεταφέρεται στην µονάδα PSA για καθαρισµό.

29 Σύµφωνα µε τη δεύτερη µέθοδο (ΣΧΗΜΑ 2.21) η εξαερίωση λαµβάνει χώρα σε ένα απευθείας θερµαινόµενο σύστηµα υπό υψηλή πίεση. Η διαδικασία είναι ανάλογη µε την πρώτη µέθοδο, µε βασική διαφορά την προσθήκη µιας µονάδας διαχωρισµού του αέρα στο στάδιο της εξαερίωσης.