Μονάδες ενεργειακής αξιοποίησης βιομάζας για παραγωγή ηλεκτρισμού

Μέγεθος: px
Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Μονάδες ενεργειακής αξιοποίησης βιομάζας για παραγωγή ηλεκτρισμού"

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του ΕΥΑΓΓΕΛΟΥ ΦΛΙΤΡΗ με θέμα Μονάδες ενεργειακής αξιοποίησης βιομάζας για παραγωγή ηλεκτρισμού ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ : ΣΑΜΑΡΑΣ ΖΗΣΗΣ ΑΡΜΟΔΙΟΣ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗΣ : ΜΕΡΤΖΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ Θεσσαλονίκη, Μάρτιος 2013

2

3 1. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ 5. Υπεύθυνος: 2. ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ 3. ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΤΟΜΕΑΣ Αρμόδιος Παρακολούθησης: ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ Καθ. Ζήσης Σαμαράς Δημήτριος Μερτζής 7. Τίτλος εργασίας: ΜΟΝΑΔΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ ΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΥ Ονοματεπώνυμο φοιτητή : ΕΥΑΓΓΕΛΟΣ ΦΛΙΤΡΗΣ 9. Θεματική περιοχή: 10. Ημερομηνία έναρξης: 8. Αριθμός μητρώου: Ημερομηνία παράδοσης: 12. Αριθμός εργασίας: Παραγωγή Ενέργειας 14. Περίληψη: Μάρτιος 2011 Μάρτιος Στοιχεία εργασίας: Η παρούσα διπλωματική εργασία είναι μία έκθεση που αφορά : 1. Tην περιγραφή των θερμοχημικών διεργασιών αξιοποίησης βιομάζας για παραγωγή ηλεκτρισμού: Καύση Αεριοποίηση Πυρόλυση 2. Την περιγραφή των διαθέσιμων τεχνολογιών για κάθε περίπτωση θερμοχημικής αξιοποίησης βιομάζας. Αρ. Σελίδων: 316 Αρ. Εικόνων: 165 Αρ. Πινάκων: 108 Αρ. Παραρτημάτων: 3 Αρ. Παραπομπών: Λέξεις κλειδιά: Βιομάζα Καύση Θερμοχημική αεριοποίηση Πυρόλυση 9. Σχόλια: 3. Την περιγραφή ορισμένων σύγχρονων μονάδων παραγωγής ηλεκτρισμού ή/και θερμότητας για κάθε περίπτωση θερμοχημικής αξιοποίησης βιομάζας. 18. Συμπληρωματικές παρατηρήσεις: 19. Βαθμός: - 0 -

4 - 1 -

5 Περιεχόμενα Περίληψη 6 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή 1.1 Ιστορική αναδρομή Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στις ημέρες μας Βιομάζα 15 Κεφάλαιο 2 Καύση 2.1 Γενικά Περιγραφή επιμέρους σταδίων καύσης Παράμετροι καύσης Συμπεράσματα για την καύση Είδη αντιδραστήρων καύσης βιομάζας Αντιδραστήρες καύσης σταθερής κλίνης Αντιδραστήρες καύσης τύπου σχάρας μεταφοράς Αντιδραστήρες καύσης τύπου σταθερής σχάρας με κλίση Αντιδραστήρες καύσης τύπου παλινδρομικά κινούμενης σχάρας με κλίση Αντιδραστήρες καύσης τύπου παλινδρομικά κινούμενης οριζόντιας σχάρας Αντιδραστήρες καύσης τύπου δονούμενης σχάρας Αντιδραστήρες καύσης τύπου τσιγάρου Αντιδραστήρες καύσης τύπου περιστρεφόμενης κωνικής σχάρας Αντιδραστήρες καύσης τύπου περιστρεφόμενου κώνου Αντιδραστήρες καύσης τύπου ακίνητης κωνικής σχάρας Αντιδραστήρες καύσης ρευστοποιημένης κλίνης Αντιδραστήρες καύσης τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης Αντιδραστήρες καύσης τύπου κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης

6 2.8 Αντιδραστήρες καύσης εξαναγκασμένης ροής Αντιδραστήρες καύσης τύπου στροβιλισμού Αντιδραστήρες καύσης τύπου κυκλώνα Συγκριτικοί πίνακες αντιδραστήρων καύσης βιομάζας Επιλογή τεχνολογίας καύσης Δυνατότητες αύξησης του βαθμού απόδοσης σε μονάδες καύσης βιομάζας Παραδείγματα σύγχρονων ηλεκτροπαραγωγών μονάδων καύσης βιομάζας Wilton Steven s Croft Western Wood Energy Power Plant Heineken U.K Greenpower 105 Κεφάλαιο 3 Θερμοχημική Αεριοποίηση 3.1 Γενικά Περιγραφή λειτουργίας ενός αντιδραστήρα αεριοποίησης Χαρακτηριστικά καυσίμου κατάλληλου για αντιδραστήρες αεριοποίησης Είδη αντιδραστήρων αεριοποίησης βιομάζας Αντιδραστήρες αεριοποίησης σταθερής κλίνης ή πυκνής μορφής Αντιδραστήρες αεριοποίησης τύπου ανοδικής ροής ή αντιροής Αντιδραστήρες αεριοποίησης τύπου καθοδικής ροής ή ομοροής Αντιδραστήρες αεριοποίησης τύπου διασταυρούμενης ροής Αντιδραστήρες αεριοποίησης τύπου ανοιχτής κορυφής Προβλήματα που ενδέχεται να παρουσιαστούν κατά τη λειτουργία των αντιδραστήρων σταθερής κλίνης Σύγκριση αντιδραστήρων αεριοποίησης σταθερής κλίνης Συμπεράσματα για αντιδραστήρες αεριοποίησης σταθερής κλίνης Αντιδραστήρες αεριοποίησης σταθερής κλίνης δύο σταδίων Αντιδραστήρες αεριοποίησης ρευστοποιημένης κλίνης ή αραιής μορφής

7 Αντιδραστήρες αεριοποίησης τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης Αντιδραστήρες αεριοποίησης τύπου κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης Αντιδραστήρες αεριοποίησης ρευστοποιημένης κλίνης δύο σταδίων Αντιδραστήρες αεριοποίησης τύπου εξαναγκασμένης ροής Διάταξη αεριοποίησης υψηλής ποιότητας παραγόμενου αερίου Αντιδραστήρες αεριοποίησης τύπου πλάσματος Παραδείγματα σύγχρονων ηλεκτροπαραγωγών μονάδων αεριοποίησης βιομάζας Viking Gussing Skive Volund Meva Innovation Blue Tower 183 Κεφάλαιο 4 Πυρόλυση 4.1 Γενικά Περιγραφή της εξέλιξης του φαινομένου της πυρόλυσης Προϊόντα γρήγορης πυρόλυσης Είδη πυρόλυσης Είδη αντιδραστήρων πυρόλυσης βιομάζας Αντιδραστήρες πυρόλυσης αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης Αντιδραστήρες πυρόλυσης κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης Αντιδραστήρες πυρόλυσης κενού Αντιδραστήρες πυρόλυσης περιστρεφόμενου κώνου Αντιδραστήρες πυρόλυσης με ασκούμενη πίεση επί της βιομάζας Αντιδραστήρες πυρόλυσης τύπου ατέρμονα κοχλία Αντιδραστήρες πυρόλυσης εξαναγκασμένης ροής

8 4.6 Συγκριτικοί πίνακες αντιδραστήρων γρήγορης πυρόλυσης Παραδείγματα σύγχρονων μονάδων πυρόλυσης βιομάζας West Lorne Fortum Kior Renfrew MPS Huber Empyro 264 Κεφάλαιο 5 Επίλογος 5.1 Σύγκριση τεχνολογιών αξιοποίησης βιομάζας Συμπεράσματα Προτάσεις για περαιτέρω έρευνα 292 Κεφάλαιο 6 Παράρτημα 6.1 Συμπαραγωγή ηλεκτρισμού θερμότητας Φαινόμενο ρευστοποιημένης κλίνης Ατμοστρόβιλοι 301 Βιβλιογραφία Πηγές

9 Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία είναι μία έκθεση που αφορά : 3. Tην περιγραφή των θερμοχημικών διεργασιών αξιοποίησης βιομάζας για παραγωγή ηλεκτρισμού: Καύση Αεριοποίηση Πυρόλυση 4. Την περιγραφή των διαθέσιμων τεχνολογιών για κάθε περίπτωση θερμοχημικής αξιοποίησης βιομάζας. 3. Την περιγραφή ορισμένων σύγχρονων μονάδων παραγωγής ηλεκτρισμού ή/και θερμότητας για κάθε περίπτωση θερμοχημικής αξιοποίησης βιομάζας

10 - 7 -

11 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή 1.1 Ιστορική αναδρομή Εικόνα 1.1: Ο Βόλτα επιδεικνύει τη βολταϊκή στήλη στο Ναπολέοντα Τα τέλη του 18ου αιώνα στο πανεπιστήμιο της Παβία ο Α. Βόλτα (Alessandro Volta) μελετούσε την επίδραση του ηλεκτρισμού στις ανθρώπινες αισθήσεις. Παρακολουθώντας τα πειράματα του συναδέλφου και συμπατριώτη του Λ. Γαλβάνι επέμεινε ιδιαίτερα στη σημασία της ύπαρξης δυο διαφορετικών μετάλλων. Σε ένα από τα πειράματά του έβαλε ένα μεταλλικό κέρμα πάνω στη γλώσσα του και ένα άλλο από διαφορετικό μέταλλο κάτω από τη γλώσσα του. Όταν συνέδεσε τα δυο μέταλλα με συρμάτινο αγωγό αισθάνθηκε μια ιδιαίτερη γεύση. Αρχικά επηρεασμένος από τον Γαλβάνι, υπέθεσε ότι έχει άλλη μια ένδειξη ζωικού ηλεκτρισμού αλλά το 1796 ανακάλυψε ότι μπορούσε να δημιουργήσει ηλεκτρικό ρεύμα αν αντικαθιστούσε τη γλώσσα με χαρτόνι διαποτισμένο με άλμη. Έτσι οδηγήθηκε στο συμπέρασμα ότι ο ηλεκτρισμός παράγεται από την επαφή δυο διαφορετικών μετάλλων με κάποιο υγρό συνδετικό υλικό. Εφαρμόζοντας τις απόψεις του άρχισε να πειραματίζεται φέρνοντας σε επαφή διάφορα μέταλλα και γρήγορα πείσθηκε ότι είχε δίκιο. Το 1800, ο Βόλτα κατασκεύασε τη "βολταϊκή στήλη", μια συσκευή που παρήγε συνεχώς ηλεκτρισμό, εφόσον αυτός απαγόταν από τη συσκευή. Έτσι δημιουργούνταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα, το οποίο αποδείχθηκε πολύ πιο χρήσιμο από το ακίνητο φορτίο του στατικού ηλεκτρισμού

12 Εικόνα 1.2: Η βολταϊκή στήλη Η βολταϊκή στήλη αποτελούταν από μικρές κυκλικές πλάκες από χαλκό και ψευδάργυρο και μικρούς δίσκους χαρτονιού που ήταν διαποτισμένοι με αλατούχο διάλυμα. Τοποθέτησε διαδοχικά δίσκους (από κάτω προς τα πάνω) χαλκού, ψευδαργύρου, χαρτονιού - χαλκού, ψευδαργύρου, χαρτονιού και ούτω καθεξής. Όταν το πάνω και το κάτω μέρος της συστοιχίας ενώνονταν με ένα σύρμα, παραγόταν ηλεκτρικό ρεύμα. Η ανακοίνωση της εφεύρεσης της στήλης του Βόλτα έγινε στις 20/3/1800 με επιστολή προς τον Joseph Banks, πρόεδρο της Βασιλικής Εταιρείας του Λονδίνου. Η νέα συσκευή προκάλεσε μεγάλο ενδιαφέρον στην επιστημονική κοινότητα της εποχής αλλά και στον υπόλοιπο κόσμο. Το Νοέμβριο του 1800 προσκαλεσμένος στο Παρίσι, ο Βόλτα, εκτελεί πειράματα με την "εκπληκτική" στήλη του. Επιδεικνύει την εφεύρεσή του στην Ακαδημία των Επιστημών. Ο Ναπολέων τον τιμά με ειδικό μετάλλιο, τον ονομάζει κόμη και συγκλητικό του βασιλείου της Λομβαρδίας και παραγγέλνει να κατασκευαστεί μια μεγάλη συστοιχία (μπαταρία) από 600 στήλες, την οποία προσφέρει στην Πολυτεχνική σχολή του Παρισιού (Ecole Polytechnique). Μια ακόμα ισχυρότερη συστοιχία κατασκευάζεται στο Λovδίvο από τη Βασιλική Εταιρεία (Rοyal Society). Οι συνέπειες διαδέχονται η μία την άλλη. Καθώς οι επιστήμονες είναι σε θέση να παράγουν συνεχές ρεύμα, μπορούν να μελετήσουν τη ροή του ηλεκτρισμού. Ο αιώνας του ηλεκτρισμού είχε αρχίσει! [1] Αν και ο ηλεκτρισμός ήταν γνωστό ότι μπορούσε να παραχθεί ως αποτέλεσμα χημικών αντιδράσεων από τότε που ο Alessandro Volta εφεύρε τη βολταϊκή στήλη, η παραγωγή του με αυτή τη μέθοδο ήταν και εξακολουθεί να είναι ακριβή. Το 1831, ο Μάικλ Φαραντέι επινόησε ένα μηχάνημα με το οποίο παράγεται ηλεκτρική ενέργεια από την περιστροφική κίνηση, αλλά χρειάστηκαν σχεδόν 50 χρόνια προκειμένου η τεχνολογία να επιτρέψει μία εμπορικά βιώσιμη εφαρμογή. Το 1881 άρχισε να λειτουργεί η πρώτη μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στο Godalming της Αγγλίας, μεταξύ Λονδίνου και Πόρτσμουθ, με ισχύ 746 kw el. Η πόλη αυτή απέκτησε και τον πρώτο δημόσιο ηλεκτρικό φωτισμό, αρχικά με 3 λάμπες βολταϊκού τόξου και 7 λάμπες πυρακτώσεως και αργότερα με 4 και 27 λάμπες αντίστοιχα. Η γεννήτρια ήταν μονοφασική της εταιρίας Siemens που παρείχε 250V/12Α με στροφές ανά λεπτό. Η κίνηση της γεννήτριας προερχόταν από δύο υδρόμυλους και λειτουργούσε μόνο σε εποχή κανονικών βροχοπτώσεων, γιατί δεν ήταν δυνατόν να ελεγχθεί επαρκώς η ροή νερού στο ποτάμι που διέτρεχε την πόλη

13 Στη Γερμανία εγκαταστάθηκε η πρώτη μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στη Στουτγάρδη το έτος 1882 και ήταν σε θέση να τροφοδοτήσει μέχρι 30 λάμπες πυρακτώσεως. Το ίδιο έτος άρχισαν να φωτίζουν δρόμους του Βερολίνου ηλεκτρικές λάμπες χαμηλής ισχύος, οι οποίες τροφοδοτούνταν από γειτονικές μονάδες παραγωγής. Το έτος 1885 εγκαταστάθηκε στο Βερολίνο ο πρώτος σταθμός παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, ο οποίος είχε από την πόλη την άδεια να τροφοδοτεί καταναλωτές ιδιώτες σε μία ακτίνα 800 μέτρων. Μέσα στην περιοχή που καθοριζόταν από τα όρια αυτής της ακτίνας η εταιρία παραγωγής ηλεκτρισμού είχε το δικαίωμα να τοποθετεί αγωγούς για την παροχή ρεύματος. Το έτος 1885 ο William Stanley, υπάλληλος της εταιρίας Westinghouse, κατασκεύασε ένα επαγωγικό πηνίο ή όπως λέμε σήμερα, ένα μετασχηματιστή ισχύος, με τον οποίο μετέβαλε κατ' επιθυμία την εναλλασσόμενη τάση. Με την αξιοποίηση του μετασχηματιστή επικράτησε οριστικά το εναλλασσόμενο ρεύμα έναντι του συνεχούς. Το έτος 1886 κατασκευάστηκε στη Γερμανία μια τριφασική γραμμή που τροφοδοτούταν από 3 μονοφασικούς κινητήρες και ένα χρόνο αργότερα ο Friedrich August Haselwander κατασκεύασε την πρώτη τριφασική γεννήτρια (σύγχρονη μηχανή). Αξιοποιώντας τα πειράματα διαφόρων ερευνητών, ο Ρώσο-Γερμανός Michael Dolivo- Dobrowolsky κατασκεύασε το έτος 1889 τον πρώτο επαγωγικό τριφασικό κινητήρα με ικανοποιητική συμπεριφορά. Ο κινητήρας αυτός λειτουργούσε με βραχυκυκλωμένο κλωβό του δρομέα και κατασκευάστηκε στα εργαστήρια της εταιρίας AEG στο Βερολίνο. Μέχρι σήμερα δεν άλλαξε ουσιαστικά η βασική κατασκευαστική αρχή αυτών των κινητήρων, οι οποίοι είναι οι περισσότερο διαδεδομένοι σε όλες τις εφαρμογές. Στα επόμενα χρόνια εξελίχθηκε το γερμανικό τριφασικό σύστημα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας σε τέτοιο βαθμό, ώστε το έτος 1891 τροφοδοτήθηκε η Φραγκφούρτη, σε απόσταση 175 χλμ από το εργοστάσιο παραγωγής. Το έτος 1893 η εταιρία Westinghouse τροφοδοτούσε περί τις λαμπτήρες στην παγκόσμια έκθεση εμπορίου του Σικάγου. Ο Χάζελβάντερ που προαναφέρθηκε είχε δηλώσει την κατασκευή του για απονομή διπλώματος ευρεσιτεχνίας, αλλά κάποιες διαπλοκές των αρμόδιων υπαλλήλων με εταιρίες οδήγησαν στην εξαπάτησή του. Τελικά το έτος 1932, μετά το θάνατο του εφευρέτη, οι εταιρίες Siemens και AEG αναγνώρισαν ότι η ευρεσιτεχνία των μηχανών που κατασκεύαζαν προερχόταν από την αίτηση και τα τεχνικά σχέδια του Χάζελβάντερ. Η αυξανόμενη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας οδήγησε την παραγωγή σε αδιέξοδο, διότι η μοναδική κινητήρια μηχανή, η ατμομηχανή, δεν ήταν σε θέση να καλύψει τις τεχνικές απαιτήσεις. Η αναζήτηση για μια νέα κινητήρια μηχανή οδήγησε αρχικά τον Άγγλο C.A. Parsons ( ) και αργότερα τον Σουηδό C.G.P. Laval ( ) στην κατασκευή των ατμοστροβίλων. Η αρχή λειτουργίας του ατμοστρόβιλου ήταν βέβαια γνωστή ήδη από την εποχή του Ήρωνα και αργότερα από τον 17ο αιώνα. Οι πρώτες μονάδες σταθερής απόδοσης κατασκευάστηκαν όμως το 1884 από τον Parsons και το 1899 από τον Laval, του οποίου ο ατμοστρόβιλος ήταν μια παραλλαγή εκείνου του Parsons. Το έτος 1903 κατασκευάστηκε ο πρώτος υδροηλεκτρικός σταθμός στην πόλη Nexaca του Μεξικού, με παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ 6,25 MW el, ο οποίος λειτουργεί ακόμα 100 χρόνια μετά. Το 1905 άρχισε η λειτουργία της γραμμής υψηλής τάσης 50kV στην περιοχή του Μονάχου και το 1909 της γραμμής 100kV με μήκος 290 χλμ στο Sohshona- Boulder των ΗΠΑ. Με την εξάπλωση των δικτύων μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας επήλθε η δεύτερη μεγάλη αλλαγή, μετά το σιδηρόδρομο, στο τοπίο των βιομηχανικά αναπτυγμένων χωρών, τόσο λόγω των εναέριων γραμμών μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, όσο και λόγω των υπαίθριων μετασχηματιστών και κέντρων μετασχηματισμού της υψηλής τάσης

14 Το έτος 1889 έφτασε ο «ηλεκτρισμός» στην Ελλάδα. Σύμφωνα με τα ιστορικά στοιχεία της ΔΕΗ, η «Γενική Εταιρεία Εργοληψιών» κατασκεύασε στην Αθήνα, στην οδό Αριστείδου, την πρώτη μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Το πρώτο κτίριο που φωτίζεται είναι τα Ανάκτορα και πολύ σύντομα ο ηλεκτροφωτισμός επεκτείνεται στο σημερινό ιστορικό κέντρο της πόλης. Τον ίδιο χρόνο ηλεκτροδοτείται επίσης η Θεσσαλονίκη, η οποία ανήκει ακόμα στην Οθωμανική Αυτοκρατορία. Η «Βελγική Εταιρία» αναλαμβάνει απ' τις τουρκικές αρχές το φωτισμό και την τροχιοδρόμηση της πόλης με την κατασκευή εργοστασίου παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Δέκα χρόνια αργότερα εμφανίζονται στην Ελλάδα οι πολυεθνικές εταιρίες ηλεκτρισμού. Η αμερικανική εταιρία Thomson-Houston με τη συμμετοχή της Εθνικής Τράπεζας ιδρύουν την «Ελληνική Ηλεκτρική Εταιρία» που αναλαμβάνει την ηλεκτροδότηση μεγάλων ελληνικών πόλεων. Μέχρι το 1929 θα έχουν ηλεκτροδοτηθεί 250 πόλεις με πληθυσμό πάνω από κατοίκους. Στις πιο απόμακρες περιοχές, που ήταν ασύμφορο για τις μεγάλες εταιρίες να κατασκευάσουν μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, αναλαμβάνουν την ηλεκτροδότηση ιδιώτες ή δημοτικές και κοινοτικές αρχές κατασκευάζοντας μικρά εργοστάσια. Το έτος 1950 υπήρχαν στη Ελλάδα περίπου 400 εταιρίες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Ως πρωτογενή ενέργεια χρησιμοποιούσαν το πετρέλαιο και το γαιάνθρακα, αμφότερα φυσικά εισαγόμενα από το εξωτερικό. Η κατάτμηση αυτή της παραγωγής σε πολλές μονάδες, σε συνδυασμό με τα εισαγόμενα καύσιμα, εξωθούσε την τιμή της ηλεκτρικής ενέργειας στα ύψη, φτάνοντας στο τριπλάσιο μέχρι και πενταπλάσιο των τιμών που ίσχυαν σε ευρωπαϊκές χώρες. Η ηλεκτρική ενέργεια ήταν λοιπόν ένα αγαθό πολυτελείας, αν και τις περισσότερες φορές παρεχόταν με ωράριο και οι ξαφνικές διακοπές ήταν σύνηθες φαινόμενο. Μετά το έτος 1950 ιδρύθηκε η ΔΕΗ και οι δραστηριότητες παραγωγής, μεταφοράς και διανομής της ηλεκτρικής ενέργειας συγκεντρώθηκαν σε ένα δημόσιο φορέα, με όλα τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα που έχει μια τέτοια επιλογή. [2]

15 1.2 Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στη σύγχρονη εποχή Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας παγκοσμίως μέχρι και τα τέλη της δεκαετίας του εξήντα γινόταν αποκλειστικά από συμβατικούς σταθμούς που ως πρώτη ύλη χρησιμοποιούν λιγνίτη ή πετρέλαιο, χωρίς να έχει γίνει κάποια σημαντική προσπάθεια, τουλάχιστον σε επίπεδο μαζικής παραγωγής, για την εύρεση εναλλακτικών μορφών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Μοναδική εναλλακτική τεχνολογία που είχε εφαρμοστεί μέχρι τότε και που ήταν ικανή για μαζική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, είναι οι πυρηνικοί σταθμοί. Μετά το 1973 και την πρώτη παγκόσμια πετρελαϊκή κρίση αναθερμάνθηκε το ενδιαφέρον για τη χρήση Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (Α.Π.Ε.). Το ενδιαφέρον άρχισε να γίνεται εντονότερο τα τελευταία χρόνια εξαιτίας των δυσμενών προβλέψεων για τα αποθέματα πρώτων υλών για τις συμβατικές μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά και μετά τη διάσκεψη του Ρίο και τη διακήρυξη του Κιότο. Πλέον αποτελεί παγκόσμιο περιβαλλοντολογικό στόχο η μείωση των εκπεμπόμενων ρύπων ούτως ώστε να αντιμετωπιστούν οι δυσμενείς συνέπειες από τη φωτοχημική ρύπανση στο περιβάλλον και να περιοριστούν οι αρνητικές επιπτώσεις του φαινομένου του θερμοκηπίου. Η κοινή γνώμη έχει επικεντρώσει τη προσοχή της στην αποφυγή του φαινομένου του θερμοκηπίου και αποστρέφεται οτιδήποτε οδηγεί την ανθρωπότητα πιο κοντά σε αυτό. Τις περισσότερες επικρίσεις συγκεντρώνουν οι κλάδοι της ενέργειας και των μεταφορών, οι οποίοι κατά γενική διαπίστωση συμβάλουν περισσότερο στη συσσώρευση της ατμόσφαιρας με αέρια του θερμοκηπίου. H έντονη αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας σε παγκόσμια κλίμακα προβληματίζει τους ειδικούς αλλά δε φαίνεται προς το παρόν τουλάχιστον να απασχολεί τους καταναλωτές, με αποτέλεσμα οι συνολικές εκλύσεις διοξειδίου του άνθρακα να εκτιμώνται ότι είναι της τάξεως των 6 δισεκατομμυρίων τόνων ετησίως και αυξάνονται με ευθέως ανάλογο ρυθμό προς τη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας. Από την άλλη, η φυσική ικανότητα απορρόφησης της γης για το συγκεκριμένο αέριο, δεν υπερβαίνει τα 3 δισεκατομμύρια τόνους ετησίως. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να αυξάνεται η μέση θερμοκρασία του πλανήτη. Έχει αποδειχθεί από περιβαλλοντολογικές μελέτες, πως η μέση θερμοκρασία του πλανήτη έχει αυξηθεί κατά 0,6 ο C έως 0,9 ο C το διάστημα μεταξύ 1906 και 2005 με το ρυθμό αύξησης της θερμοκρασίας να αυξάνεται με την πάροδο των χρόνων. Είναι σίγουρο ότι η μέση θερμοκρασία του πλανήτη θα αυξηθεί ακόμη περισσότερο στο μέλλον.[3] Η Ελλάδα όπως και όλες οι ανεπτυγμένες χώρες του κόσμου έχουν δεσμευτεί από τη συνθήκη του Κιότο για τη μείωση των εκπεμπόμενων ρύπων και ιδίως για τη μείωση των συγκεντρώσεων σε αυτούς των CO 2, SO x, NO x. Στην Ελλάδα, μία από τις κύριες πηγές αυτών των ρύπων είναι τα εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος που χρησιμοποιούν συμβατικά καύσιμα (λιγνίτη, μαζούτ και ντίζελ). Η Ελλάδα είναι συγκριτικά με άλλες ευρωπαϊκές χώρες φτωχή σε φυσικές πρώτες ύλες (λιγνίτη και πετρέλαιο), ενώ υπάρχει μόνο λιγνίτης χαμηλής θερμογόνου δύναμης ο οποίος παρόλα αυτά συνεισφέρει κατά το μεγαλύτερο ποσοστό στην ενεργειακή ζήτηση της χώρας. Κατά συνέπεια, η ενεργειακή ζήτηση της Ελλάδας καλύπτεται σε σημαντικό βαθμό από εισαγόμενες πρώτες ύλες, όπως το πετρέλαιο και τα τελευταία χρόνια το φυσικό αέριο (από το 1998), των οποίων οι τιμές παρουσιάζουν σημαντικές διακυμάνσεις ανάλογα με τις παγκόσμιες συγκυρίες

16 Ηλεκτρισμός μπορεί να παραχθεί αξιοποιώντας κάποια από τις παρακάτω πηγές ενέργειας : Συμβατικές Πηγές Ενέργειας (ΣΠΕ) Γαιάνθρακες ( ανθρακίτης, λιθάνθρακας, λιγνίτης, τύρφη) Πετρέλαιο Φυσικό Αέριο Πυρηνικά καύσιμα Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) Ενέργεια από υδατοπτώσεις Ηλιακή ενέργεια Αιολική ενέργεια Γεωθερμία Βιομάζα Ενέργεια από παλίρροια κύματα Στην εικόνα 1.3 στην 3 η στήλη καταγράφεται η ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας καθώς και το ισοζύγιο εισαγωγών εξαγωγών (MWh) για το διασυνδεδεμένο δίκτυο στην Ελλάδα το έτος Παρατηρείται ότι η ελληνική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας βασίζεται στην καύση λιγνίτη και φυσικού αερίου ενώ η εκμετάλλευση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας μπορεί να είναι ακόμη περιορισμένη όμως παρουσιάζει αυξητικές τάσεις (4 η στήλη). [4] Εικόνα 1.3: Δελτίο ισοζυγίου ηλεκτρικής ενέργειας στο διασυνδεδεμένο σύστημα της Ελλάδας για το έτος

17 Εικόνα 1.4: Προέλευση παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας στην Ελλάδα και την Ε.Ε. κατά το έτος 2009 Στην εικόνα 1.4 παρουσιάζεται η προέλευση της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας στην Ελλάδα ( μαζί με τα νησιά ) και στην Ευρωπαϊκή Ένωση για το έτος Παρατηρούμε ότι το ποσοστό της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας προερχόμενης από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας στην Ελλάδα ( 13 % ) είναι κάτω από το μέσο όρο των χωρών - μελών της Ευρωπαϊκής Ένωσης ( 18 % ). Στην εικόνα 1.5 παρουσιάζεται η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια που προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας ως ποσοστό της συνολικής κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας για κάθε κράτος της Ευρωπαϊκής Ένωσης κατά το έτος [5] Εικόνα 1.5: Παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια που προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας ως ποσοστό της συνολικά παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας για τα κράτη της Ε.Ε

18 1.3 Βιομάζα Η βιομάζα με την ευρύτερη έννοια του όρου περιλαμβάνει οποιοδήποτε υλικό προέρχεται από ζωντανούς οργανισμούς. Ειδικότερα, η βιομάζα για ενεργειακούς σκοπούς περιλαμβάνει κάθε τύπο οργανικής ύλης που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή στερεών, υγρών ή αέριων καυσίμων. Σύμφωνα με τον Ν.3468/2006, αρ. 2 παρ. 8, ως βιομάζα ορίζεται, το «βιοαποικοδομήσιμο κλάσμα προϊόντων, αποβλήτων και καταλοίπων που προέρχονται από τις γεωργικές, συμπεριλαμβανομένων φυτικών και ζωικών ουσιών, τις δασοκομικές και τις συναφείς βιομηχανικές δραστηριότητες, καθώς και το βιοαποικοδομήσιμο κλάσμα βιομηχανικών αποβλήτων και αστικών λυμάτων και απορριμμάτων». Η βιομάζα αποτελεί μία δεσμευμένη και αποθηκευμένη μορφή της ηλιακής ενέργειας και είναι αποτέλεσμα της φωτοσυνθετικής δραστηριότητας των φυτικών οργανισμών. Η χλωροφύλλη των φυτών μετασχηματίζει την ηλιακή ενέργεια με μια σειρά διεργασιών, χρησιμοποιώντας ως βασικές πρώτες ύλες διοξείδιο του άνθρακα από την ατμόσφαιρα καθώς νερό και ανόργανα συστατικά από το έδαφος. Νερό + Διοξείδιο του άνθρακα + Ηλιακή ενέργεια (φωτόνια) + Ανόργανα στοιχεία Βιομάζα + Οξυγόνο Από τη στιγμή που σχηματίζεται η βιομάζα, μπορεί πλέον κάλλιστα να χρησιμοποιηθεί ως πηγή ενέργειας. Η βιομάζα αποτελεί μια σημαντική, ανεξάντλητη και φιλική προς το περιβάλλον πηγή ενέργειας, η οποία είναι δυνατό να συμβάλλει σημαντικά στην ενεργειακή επάρκεια, αντικαθιστώντας τα συνεχώς εξαντλούμενα αποθέματα ορυκτών καυσίμων (πετρέλαιο, άνθρακας, φυσικό αέριο κ.ά.). Σε γενικές γραμμές, το μέλλον της βιομάζας στην Ευρωπαϊκή Ένωση παρουσιάζεται ευοίωνο. Η ετήσια παραγωγή βιομάζας από τα γεωργικά υπολείμματα στη χώρα μας ανέρχεται σε 5 εκατομμύρια τόνους ξηρού βάρους ετησίως. Η ποσότητα αυτή αντιστοιχεί περίπου σε 2 εκατομμύρια τόνους ισοδύναμού πετρελαίου (ΜΤΙΠ). Όσο αναφορά την Ευρωπαϊκή Ένωση η ετήσια παραγωγή βιομάζας από γεωργικά υπολείμματα ανέρχεται σε 55,4 εκατομμύρια τόνους ισοδύναμού πετρελαίου (ΜΤΙΠ). Στην εικόνα 1.6 παρουσιάζεται η συνολική εγκατεστημένη ηλεκτρική ισχύς (MW el ) ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στην Ευρωπαϊκή Ένωση μέχρι το Παρατηρείται ότι οι υδατοπτώσεις συνεισφέρουν περισσότερο στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας όμως η εγκατεστημένη ισχύς παραμένει σταθερή ενώ με το πέρασμα των χρόνων εγκαθίστανται όλο και περισσότερες μονάδες ενεργειακής αξιοποίησης βιομάζας για παραγωγή ηλεκτρισμού. Θα μπορούσε κάποιος να υποθέσει ότι στο μέλλον η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας θα βασίζεται σε μεγάλο βαθμό στην ενεργειακή εκμετάλλευση της βιομάζας. [6]

19 Εικόνα 1..6 : Παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας στην Ε.Ε. Στην εικόνα 1.7 παρουσιάζεται η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας (GWh) από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας για κάθε κράτος της Ευρωπαϊκής Ένωσης το Παρατηρούμε ότι στην Ελλάδα μέχρι το 2008 φαίνεται να μην αξιοποιείται ενεργειακά η βιομάζα. Έτσι λοιπόν θα μπορούσαμε να υποθέσουμε ότι υπάρχουν πολλά περιθώρια εφαρμογής τεχνολογιών ενεργειακής αξιοποίησης βιομάζας στην Ελλάδα. [6] Εικόνα 1.7: Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές για κάθε κράτος της Ε.Ε. το

20 Πλεονεκτήματα από την ενεργειακή αξιοποίηση της βιομάζας 1. Η αποτροπή του φαινομένου του θερμοκηπίου, το οποίο οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στο διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) που παράγεται από την καύση ορυκτών καυσίμων. Η βιομάζα δεν συνεισφέρει στην αύξηση της συγκέντρωσης του ρύπου αυτού στην ατμόσφαιρα γιατί, ενώ κατά την καύση της παράγεται CO 2, κατά την παραγωγή της και μέσω της φωτοσύνθεσης επαναδεσμεύονται σημαντικές ποσότητες αυτού του ρύπου. 2. Η αποφυγή της επιβάρυνσης της ατμόσφαιρας με το διοξείδιο του θείου (SO 2 ) που παράγεται κατά την καύση των ορυκτών καυσίμων και συντελεί στο φαινόμενο της όξινης βροχής. Η περιεκτικότητα της βιομάζας σε θείο είναι πρακτικά αμελητέα. 3. Η μείωση της ενεργειακής εξάρτησης μίας χώρας, που είναι αποτέλεσμα της εισαγωγής καυσίμων από τρίτες χώρες, με αντίστοιχη εξοικονόμηση συναλλάγματος. 4. Η διάδοση της χρήσης μονάδων αξιοποίησης βιομάζας για παραγωγή ηλεκτρισμού θα δημιουργήσει μία νέα αγορά και πολλές νέες θέσεις εργασίας στον κατασκευαστικό και αγροτικό τομέα, αλλά και στον τομέα των υπηρεσιών. Αυτές οι νέες θέσεις εργασίας είναι σε θέση να ενισχύσουν την περιφερειακή ανάπτυξη μίας χώρας. 5. Η βιομάζα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για συνεχή παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας που δεν εξαρτάται από τις καιρικές συνθήκες, όπως συμβαίνει με την ηλιακή, αιολική και υδροδυναμική ενέργεια 6. Τα συστήματα αξιοποίησης βιομάζας για συμπαραγωγή (ηλεκτρισμού και θερμότητας) μπορούν να επιτύχουν υψηλούς βαθμούς απόδοσης. 7. Τα τελευταία χρόνια έχει διαπιστωθεί ότι μεγάλες εκτάσεις εύφορης γης σε χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης τίθενται εκτός παραγωγικής δραστηριότητας. Η χρήση και επομένως η ζήτηση βιομάζας για παραγωγή ηλεκτρισμού θα μπορούσε να ενθαρρύνει τις ενεργειακές καλλιέργειες σε αυτές τις αναξιοποίητες εκτάσεις. 8. Εντός Ευρωπαϊκής Ένωσης, υπάρχουν απομακρυσμένες περιοχές οι οποίες καλύπτουν τις ανάγκες τους σε ηλεκτρική ενέργεια τροφοδοτούμενες από αποκεντρωμένα συστήματα παραγωγής ηλεκτρισμού με αυξημένο κόστος παραγόμενης kwh. Σε αυτές τις περιπτώσεις θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν μονάδες μικρής κλίμακας, ενεργειακής αξιοποίησης βιομάζας. 9. Σε διάφορες βιομηχανικές δραστηριότητες παράγονται υπολείμματα βιομάζας η απομάκρυνση των οποίων απαιτεί κάποιο υπολογίσιμο κόστος. Η χρήση αυτών των ροών απόβλητης βιομάζας σε παρακείμενες μονάδες ενεργειακής αξιοποίησης αποτελεί μία οικονομικά βιώσιμη λύση. 10. Η εγκατάσταση μονάδων μικρής κλίμακας ενεργειακής αξιοποίησης βιομάζας για παραγωγή ηλεκτρισμού θα συμβάλει στην εξέλιξη της υπάρχουσας τεχνολογίας και η μαζική παραγωγή τους θα μειώσει το κόστος τους

21 Μειονεκτήματα από την ενεργειακή αξιοποίηση της βιομάζας O0.2ha 1t Βιομάζα 1. Ο μεγάλος όγκος της και η μεγάλη περιεκτικότητά της σε υγρασία, ανά μονάδα παραγόμενης ενέργειας. 2. Η δυσκολία στη συλλογή, μεταποίηση, μεταφορά και αποθήκευσή της, έναντι των ορυκτών καυσίμων. 3. Οι δαπανηρότερες εγκαταστάσεις και εξοπλισμός που απαιτούνται για την αξιοποίηση της βιομάζας, σε σχέση με τις συμβατικές πηγές ενέργειας. 4. Η μεγάλη διασπορά και σε ορισμένες περιπτώσεις, η εποχιακή παραγωγή της. Παρόλα αυτά, με την ανάπτυξη της τεχνολογίας και κατάλληλες οικονομοτεχνικές αναλύσεις, η αξιοποίηση της βιομάζας μπορεί να αποφέρει σημαντικά οικονομικά οφέλη, ιδιαίτερα στην σημερινή εποχή, όπου οι τιμές των συμβατικών καυσίμων τείνουν σε ανοδική και συγχρόνως ασταθή πορεία. Τέλος, πρέπει κάθε φορά να συνυπολογίζεται και το περιβαλλοντικό όφελος, το οποίο, αν και συχνά δεν μπορεί να αποτιμηθεί με οικονομικά μεγέθη, εντούτοις είναι ουσιαστικής σημασίας για την ποιότητα της ζωής και το μέλλον της ανθρωπότητας. Λιγνοκυτταρινούχος βιομάζα Η λιγνοκυτταρινούχος βιομάζα αποτελεί τον πιο άφθονο, ανανεώσιμο και φθηνό φυσικό πόρο στη Γη, αποτελώντας το 50 % των παγκόσμιων αποθεμάτων βιομάζας. Πηγές λιγνοκυτταρινούχου βιομάζας αποτελούν τα δασικά και αγροτικά κατάλοιπα, τα υπολείμματα της βιομηχανίας τροφίμων και οι ενεργειακές καλλιέργειες. Η λιγνοκυτταρινούχος βιομάζα όντας μη εδώδιμη, δεν ανταγωνίζεται τη βιομηχανία τροφίμων με συνέπεια να καθίσταται ελκυστική προς ενεργειακή αξιοποίηση. Η λιγνοκυτταρινούχος βιομάζα αποτελείται από τρεις ομάδες μεγαλομοριακών ενώσεων (πολυμερή) : την κυτταρίνη, την ημικυτταρίνη και τη λιγνίνη. Η κυτταρίνη είναι ένας μη σακχαροειδής πολυσακχαρίτης αποτελούμενος από περισσότερα από μόρια γλυκόζης, που ενώνονται σχηματίζοντας ευθείες αλυσίδες. Είναι η πιο διαδεδομένη οργανική ένωση στη φύση, καθώς όντας δομικός πολυσακχαρίτης των φυτών, αποτελεί το κύριο συστατικό του κυτταρικού τοιχώματος των φυτικών κυττάρων. Ο εμπειρικός της τύπος είναι : (C 6 H 10 O 5 ) m. Τα μακρομόρια της κυτταρίνης διατάσσονται παράλληλα μεταξύ τους και αναπτύσσουν δεσμούς υδρογόνου, σχηματίζοντας έτσι τα στοιχειώδη ινίδια ( ή κρυσταλλίτες). Τα στοιχειώδη ινίδια ενώνονται μεταξύ τους με τη βοήθεια άμορφων ημικυτταρινών και λιγνίνης με αποτέλεσμα να σχηματίζονται δέσμες ινιδίων. Οι δέσμες των ινιδίων ενώνονται μεταξύ τους πάλι με τη βοήθεια άμορφων ημικυτταρινών και λιγνίνης και σχηματίζουν τις ίνες. Η ημικυτταρίνη είναι ένα πολυμερές που προκύπτει από ανυδρίτες σακχάρων και ουρανικών οξέων. Συμμετέχει ως πληρωτικό μέσο στο σχηματισμό τόσο των ινιδίων όσο και των ινών. Η λιγνίνη είναι το αφθονότερο και σπουδαιότερο, μετά την κυτταρίνη, συστατικό της φυτικής βιομάζας και δρα ως συγκολλητική ύλη τόσο των ινιδίων όσο και των ινών. Προκύπτει από τη συνένωση μονάδων φαινυλοπροπανίου. Η περιεκτικότητα της κυτταρίνης, της ημικυτταρίνης και της λιγνίνης διαφέρει αναλόγως του είδους της φυτικής ύλης. Για παράδειγμα η κυτταρίνη περιέχεται κατά 40 % 50 % στο ξύλο, κατά 95 % 99 % στο βαμβάκι και κατά 20 % 30 % στο φλοιό των δέντρων

22 Κατηγοριοποίηση βιομάζας 1. Βιομάζα υπολειμματικής μορφής Υπολείμματα που μένουν στον αγρό ή το δάσος μετά τη συγκομιδή του κύριου προϊόντος. Τέτοιου είδους υπολείμματα είναι το άχυρο σιτηρών, τα βαμβακοστελέχη, τα κλαδοδέματα, κ.α. Υπολείμματα από την επεξεργασία γεωργικών και δασικών προϊόντων, όπως ελαιοπυρήνες, υπολείμματα εκκοκκισμού, πριονίδια, κ.α. Βιομηχανικά και αστικά απόβλητα ( το οργανικό μέρος τους ) καθώς και ζωικά απόβλητα από κτηνοτροφικές μονάδες. 2. Βιομάζα που παράγεται από ενεργειακές καλλιέργειες Ενεργειακές καλλιέργειες για την παραγωγή στερεών βιοκαυσίμων [7] Πίνακας 1.1: Χαρακτηριστικά ορισμένων στερεών βιοκαυσίμων Είδος Προϊόν Θερμογόνος δύναμη (MJ/kg) Πολυετείς Καλλιέργειες Ετήσιες Καλλιέργειες Δασικές Καλλιέργειες Μέση απόδοση σε ξηρή βιομάζα (τόνοι/στρ./έτος) Απόδοση σε ενέργεια (GJ/στρ./έτος) Καλάμι 18 1 με 2 18 με 36 Αγριαγκινάρα 18 1 με 1,5 18 με 27 Switchgrass 18 1 με 2 18 με 36 Μίσχανθος 18 1 με 1,5 18 με 27 Κενάφ 18,6 0,8 με 1,8 14,9 με 33,4 Κυτταρινούχο Σόργο 18 2 με 3,5 36 με 63 Ευκάλυπτος 19,4 1,8 με 3 34,8 με 58 Ψευδακακία 17,8 0,8 με 1,3 14,3 με 23,2 Ενεργειακές καλλιέργειες για την παραγωγή υγρών βιοκαυσίμων* [7] Πίνακας 1.2: Χαρακτηριστικά ορισμένων υγρών βιοκαυσίμων Βιοκαύσιμο Πρώτη Ύλη Απόδοση σε προϊόν (κιλό/στρέμμα) Απόδοση σε βιοκαύσιμο (κιλό/στρέμμα) Απόδοση σε βιοκαύσιμο (λίτρα/στρέμμα) Βιοντίζελ Ηλίανθος με με με 116 Ελαιοκράμβη Αγριαγκινάρα 100 με με με 41 Βαμβάκι 120 με με με 27 Σόγια 160 με με με 48 Βιοαιθανόλη Σιτάρι 150 με με με 243 Αραβόσιτος 800 με με με 360 Τεύτλα 5500 με με με 700 Σόργο 7000 με με με 900 * Από καλλιέργειες πλούσιες σε άμυλο και σάκχαρα παράγεται βιοαιθανόλη ενώ από καλλιέργειες ειδών με μεγάλη περιεκτικότητα σε έλαια παράγεται βιοντίζελ

23 Διεργασίες ενεργειακής αξιοποίησης βιομάζας Μόνο λίγοι τύποι βιομάζας, όπως το ξύλο, μπορούν να χρησιμοποιηθούν απευθείας μέσω καύσης για παραγωγή ενέργειας. Συνήθως απαιτείται η επεξεργασία και ο εξευγενισμός της βιομάζας για τη μετατροπή της σε χρήσιμο καύσιμο. Διακρίνονται δύο κατηγορίες διεργασιών ενεργειακής αξιοποίησης της βιομάζας : οι θερμοχημικές (ξηρές) και οι βιοχημικές (υγρές). Κύριοι παράγοντες που καθορίζουν τη μέθοδο είναι η σχέση C/N και η περιεχόμενη υγρασία της βιομάζας κατά τη συλλογή της. Οι θερμοχημικές διεργασίες περιλαμβάνουν αντιδράσεις που εξαρτώνται από τη θερμοκρασία. Χρησιμοποιούνται για είδη βιομάζας με σχέση C/N > 30 και υγρασία <50 %. Οι θερμοχημικές διεργασίες διακρίνονται στις παρακάτω κατηγορίες: 1. Η απ ευθείας καύση (ή συνδυασμένη καύση με κάποιο ορυκτό καύσιμο), η oποία αποτελεί τον αρχαιότερο τρόπο ενεργειακής εκμετάλλευσης της βιομάζας. 2. Η αεριοποίηση, στην οποία το τελικό προϊόν είναι το βιοαέριο. Κατά την διεργασία αυτή, χρησιμοποιούνται ειδικοί αντιδραστήρες, οι οποίοι θερμαίνουν τη βιομάζα σε περιβάλλον φτωχό σε οξυγόνο και σε θερμοκρασία περί τους 850 C. Αναλόγως με την εφαρμοζόμενη τεχνολογία, μπορεί να δώσει σχεδόν τη μισή θερμιδική αξία του φυσικού αερίου. 3. Η πυρόλυση, η οποία αποτελεί μια απλή και παλιά μέθοδο. Η βιομάζα θερμαίνεται σε υψηλές θερμοκρασίες απουσία αέρα, χωρίς να καεί για παραγωγή στερεών, υγρών και αερίων καυσίμων. Πιο συγκεκριμένα, επιδιώκεται η βιομάζα να μετατραπεί σε υγρό πυρόλυσης, το βιοέλαιο το οποίο μπορεί να αξιοποιηθεί για παραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας. Με την ίδια διεργασία, μπορούν να παραχθούν διάφορα προϊόντα όπως υγρή φαινόλη, κόλλες, μονωτικοί αφροί κ.α. Οι βιοχημικές διεργασίες είναι αποτέλεσμα μικροβιακής δράσης. Εφαρμόζονται σε είδη βιομάζας που χαρακτηρίζονται από λόγο C/N < 30, παρουσιάζουν υψηλό ποσοστό υγρασίας, άνω των 50 % και είναι οι εξής: 1. Η αναερόβια χώνευση, όπου τα απορρίμματα και τα διάφορα λύματα με αναερόβιες διαδικασίες παράγουν βιοαέριο (κυρίως μεθάνιο και CO 2 ). 2. Η αλκοολική ζύμωση, όπου παράγεται κυρίως βιοαιθανόλη με ζύμωση των αμυλούχων, κυταρρινούχων και σακχαρούχων συστατικών και διαχωρισμός της από τα λοιπά συστατικά με απόσταξη. 3. Η μετεστεροποίηση, η οποία είναι μια χημική επεξεργασία των ελαίων για την παραγωγή βιοντίζελ

24 - 21 -

25 Κεφάλαιο 2 Καύση 2.1 Γενικά Η καύση της βιομάζας είναι ένα σύνολο εξώθερμων χημικών αντιδράσεων κατά τη διάρκεια των οποίων η χημική ενέργεια της βιομάζας μετατρέπεται σε θερμική. Η χημική ενέργεια της βιομάζας έχει παραχθεί κατά τη διάρκεια της φωτοσύνθεσης και με την προσφορά της ηλιακής ενέργειας. Ως καύση μπορεί να οριστεί κάθε ταχεία οξείδωση από την οποία παράγεται θερμότητα. Προκειμένου η καύση να λάβει χώρα είναι απαραίτητα τα παρακάτω τρία συστατικά στη σωστή αναλογία : 1. Οξυγόνο 2. Θερμότητα 3. Καύσιμη βιομάζα Εικόνα 2.1: Σχηματική απεικόνιση των τριών απαραίτητων συστατικών προκειμένου η διεργασία της καύσης να λάβει χώρα. Προκειμένου να ξεκινήσει η καύση της βιομάζας θα πρέπει η θερμοκρασία της να υπερβεί μία συγκεκριμένη θερμοκρασία, θερμοκρασία ανάφλεξης που είναι διαφορετική για κάθε τύπο καύσιμης βιομάζας. Η βιομάζα κατά τη διάρκεια της καύσης διέρχεται από τα παρακάτω τρία στάδια ανάλογα με τις επικρατούσες θερμοκρασίες τα οποία όμως μπορεί να είναι αλληλεπικαλυπτόμενα και να λαμβάνουν χώρα ταυτόχρονα : 1. Ξήρανση 2. Αποπτητικοποίηση - Πυρόλυση 3. Καύση στερεών εξανθρακωμάτων

26 Στην εικόνα 2.2 παρουσιάζεται η μείωση του όγκου ενός μικρού σωματιδίου βιομάζας καθώς διέρχεται από τα επιμέρους στάδια της καύσης. [8] Εικόνα 2.2 : Μεταβολή του όγκου σωματιδίου βιομάζας κατά την εξέλιξη της καύσης Για μια τυπική σύνθεση βιομάζας η αντίδραση καύσης θα μπορούσε να περιγραφεί από την παρακάτω εξίσωση : CH 1,44 O 0,66 + λ1,03(ο 2 +3,76Ν 2 ) CO 2 + 0,72H 2 O + (λ 1)Ο 2 + λ3,87ν 2 (-439KJ/kmol)

27 2.2 Περιγραφή επιμέρους σταδίων καύσης 1. Ξήρανση Καθώς η θερμοκρασία της βιομάζας αυξάνεται και μέχρι τους 100 ο C λαμβάνει χώρα η ξήρανσή της. Κατά τη διάρκεια της ξήρανσης, η περιεχόμενη υγρασία της βιομάζας αλλάζει κατάσταση, μετατρέπεται σε υδρατμούς και εγκαταλείπει τη βιομάζα. Η φυσική διεργασία της εξάτμισης απορροφά θερμότητα που έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της θερμοκρασίας στο θάλαμο καύσης και την επακόλουθη μείωση της ταχύτητας διεξαγωγής των αντιδράσεων καύσης. Στην περίπτωση καύσης ξυλώδους βιομάζας για παράδειγμα η διεργασία της καύσης δε μπορεί να διατηρηθεί όταν στο θάλαμο καύσης τροφοδοτείται βιομάζα με περιεκτικότητα σε υγρασία πάνω από 60 % κ.β. Σε αυτή την περίπτωση η απαίτηση σε θερμική ενέργεια για τη θέρμανση και εξάτμιση των περιεχόμενων ποσοτήτων νερού είναι τόσο μεγάλη που η θερμοκρασία στο θάλαμο καύσης πέφτει κάτω από το θερμοκρασιακό όριο που απαιτείται για να λάβουν χώρα οι αντιδράσεις οξείδωσης καύσης και παρατηρείται σβήσιμο της φλόγας και διακοπή της καύσης. 2. Αποπτητικοποίηση - Πυρόλυση Κατά τη διάρκεια αυτού του σταδίου πραγματοποιείται η θερμική αποδόμηση της βιομάζας και η απελευθέρωση πτητικών αερίων. Στις εικόνες 2.3 και 2.4 παρουσιάζεται η συμπεριφορά της βιομάζας καθώς αυξάνουμε τη θερμοκρασία με ρυθμό 10 ο C/min και για τέσσερα διαφορετικά είδη βιομάζας : έλατο, σημύδα, οξιά, ακακία. Παρατηρούμε ότι τα διαφορετικά είδη βιομάζας παρουσιάζουν παρόμοια συμπεριφορά με ελάχιστες διαφορές. Στην αρχή καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία λαμβάνει χώρα η ξήρανση της βιομάζας. Στους 473Κ αρχίζει απελευθέρωση των πτητικών αερίων από τη βιομάζα και ο ρυθμός έκλυσης αυτών των αερίων αυξάνει καθώς αυξάνει η θερμοκρασία. Στις καμπύλες παρατηρούμε δύο τοπικά μέγιστα. Το πρώτο τοπικό μέγιστο οφείλεται στη θερμική αποδόμηση της ημικυτταρίνης ενώ το δεύτερο σε υψηλότερες θερμοκρασίες οφείλεται στη θερμική αποδόμηση της κυτταρίνης. Η διαφοροποίηση στις καμπύλες οφείλεται στο γεγονός ότι η σημύδα η οξιά και η ακακία περιέχουν περισσότερη ημικυτταρίνη από το έλατο διαμορφώνοντας έτσι αυτό το τοπικό μέγιστο κοντά στους 573Κ. Το έλατο από την άλλη παρουσιάζει μεγαλύτερο τοπικό μέγιστο κοντά στους 640Κ. Στους 673Κ τα περισσότερα πτητικά αέρια έχουν εγκαταλείψει τη βιομάζα. Παρόλα αυτά στην περιοχή μεταξύ 673Κ 773Κ παρατηρούμε μία μικρή έκλυση αερίων που οφείλεται στη θερμική αποδόμηση της λιγνίνης. Στις εικόνες 2.3 και 2.4 που ακολουθούν παρουσιάζεται η εξέλιξη της αποπτητικοποίησης καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία της βιομάζας (ίδιες τιμές του άξονα χ και για τα δύο διαγράμματα). [8]

28 Εικόνα 2.3: Ποσοστιαία μείωση του βάρους βιομάζας συναρτήσει της αύξησης θερμοκρασίας Εικόνα 2.4: Ρυθμός ποσοστιαίας μείωσης βάρους βιομάζας συναρτήσει της αύξησης θερμοκρασίας 3. Καύση στερεών εξανθρακωμάτων Μετά το στάδιο της αποπτητικοποίησης της βιομάζας ακολουθεί η καύση οξείδωση των στερεών εξανθρακωμάτων που έχουν απομείνει και που αποτελούν το 10 % - 20 % του αρχικού βάρους της βιομάζας. Είναι πολύ σημαντικό να επιτευχθεί η ολοκλήρωση της καύσης των στερεών εξανθρακωμάτων ειδάλλως προκύπτουν αρκετά σημαντικές ανεπιθύμητες συνέπειες. Κατ αρχάς προκαλείται σημαντική μείωση στο βαθμό απόδοσης της μονάδας καύσης. Ακόμη, μεγάλα ποσοστά άκαυστων σωματιδίων στην τέφρα που παρασύρονται από τα καυσαέρια δημιουργούν πρόβλημα στη λειτουργία των εναλλακτών θερμότητας, και των φίλτρων καθαρισμού των καυσαερίων. Επίσης η μεγάλη περιεκτικότητα άκαυστων σωματιδίων στη τέφρα ( πάνω από 6 % ) δυσκολεύει πολύ τη μετέπειτα διάθεση της τέφρας που παράγεται από τη μονάδα Στο παρακάτω σχήμα απεικονίζονται τα στάδια από τα οποία διέρχεται η βιομάζα κατά τη διάρκεια της καύσης της και η θερμότητα που παράγεται απορροφάται σε κάθε ένα από αυτά τα στάδια

29 Εικόνα 2.5: Έκλυση - απορρόφηση θερμότητας κατά τη διάρκεια των επιμέρους σταδίων της καύσης Στον πίνακα 2.1 παρουσιάζεται η σύνθεση μερικών ειδών καύσιμης βιομάζας που χρησιμοποιούνται ευρέως από μονάδες ενεργειακής αξιοποίησης βιομάζας. Πίνακας 2.1: Χημική σύνθεση ειδών καύσιμης βιομάζας Βασικά συστατικά βιομάζας Άχυρο Τσιπς Ξύλου Οξιά Πεύκο Έλατο Άνθρακας C % σε ξ.β. 47,4 49, ,9 Υδρογόνο H % σε ξ.β. 6 5,8 6,1 5,8 Οξυγόνο O % σε ξ.β ,9 42,3 41,3 Άζωτο N % σε ξ.β. 0,6 0,22 0,1 0,39 Θείο S % σε ξ.β. 0,12 0,04 0,02 0,06 Χλώριο Cl % σε ξ.β. 0,4 0,01 0,01 0,03 Τέφρα a % σε ξ.β. 4,8 0,7 0,5 1,5 Πτητικά % σε ξ.β , Θερμογόνος δύναμη MJ/kg ξ.β. 17,9 18,7 19,4 19,7-26 -

30 2.3 Παράμετροι καύσης Μέγεθος σωματιδίων βιομάζας Το μέγεθος των σωματιδίων της βιομάζας επηρεάζει την ταχύτητα ολοκλήρωσης της καύσης. Όσο μεγαλύτερες είναι οι διαστάσεις των σωματιδίων που διοχετεύουμε στον αντιδραστήρα τόσο περισσότερος χρόνος χρειάζεται για την καύση τους. Εάν για παράδειγμα θεωρήσουμε μία ορισμένη μάζα πριονιδιού που το διοχετεύουμε σε ένα θάλαμο καύσης, η καύση αυτής της ποσότητας θα ολοκληρωθεί πολύ πιο γρήγορα από το αν διοχετεύαμε την ίδια μάζα αλλά σε μορφή ενός συμπαγούς ξύλου. Αυτό οφείλεται στην αυξημένη επιφάνεια επαφής μεταξύ καύσιμης βιομάζας και αέρα καύσης. Περιεχόμενο σε υγρασία της βιομάζας Το περιεχόμενο σε υγρασία της βιομάζας επηρεάζει τη θερμογόνο δύναμη αυτής δηλαδή την ικανότητα της βιομάζας να παράγει θερμική ενέργεια κατά την καύση της. Όταν η βιομάζα περιέχει αυξημένα ποσοστά υγρασίας τότε η κατώτερη θερμογόνος δύναμή της είναι μειωμένη καθώς οι περιεχόμενες ποσότητες νερού απορροφούν θερμική ενέργεια προκειμένου να περάσουν στην αέρια φάση. Στην περίπτωση που ο θάλαμος καύσης τροφοδοτείται με βιομάζα με χαμηλή περιεκτικότητα σε υγρασία υψηλή θερμογόνο δύναμη, θα πρέπει να προβλέπονται διατάξεις ψύξης του θαλάμου καύσης ώστε η υπερβολική αύξηση της θερμοκρασίας να μην προκαλέσει φθορές. Στην περίπτωση που ο θάλαμος καύσης τροφοδοτείται με βιομάζα με υψηλή περιεκτικότητα σε υγρασία χαμηλή θερμογόνο δύναμη τότε θα πρέπει τα τοιχώματα του αντιδραστήρα να είναι μονωμένα ώστε να αποφευχθεί η πτώση της θερμοκρασίας κάτω από μία ορισμένη τιμή που μπορεί να προκαλέσει τη διακοπή της διαδικασίας. Η μόνωση επιτυγχάνεται με πυρίμαχες εσωτερικές επενδύσεις που στοχεύουν στη διατήρηση της θερμότητας που έχει παραχθεί στο εσωτερικό του αντιδραστήρα. Συνεπώς ένας αντιδραστήρας καύσης σχεδιάζεται να δέχεται βιομάζα με περιεχόμενο σε υγρασία που μπορεί να κυμαίνεται σε ένα ορισμένο εύρος. Όταν για παράδειγμα η περιεχόμενη υγρασία της εισερχόμενης βιομάζας είναι πάνω από 60 % τότε είναι πολύ δύσκολο να διατηρηθεί η συνέχεια της διαδικασίας καύσης. Περιεχόμενο τέφρας Η βιομάζα περιέχει διάφορες προσμίξεις που δεν έχουν τη δυνατότητα να καούν και στο τέλος της καύσης εμφανίζονται με τη μορφή της τέφρας. Γενικά οι ποσότητες τέφρας που προκύπτουν είναι ανεπιθύμητες καθώς δημιουργούν την ανάγκη ύπαρξης κατάλληλων διατάξεων για τον διαχωρισμό των σωματιδίων τέφρας που παρασύρονται από τη ροή των καυσαερίων. Η τέφρα που περιέχεται στη ξυλώδη βιομάζα προέρχεται από τις ποσότητες χώματος και σκόνης που έχουν απορροφηθεί από το φλοιό του δέντρου. Επίσης, ένα μικρότερο ποσοστό τέφρας προέρχεται από τα άλατα που απορροφούνται μέσω των ριζών, κατά την περίοδο της ανάπτυξης του δέντρου. Για παράδειγμα, τα τσιπς που προέρχονται από το κομμάτι του φλοιού ενός δέντρου έχουν περιεκτικότητα 6 % σε τέφρα ενώ τα τσιπς που προέρχονται από μάζα στο εσωτερικό ενός κορμού περιέχουν 0,25 % τέφρα. Η τέφρα της ξυλώδους βιομάζας περιέχει επίσης μικρές ποσότητες βαρέων μετάλλων αλλά σε ποσοστό μικρότερο των υπόλοιπων στερεών καυσίμων. Ένα χαρακτηριστικό της τέφρας είναι ότι είναι κακός αγωγός θερμότητας. Έτσι για παράδειγμα στα συστήματα καύσης με σχάρα οι θερμομονωτικές ιδιότητες της τέφρας προστατεύον την ίδια τη σχάρα από τις υψηλές θερμοκρασίες. Τα άλατα που περιέχονται στην τέφρα, που συνήθως βασίζονται σε ενώσεις του καλίου και του νατρίου προσδίδουν μία κολλώδη υφή στην τέφρα σε αυξημένες θερμοκρασίες, που δημιουργούν προβλήματα επικαθίσεων στους εναλλάκτες

31 θερμότητας του λέβητα. Αξίζει να αναφερθεί πως η περιεκτικότητα σε κάλλιο της ξυλώδους βιομάζας είναι 10 φορές χαμηλότερη από την περιεκτικότητα σε κάλιο του άχυρου. Στον πίνακα 2.2 παρουσιάζεται η ποσοστιαία περιεκτικότητα (ξηρή βάση) των τσιπς ξύλου σε ορισμένα ορυκτά συστατικά. Πίνακας 2.2 : Ποσοστιαία περιεκτικότητα τσιπς ξύλου σε ορισμένα ορυκτά συστατικά Τσιπς ξύλου % Ξηρή βάση Κάλιο (Κ) 0,1 Νάτριο (Na) 0,015 Φώσφορος (P) 0,02 Ασβέστιο (Ca) 0,2 Μαγνήσιο (Mg) 0,04 Περιεχόμενο σε πτητικά συστατικά της βιομάζας Τα πτητικά συστατικά της βιομάζας αναλογούν περίπου στο 70 % - 85 % της συνολικής μάζας στην περίπτωση της ποώδης βιομάζας και το 60 % - 80 % της συνολικής μάζας στην περίπτωση της ξυλώδους βιομάζας και αυτά τα ποσοστά υπολογισμένα σε ξηρή βάση χωρίς να λαμβάνουμε υπόψη δηλαδή το περιεχόμενο σε υγρασία της βιομάζας. Αυτό έχει ως συνέπεια στα πρώτα στάδια της καύσης το 80 % του βάρους της βιομάζας να μετατραπεί σε διάφορα αέρια ενώ μόνο το 20 % του βάρους της βιομάζας να καταλήξει στα τελευταία στάδια της καύσης, σε στερεά εξανθρακώματα. Μία μεγάλη περιεκτικότητα της καύσιμης βιομάζας σε πτητικά σημαίνει ότι το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας του καυσίμου ελευθερώνεται γρήγορα στην αέρια φάση. Έτσι, ο θάλαμος καύσης πρέπει να διαμορφώνεται καταλλήλως ώστε να εξασφαλίζει την πλήρη καύση των αερίων αυτών. Αλλά και η ροή του αέρα καύσης θα πρέπει να προσαρμόζεται παρέχοντας μεγαλύτερη παροχή μάζας στη δευτεροβάθμια ροή αέρα για την καύση των πτητικών. Περίσσεια αέρα Για μία δεδομένη ποσότητα βιομάζας χρειάζεται μία συγκεκριμένη ποσότητα αέρα, δηλαδή οξυγόνου, για τη στοιχειομετρική καύση της. Σε αυτήν την περίπτωση ο λόγος αέρα (λ) ισούται με 1. Στην περίπτωση που παρέχουμε περισσότερο αέρα από το στοιχειομετρικό τότε στα καυσαέρια θα υπάρχουν ποσότητες οξυγόνου και ο λόγος αέρα (λ) λαμβάνει τιμές μεγαλύτερης της μονάδος. Για παράδειγμα όταν λ = 2 τότε για την καύση της βιομάζας παρέχεται ποσότητα αέρα διπλάσια από τη στοιχειομετρικά απαραίτητη. Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζεται ο λόγος αέρα σε μερικές εφαρμογές και η αντίστοιχη ποσοστιαία ποσότητα οξυγόνου που προκύπτει στα καυσαέρια σε ξηρή βάση. Πίνακας 2.3 : Λόγος αέρα (λ) σε διάφορες εφαρμογές καύσης Διάφορες εφαρμογές καύσης Λόγος αέρα (λ) Ο 2 % Ξηρή βάση Καύση ξύλων σε τζάκι >3 >14 Καύση ξύλων σε σόμπα 2,1 2, Καύση τσιπς ξυλώδους βιομάζας 1,4 1,6 6-8 σε μονάδα συμπαραγωγής Καύση πέλλετς ξυλώδους βιομάζας 1,2 1,3 4-5 σε μονάδα συμπαραγωγής Καύση πριονιδιού σε μονάδα συμπαραγωγής 1,1 1,

32 Περιβαλλοντικοί παράμετροι Γενικά μία καύση με υψηλό βαθμό απόδοσης απαιτεί : 1. Υψηλή θερμοκρασία καύσης 2. Επαρκή περίσσεια οξυγόνου 3. Επαρκή χρόνο καύσης 4. Επαρκή ανάμειξη καύσιμης βιομάζας και αέρα καύσης Οι παραπάνω συνθήκες εξασφαλίζουν χαμηλές εκπομπές σε CO και άκαυστων υδρογονανθράκων. Ο στόχος κάθε συστήματος καύσης βιομάζας είναι η μεγαλύτερη δυνατή αξιοποίηση του διαθέσιμου καυσίμου που σημαίνει καύση με υψηλό βαθμό απόδοσης. Όταν ο βαθμός απόδοσης της καύσης είναι χαμηλός τότε έχουμε μεγαλύτερη περιβαλλοντική επιβάρυνση. 2.4 Συμπερασματικά για την καύση Εν συγκρίσει με τις υπόλοιπες θερμοχημικές μεθόδους αξιοποίησης βιομάζας (αεριοποίηση, πυρόλυση) η καύση είναι η πιο δοκιμασμένη μέθοδος για την παραγωγή θερμότητας και ηλεκτρισμού. Στις μέρες μας η συντριπτική πλειοψηφία των μονάδων εν λειτουργία αξιοποιούν τη βιομάζα, μέσω καύσης. Οι εκπομπές καυσαερίων μίας μονάδας καύσης βιομάζας οφείλονται σε δύο κύριους λόγους : 1. Στη μη ολοκλήρωση της καύσης που οδηγεί στην εκπομπή άκαυστων συστατικών όπως CO, αιθάλης και πολυαρωματικών υδρογονανθράκων (ΡΑΗ). Οι εκπομπές αυτής της κατηγορίας δύναται να μειωθούν κάπως από τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού του θαλάμου καύσης. 2. Λόγω της περιεκτικότητας της βιομάζας σε στοιχεία όπως N, K, Cl, Ca, Na, Mg, P και S οι μονάδες καύσης βιομάζας εκλύουν σχετικά μεγάλες ποσότητες NO x και αιωρούμενων σωματιδίων. Οι εκπομπές αυτής της κατηγορίας μπορούν να μειωθούν με την κατάλληλη τοποθέτηση τροφοδοσίας αέρα και καυσίμου (air staging) ώστε να μην ανέρχεται η θερμοκρασία της διεργασίας σε πολύ υψηλά επίπεδα, τα οποία ευνοούν τους μηχανισμούς σχηματισμού ΝΟ x

33 2.5 Είδη αντιδραστήρων καύσης βιομάζας. Γενικά, μπορούμε να χωρίσουμε τις τεχνολογίες καύσης βιομάζας στις ακόλουθες τρεις κατηγορίες: 1. Καύση σε αντιδραστήρες σταθερής κλίνης Σε αυτή την κατηγορία αντιδραστήρων μία πρωτοβάθμια ροή αέρα εισέρχεται στον αντιδραστήρα διαμέσου μίας σταθερής κλίνης όπου και λαμβάνει χώρα η ξήρανση, η αεριοποίηση μέρους της βιομάζας και η καύση του υπόλοιπου μέρους της βιομάζας. Τα αέρια που εκλύονται και έχουν τη δυνατότητα να καούν καίγονται σε μία δεύτερη ζώνη καύσης εισάγοντας μία δευτεροβάθμια ροή αέρα. 2. Καύση σε αντιδραστήρες ρευστοποιημένης κλίνης Σε αυτήν την κατηγορία αντιδραστήρων τα σωματίδια βιομάζας καίγονται όταν εισέρχονται μέσα σε μία ρευστοποιημένη κλίνη. Αναλόγως την ταχύτητα του μέσου ρευστοποίησης διακρίνουμε την αναβράζουσα ρευστοποιημένη κλίνη και τη κυκλοφορούσα ρευστοποιημένη κλίνη. 3. Καύση σε αντιδραστήρες εξαναγκασμένης ροής Αυτή η κατηγορία αντιδραστήρων είναι κατάλληλη για την καύση σωματιδίων βιομάζας των οποίων η διάμετρος είναι μικρότερη από 2 mm (μορφή σκόνης). Τα σωματίδια βιομάζας εισέρχονται μέσα στον αντιδραστήρα με έγχυση (injection) με τη βοήθεια πεπιεσμένου αέρα όπου και λαμβάνει χώρα η καύση τους ενώ αυτά αιωρούνται μέσα στον αντιδραστήρα χωρίς την ύπαρξη κάποιας κλίνης

34 2.6 Αντιδραστήρες καύσης σταθερής κλίνης Γενικά Οι αντιδραστήρες καύσης σταθερής κλίνης τύπου σχάρας είναι κατάλληλοι για είδη βιομάζας με υψηλή περιεκτικότητα σε υγρασία, με μεγάλη διακύμανση όσο αναφορά το μέγεθος των σωματιδίων και με υψηλή περιεκτικότητα σε τέφρα. Σε αυτούς τους αντιδραστήρες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως καύσιμο μείγματα διαφόρων ειδών ξυλώδους βιομάζας όμως δεν είναι δυνατή η χρήση μείγματος ξυλώδους βιομάζας με άχυρα, σιτηρά και χορτάρι διότι τα τελευταία παρουσιάζουν χαμηλή θερμοκρασία τήξης της περιεχόμενης τέφρας τους και γενικότερα μία σημαντικά διαφορετική συμπεριφορά καύσης. Μία πολύ σημαντική παράμετρος για την καλή λειτουργία των αντιδραστήρων τύπου σχάρας είναι η επίτευξη ομοιόμορφης κατανομής των σωματιδίων βιομάζας πάνω στην επιφάνεια της σχάρας. Η μεταφορά και διανομή των σωματιδίων βιομάζας πάνω στη σχάρα πρέπει να γίνεται ομαλά και ομοιόμορφα ώστε να αποφευχθεί ο σχηματισμός κενών χώρων (χωρίς βιομάζα) πάνω στη σχάρα και να αποφευχθεί όσο είναι δυνατόν ο διαχωρισμός ιπτάμενης τέφρας και άκαυστων σωματιδίων από τη βιομάζα που βρίσκεται πάνω στη σχάρα. Επιπλέον, είναι πολύ σημαντικό για την καλή εξέλιξη των αντιδράσεων καύσης να εξασφαλίζεται ομοιόμορφη παροχή αέρα σε όλες τις περιοχές της σχάρας. Ανομοιόμορφη παροχή αέρα προκαλεί το σχηματισμό επικαθίσεων, αύξηση των ποσοτήτων ιπτάμενης τέφρας και αύξηση της απαίτησης για περίσσεια οξυγόνου για μία ολοκληρωμένη καύση. Η πρωτοβάθμια παροχή αέρα πρέπει να χωρίζεται σε επιμέρους παροχές έτσι ώστε να μπορεί να ρυθμιστεί η ποσότητα αέρα που διοχετεύεται ανάλογα με τις απαιτήσεις των αντίστοιχων περιοχών ξήρανσης, αεριοποίησης και καύσης της βιομάζας. Επίσης όταν η πρωτοβάθμια παροχή αέρα χωρίζεται σε επιμέρους παροχές όπου ρυθμίζονται ανεξάρτητα, γίνεται εφικτή μία ομαλή προσαρμογή της λειτουργίας του αντιδραστήρα σε φορτίο έως και 25 % χαμηλότερο του φορτίου σχεδιασμού του. Ανάλογα με την κατεύθυνση της ροής της βιομάζας σχετικά με την κατεύθυνση της φλόγας (ή των καυσαερίων) μπορούμε να διακρίνουμε τις παρακάτω κατηγορίες αντιδραστήρων καύσης βιομάζας τύπου σχάρας : [8] 1. Ομοροής ( η φλόγα έχει την ίδια κατεύθυνση με τη ροή βιομάζας ) 2. Αντιροής ( η φλόγα έχει αντίθετη κατεύθυνση από τη ροή βιομάζας ) 3. Εγκάρσιου ρεύματος ( τα καυσαέρια διαφεύγουν από το μέσο του κλιβάνου) Ομοροής Εγκάρσιου ρεύματος Αντιροής Εικόνα 2.6: Αντιδραστήρες καύσης τύπου σχάρας

35 Αντιδραστήρες καύσης τύπου σχάρας, αντιροής : Είναι πιο κατάλληλοι για καύση ειδών βιομάζας με αυξημένη υγρασία. Λόγω του ότι τα θερμά καυσαέρια διέρχονται πάνω από την εισερχόμενη βιομάζα η ταχύτητα ξήρανσης και ο ρυθμός μεταφοράς των υδρατμών μακριά από τη βιομάζα αυξάνεται λόγω συναγωγής. Σε αυτούς τους αντιδραστήρες πρέπει να δίνεται προσοχή στην καλή ανάμειξη της δευτεροβάθμιας παροχής αέρα και των καυσαερίων μέσα στο θάλαμο καύσης έτσι ώστε να περιορίζονται οι ποσότητες των αερίων μαζών που μπορούν να καούν και εγκαταλείπουν το θάλαμο καύσης καθώς και οι ποσότητες των αέριων ρύπων που παράγονται. Αντιδραστήρες καύσης τύπου σχάρας, ομοροής : Χρησιμοποιούνται για είδη βιομάζας με χαμηλή περιεκτικότητα σε υγρασία ή σε διατάξεις όπου η πρωτοβάθμια ροή αέρα προθερμαίνεται πριν εισέρθει στο θάλαμο καύσης. Οι συγκεκριμένοι αντιδραστήρες αυξάνουν το χρόνο παραμονής των αερίων μαζών που απελευθερώνονται από τη βιομάζα μέσα στον θάλαμο καύσης. Επίσης μειώνουν τις εκπομπές NO X λόγω αύξησης του χρόνου επαφής των καυσαερίων με τα στερεά εξανθρακώματα. Τέλος αυτοί οι αντιδραστήρες ενισχύουν την παραγωγή ιπτάμενης τέφρας η ροή της οποίας θα πρέπει να παρεμποδίζεται από κατάλληλες συνθήκες ροής κατάλληλο σχεδιασμό του θαλάμου καύσης. Αντιδραστήρες καύσης τύπου σχάρας, εγκάρσιου ρεύματος : Είναι ένας συνδυασμός των δύο προηγούμενων τύπων αντιδραστήρων. Προκειμένου να επιτευχθεί επαρκής έλεγχος της θερμοκρασίας μέσα στο θάλαμο καύσης συνήθως υπάρχει η δυνατότητα επανακυκλοφορίας των καυσαερίων και ψύξης των τοιχωμάτων του θαλάμου καύσης με νερό. Η ψύξη με νερό παρουσιάζει ορισμένα πλεονέκτημα όπως μείωση του όγκου της ροής των καυσαερίων, παρεμπόδιση της πυροσυσσωμάτωσης των σωματιδίων τέφρας πάνω στις επιφάνειες του θαλάμου καύσης και συνήθως αυξάνει το διάρκεια ζωής των μονωτικών πλίνθων που τοποθετούνται στο εσωτερικό του αντιδραστήρα σε επαφή με τα μεταλλικά του τοιχώματα. Στην περίπτωση που ως καύσιμο χρησιμοποιείται μόνο βιομάζα περιορισμένης υγρασίας η χρήση μονωτικών πλίνθων μπορεί να αποφευχθεί. Οι μονωτικοί πλίνθοι λειτουργούν ως συσσωρευτές θερμότητας αποτρέποντας έντονες διακυμάνσεις της θερμοκρασίας μέσα στο θάλαμο καύσης που μπορούν να προκληθούν όταν η εισερχόμενη βιομάζα έχει μεγάλη περιεκτικότητα σε υγρασία. Η επανακυκλοφορία των καυσαερίων μπορεί να βελτιώσει την ανάμιξη μεταξύ των αερίων που έχουν τη δυνατότητα να καούν και του αέρα. Όμως έχει ως μειονέκτημα την αύξηση του όγκου της ροής των αερίων μέσα στο θάλαμο καύσης και στο λέβητα

36 2.6.1 Αντιδραστήρες καύσης τύπου σχάρας μεταφοράς Εικόνα 2.7: Αντιδραστήρας καύσης τύπου σχάρας μεταφοράς Η σχάρα στους συγκεκριμένους αντιδραστήρες αποτελείται από ομοιόμορφες μεταλλικές επιφάνειες οι οποίες ενώνονται μεταξύ τους σχηματίζοντας ένα ταινιόδρομο που κινείται μέσα στο θάλαμο καύσης. Τα σωματίδια βιομάζας μπορούν να εισέρθουν μέσα στον αντιδραστήρα με ατέρμονες κοχλίες οι οποίοι οδηγούν τα σωματίδια στο ένα άκρο της σχάρας. Μπορούν επίσης να εισέρθουν με τροφοδότες διασποράς (injection) όπως παρουσιάζεται και στην εικόνα 2.7. Ο τελευταίος τρόπος εισαγωγής έχει το πλεονέκτημα ότι επιτυγχάνει μία σχετικά ομοιόμορφη διασπορά της βιομάζας πάνω στη σχάρα. Το στρώμα βιομάζας που σχηματίζεται μεταφέρεται από τη σχάρα από το ένα άκρο του θαλάμου στο άλλο. Κατά τη διάρκεια της μεταφοράς της βιομάζας λαμβάνει χώρα η καύση της και στο τέλος της διαδρομής καταλήγουν οι άκαυστες ποσότητες τέφρας. Κατά την κίνηση του ταινιόδρομου από το κάτω μέρος οι μεταλλικές επιφάνειες ψύχονται από τον πρωτοβάθμιο αέρα καύσης. Με αυτόν τον τρόπο αποφεύγεται η υπερθέρμανση και η αστοχία των μεταλλικών πλακών και παράλληλα αυξάνεται η θερμοκρασία του εισαγόμενου αέρα καύσης. Η ταχύτητα κίνησης της σχάρας ρυθμίζεται ανάλογα με τα χαρακτηριστικά της βιομάζας έτσι ώστε να διασφαλίζεται η ολοκληρωμένη καύση της. Τα πλεονεκτήματα των αντιδραστήρων σχάρας μεταφοράς είναι ότι επιτυγχάνουν ομοιόμορφες συνθήκες καύσης και χαμηλές εκπομπές αιωρούμενων σωματιδίων λόγω της ομαλής μεταφοράς της βιομάζας. Επίσης η συντήρηση και η αντικατάσταση των μεταλλικών επιφανειών είναι εύκολη. Τέλος μπορεί εύκολα να ρυθμιστεί ο χρόνος που διατίθεται για την ολοκλήρωση της καύσης της βιομάζας. [8] Εικόνα 2.8: Λεπτομέρεια σχάρας μεταφοράς

37 2.6.2 Αντιδραστήρες καύσης τύπου σταθερής σχάρας με κλίση Εικόνα 2.9: Αντιδραστήρας καύσης τύπου σταθερής σχάρας με κλίση Οι αντιδραστήρες καύσης τύπου σταθερής σχάρας έχουν εφαρμοστεί στο παρελθόν σε μονάδες μικρής κλίμακας. Διακρίνονται για την απλότητα της κατασκευής τους που έχει ως αποτέλεσμα και το σχετικά χαμηλό κόστος τους. Για τη μεταφορά της βιομάζας πάνω στη σχάρα χρησιμοποιείται το σύστημα τροφοδοσίας της βιομάζας και η δύναμη της βαρύτητας μέσω της κλίσης της σχάρας. Η σχάρα είναι διάτρητη έτσι ώστε να εισέρχεται μέσω αυτής η πρωτοβάθμια ροή αέρα (Primary Air- PA). Η βιομάζα καθώς μετακινείται προς χαμηλότερα επίπεδα διέρχεται διαδοχικά από τα στάδια της ξήρανσης, της πυρόλυσης, της αεριοποίησης και της καύσης ενώ στο τέλος της σχάρας έχει μετατραπεί σε τέφρα. Όπως φαίνεται και στο παραπάνω σχήμα μπορεί να ρυθμιστεί η παροχή αέρα που θα διανέμεται σε κάθε ένα από τα παραπάνω στάδια. Από διάφορα άλλα σημεία του θαλάμου καύσης εισάγεται η δευτεροβάθμια ροή αέρα (Secondary Air SA) για την καύση των αερίων που έχουν παραχθεί από τα στάδια της πυρόλυσης και της αεριοποίησης. Μειονέκτημα αυτών των αντιδραστήρων είναι η δυσκολία επίτευξης ομαλής κίνησης της βιομάζας και ομοιόμορφης διασπορά της πάνω στη σχάρα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να καταλήγουν σημαντικές ποσότητες άκαυστης βιομάζας μαζί με την τέφρα στη έξοδο του αντιδραστήρα μειώνοντας έτσι το βαθμό απόδοσης της διάταξης. Για τους παραπάνω λόγους δε γίνεται πλέον η εγκατάστασή τους σε νέες μονάδες καύσης βιομάζας.[8] Εικόνα 2.10: Επιμέρους στάδια καύσης σε έναν αντιδραστήρα τύπου σταθερής σχάρας με κλίση

38 2.6.3 Αντιδραστήρες καύσης τύπου παλινδρομικά κινούμενης σχάρας με κλίση Εικόνα 2.8: Αντιδραστήρας καύσης τύπου παλινδρομικά κινούμενης σχάρας με κλίση Η σχάρα επιφάνεια πάνω στην οποία προωθείται η βιομάζα αποτελείται από επιμέρους μικρότερες σχάρες τοποθετημένες σε σειρές, οι οποίες βρίσκονται υπό κλίση και που έχουν τη δυνατότητα παλινδρομικής κίνησης. Καθώς οι σειρές από σχάρες μετακινούνται παλινδρομικά μπρος πίσω τα σωματίδια βιομάζας μεταφέρονται προς χαμηλότερα επίπεδα υποβοηθούμενα και από το βάρος τους λόγω κλίσης της σχάρας. Με αυτόν τον τρόπο τα σωματίδια βιομάζας αναμειγνύονται καλύτερα μεταξύ τους και γενικά επιτυγχάνεται μία πιο ομοιόμορφη κατανομή της βιομάζας σε ολόκληρη τη σχάρα πράγμα που είναι πολύ σημαντικό για την ομοιόμορφη κατανομή της πρωτοβάθμιας ροής αέρα σε όλη την κλίνη. Επίσης, οι σειρές από μεταλλικές επιφάνειες έχουν τη δυνατότητα να κινούνται με διαφορετική ταχύτητα μεταξύ τους ανάλογα με τα διαφορετικά στάδια καύσης της βιομάζας. Οι επιφάνειες είναι κατασκευασμένες από κράματα μετάλλων με μεγάλη αντοχή στις υψηλές θερμοκρασίες και είναι διάτρητες ώστε να τις διαπερνά η πρωτοβάθμια ροή αέρα. Οι συγκεκριμένοι αντιδραστήρες έχουν το πλεονέκτημα ότι μπορούν να δεχθούν πολλών ειδών βιομάζας. Οι σχάρες οι οποίες χρησιμοποιούν την πρωτοβάθμια ροή αέρα για τη ψύξη τους είναι περισσότερο κατάλληλες για είδη βιομάζας με μεγάλη περιεκτικότητα σε υγρασία. Για είδη βιομάζας με χαμηλή περιεκτικότητα σε υγρασία και χαμηλή θερμοκρασία πυροσυσσωμάτωσης της τέφρας είναι προτιμότερο οι σχάρες να ψύχονται με νερό. Ένας σημαντικός παράγοντας σε αυτές τις διατάξεις είναι ο σωστός καθορισμός της συχνότητας παλινδρομικής κίνησης των μεταλλικών επιφανειών που εξαρτάται από το είδος του καυσίμου και το μέγεθος των μεταλλικών επιφανειών ενώ παράλληλα καθορίζει το χρόνο παραμονής των σωματιδίων βιομάζας μέσα στο θάλαμο καύσης. Εάν η συχνότητα κίνησης είναι πολύ μεγάλη προκύπτουν μεγάλες συγκεντρώσεις από άκαυστα σωματίδια στο τέλος της σχάρας μαζί με τη τέφρα αλλά και λιγότερο ομοιόμορφη κατανομή της βιομάζας στη διαθέσιμη επιφάνεια της σχάρας. Προκειμένου να υπάρχει έλεγχος της συχνότητας κίνησης των μεταλλικών επιφανειών μέσα στο θάλαμο και να προσαρμόζεται ανάλογα, τοποθετούνται μέσα στο θάλαμο καύσης αισθητήρες με υπέρυθρες ακτίνες έτσι ώστε να γίνεται αντιληπτό το ύψος της κλίνης σε κάθε περιοχή. [8]

39 2.6.4 Αντιδραστήρες καύσης τύπου παλινδρομικά κινούμενης οριζόντιας σχάρας Εικόνα 2.12: Αντιδραστήρας καύσης τύπου παλινδρομικά κινούμενης οριζόντιας σχάρας Στον συγκεκριμένο αντιδραστήρα η σχάρα αποτελείται από επιμέρους μικρότερες μεταλλικές επιφάνειες οι οποίες σχηματίζουν σειρές και είναι τοποθετημένες υπό κλίση διαγώνια αλλά στο ίδιο ύψος. Καθώς οι μεταλλικές επιφάνειες κινούνται παλινδρομικά πίσω μπρος προωθούν τη βιομάζα από το σημείο εισαγωγής της προς την άκρη της σχάρας σχηματίζοντας μία οριζόντια κλίνη. Η βιομάζα προωθείται αποκλειστικά χάρη στην παλινδρομική κίνηση των μεταλλικών επιφανειών που έχει ως αποτέλεσμα τον καλύτερο έλεγχο μεταφοράς της βιομάζας σε σχέση με την προηγούμενη διάταξη όπου η κίνηση της βιομάζας δεν ελέγχεται απόλυτα. Αυτό έχει ως συνέπεια την επίτευξη μίας πολύ ομοιόμορφης κατανομής της βιομάζας σε όλη την επιφάνεια της σχάρας και την αποφυγή δημιουργίας σημείων αυξημένης θερμοκρασίας που προκαλούν το λιώσιμο τη τέφρας. Ένα ακόμη πλεονέκτημα αυτής της διάταξης είναι ότι έχει μικρότερο ύψος σε σχέση με την διάταξη της κινούμενης σχάρας υπό κλίση. [8]

40 2.6.5 Αντιδραστήρες καύσης τύπου δονούμενης σχάρας Εικόνα 2.13: Αντιδραστήρας καύσης τύπου δονούμενης σχάρας Στην εικόνα 2.13 παρουσιάζεται ένας θάλαμος καύσης τύπου δονούμενης σχάρας στον οποίο η εισαγωγή της βιομάζας γίνεται με τροφοδότες διασποράς (injection). Η πρωτοβάθμια ροή αέρα εισάγεται μαζί με το καύσιμο αλλά και από τη διάτρητη σχάρα. Η δόνηση της σχάρας μετακινεί τη βιομάζα κατά μήκος της για να καταλήξει στο χώρο συλλογής της τέφρας. Μειονεκτήματα που παρουσιάζουν οι δονούμενες σχάρες είναι οι υψηλές ποσότητες ιπτάμενης τέφρας που παράγονται λόγω της κίνησης της σχάρας, οι υψηλές εκπομπές σε CO λόγω των περιοδικών διαταραχών της κλίνης και οι υψηλές ποσότητες άκαυστων σωματιδίων που καταλήγουν στη έξοδο της σχάρας μαζί με τη τέφρα καθώς δε μπορεί να επιτευχθεί καλός έλεγχος της μεταφοράς της βιομάζας. Από την άλλη όμως η δόνηση της σχάρας αποτρέπει τη πυροσυσσωμάτωση της τέφρας κάνοντας τη συγκεκριμένη μέθοδο κατάλληλη για καύσιμα με χαμηλό σημείο τήξης της τέφρας. Γενικά, μία διάταξη δονούμενης σχάρας έχει μικρό κόστος συντήρησης. Στην εικόνα 2.14 παρουσιάζεται μία δονούμενη σχάρα της εταιρίας Β&W Volund. Η συγκεκριμένη σχάρα είναι υδρόψυκτη και αποτελείται από τέσσερεις ανεξάρτητα δονούμενες μεταλλικές επιφάνειες (πάνελ) οι οποίες είναι τοποθετημένες με κλίση 6 ο με το οριζόντιο επίπεδο. Κάθε μία μεταλλική επιφάνεια στηρίζεται πάνω σε αναρτήσεις ενώ δονείται μέσω ενός διωστήρα που συνδέεται με μία μηχανή δόνησης από το πίσω μέρος της. Οι μεταλλικές επιφάνειες πάνελ δονούνται με αντίθετες φορές έτσι ώστε να αλληλοεξουδετερώνονται οι εξωτερικές δυνάμεις. Γι αυτό το λόγο η σχάρα μπορεί να αποτελείται από 2 ή 4 ξεχωριστά πάνελ. Επίσης, υπάρχει η δυνατότητα ρύθμισης της συχνότητας δόνησης. Παρουσιάζει μεγάλη ευελιξία ως προς τα είδη βιομάζας που μπορεί να δεχθεί ενώ μπορεί να αποδώσει θερμότητα έως και 2,5 MW th /m 2. Η πρωτοβάθμια ροή αέρα εισέρχεται από το κάτω μέρος της διάτρητης σχάρας. [8] Εικόνα 2.14: Αντιδραστήρας καύσης τύπου δονούμενης σχάρας της εταιρίας B&W Volund

41 2.6.6 Αντιδραστήρες καύσης τύπου τσιγάρου Εικόνα 2.15: Αντιδραστήρας καύσης τύπου τσιγάρου Οι συγκεκριμένοι αντιδραστήρες καύσης έχουν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για την καύση βιομάζας χαμηλής πυκνότητας όπως άχυρο ή σιτηρά. Ποσότητες βιομάζας αφού μορφοποιηθούν σε δέματα τοποθετούνται σε ένα διάδρομο τροφοδοσίας και στη συνέχεια προωθούνται με ένα πιστόνι προς το θάλαμο καύσης. Καθώς η βιομάζα εισέρχεται μέσα στο θάλαμο καύσης αρχικά εκλύονται διάφορα αέρια και στη συνέχεια αναφλέγεται. Όπως παρουσιάζεται και στην εικόνα 2.15 κάτω από το σύστημα εισαγωγής της βιομάζας βρίσκεται τοποθετημένη μία υδρόψυκτη κινούμενη σχάρα με κλίση. Πάνω στη σχάρα πέφτουν σωματίδια βιομάζας και ολοκληρώνουν εκεί την καύση τους καθώς προωθούνται λόγω της κίνησης των επιμέρους μεταλλικών επιφανειών της σχάρας. Η σχάρα είναι διάτρητη έτσι ώστε να εισέρχεται ο απαραίτητος αέρας καύσης. Όσο αναφορά περιπτώσεις καυσίμων όπως άχυρο ή σιτηρά θα πρέπει να δίνεται ιδιαίτερη βαρύτητα στον έλεγχο της θερμοκρασίας της σχάρας και του θαλάμου καύσης γενικότερα διότι ως καύσιμα χαρακτηρίζονται από χαμηλή θερμοκρασία τήξης της τέφρας τους ενώ παράλληλα αναπτύσσονται υψηλές θερμοκρασίες κατά την καύση τους λόγω της χαμηλής τους περιεκτικότητας σε υγρασία. Για τους παραπάνω λόγους ο θάλαμος καύσης πρέπει να ψύχεται είτε με κυκλοφορία νερού μέσα στα πλαϊνά του τοιχώματα είτε με επανακυκλοφορία καυσαερίων (είτε με συνδυασμό και των δύο τεχνικών) έτσι ώστε η θερμοκρασία του θαλάμου καύσης να μην ξεπερνά τους 900 ο C. Επίσης κατά την καύση των παραπάνω καυσίμων παράγονται πολύ μικρά και πολύ ελαφριά αιωρούμενα σωματίδια λόγω συμπύκνωσης ατμών αλκαλίων. Οπότε είναι απαραίτητο να υπάρχει ένα αυτόματο σύστημα καθαρισμού των μεταλλικών επιφανειών των εναλλακτών θερμότητας. Οι αντιδραστήρες καύσης τύπου τσιγάρου διακρίνονται από τη συνεχή παροχή καυσίμου μέσα στο θάλαμο καύσης που έχει ως αποτέλεσμα να διατηρούνται σταθερές οι συνθήκες καύσης. Συστήματα που εισάγουν ολόκληρα δέματα βιομάζας κατά περιόδους μέσα στο θάλαμο καύσης δε συνιστώνται διότι έτσι προκαλείται απότομη αύξηση της θερμοκρασίας και των εκπομπών CO κάθε φορά που εισάγονται νέες ποσότητες βιομάζας.[8]

42 2.6.7 Αντιδραστήρες καύσης τύπου περιστρεφόμενης κωνικής σχάρας Εικόνα 2.16: Αντιδραστήρας καύσης τύπου περιστρεφόμενης κωνικής σχάρας A B C Σύστημα τροφοδοσίας 1 ος Θάλαμος καύσης 2 ος Θάλαμος καύσης D E F G Λέβητας Σύστημα καθαρισμού καυσαερίων Σύστημα απομάκρυνσης τέφρας Καμινάδα Η κωνική σχάρα του παραπάνω αντιδραστήρα σχηματίζεται από επιμέρους κωνικές μεταλλικές επιφάνειες οι οποίες περιστρέφονται με αντίθετη φορά η κάθε σειρά σε σχέση με την προηγούμενή της. Οι κωνικές επιφάνειες είναι διάτρητες έτσι ώστε να τις διαπερνά η πρωτοβάθμια ροή αέρα καύσης. Η βιομάζα προωθείται από το κάτω μέρος της σχάρας στην κορυφή της κωνικής σχάρας με τη βοήθεια ενός ατέρμονα κοχλία οπότε είναι απαραίτητο οι διαστάσεις των σωματιδίων βιομάζας να είναι μικρότερες από 50 mm. Καθώς η ροή της βιομάζας είναι συνεχής τα σωματίδια βιομάζας στη συνέχεια μετακινούνται από την κορυφή της κωνικής σχάρας προς τη βάση της. Η περιστροφή των κωνικών επιφανειών με διαδοχικά αντίθετες φορές εξασφαλίζει την ομοιόμορφη κατανομή της βιομάζας σε όλη την εξωτερική επιφάνεια της κωνικής σχάρας. Αυτού του είδους οι σχάρες είναι κατάλληλες για καύση βιομάζας με υψηλά ποσοστά υγρασίας, έως και 65 %. Τα αέρια που έχουν τη δυνατότητα να καούν και που διαφεύγουν από την κωνική σχάρα, καίγονται σε ένα δεύτερο θάλαμο καύσης όπου και εισάγεται ο δευτερεύων αέρας καύσης. Ο δεύτερος θάλαμος καύσης μπορεί να είναι οριζόντιος ( όπως στο σχήμα ) αλά και κάθετος. Ο οριζόντιος δευτερεύων θάλαμος καύσης χρησιμοποιείται σε μεγαλύτερες διατάξεις όταν επιδιώκεται η παραγωγή θερμού νερού ή ατμού ενώ ο κάθετος σε μικρότερες διατάξεις όταν επιδιώκεται μόνο η παραγωγή θερμού νερού. Οι συγκεκριμένοι αντιδραστήρες καύσης που αναπτύχθηκαν για πρώτη φορά στη Φιλανδία, είναι ικανοί να δεχθούν ως καύσιμο μείγμα ξυλώδους βιομάζας και βιολογικής ιλύος. Τέλος έχουν τη δυνατότητα πλήρους αυτοματοποιημένης λειτουργίας μειώνοντας έτσι το αντίστοιχο κόστος λειτουργίας. [8]

43 2.6.8 Αντιδραστήρες καύσης τύπου περιστρεφόμενου κώνου 1 Σύστημα τροφοδοσίας 2 Περιστρεφόμενη κωνική σχάρα 3 Βάση του κώνου 4 Πρωτοβάθμια ροή αέρα 5 Έλεγχος ροής 6 Έξοδος τέφρας 7 Σύστημα προώθησης τέφρας 8 Ζώνη καύσης 9 Δευτεροβάθμια ροή αέρα Εικόνα 2.17: Αντιδραστήρας καύσης τύπου περιστρεφόμενου κώνου Οι συγκεκριμένοι αντιδραστήρες αναπτύχθηκαν για πρώτη φορά στη Γερμανία και αποτελούνται από μία αργά περιστρεφόμενη ανεστραμμένη κωνική σχάρα. Ο σχεδιασμός και η περιστροφή κίνηση του αντιδραστήρα επιτρέπουν μία αποτελεσματική μίξη και μία γρήγορη ανάφλεξη των σωματιδίων βιομάζας ενώ επίσης παρέχουν μεγάλη ευελιξία ως προς το μέγεθος των σωματιδίων και το περιεχόμενό τους σε υγρασία που μπορούν να εισέρθουν στον αντιδραστήρα. Μέχρι στιγμής έχουν χρησιμοποιηθεί κυρίως για την καύση ξυλώδους βιομάζας υπολειμματικής μορφής και η παροχή τους σε βιομάζα κυμαίνεται μεταξύ 0,4 και 50 MW th. Τα σωματίδια βιομάζας ρίχνονται από πάνω χρησιμοποιώντας ένα αεροστεγές σύστημα τροφοδοσίας δύο σταδίων. Ο πρωτοβάθμιος αέρας καύσης μεταφέρεται στο εσωτερικό του αντιδραστήρα μέσω μεταλλικών σωλήνων και η ροή του επιτρέπεται μόνο στις περιοχές της σχάρας που καλύπτονται με βιομάζα. Λόγω της πολύς καλής μίξης των σωματιδίων βιομάζας εισάγονται περιορισμένες ποσότητες πρωτοβάθμιου αέρα καύσης. Η αναλογία του πρωτοβάθμιου αέρα καύσης ως προς το στοιχειομετρικά απαιτούμενο κυμαίνεται μεταξύ λ = 0,3 έως λ = 0,6. Με αυτόν τον τρόπο έχουμε μειωμένες θερμοκρασίες καύσης επιτρέποντας με αυτόν τον τρόπο τη χρήση καυσίμων των οποίων η τέφρα λιώνει σε χαμηλές θερμοκρασίες. Σε αυτούς τους αντιδραστήρες η αεριοποίηση της βιομάζας λαμβάνει χώρα σε θερμοκρασίες χαμηλότερες των 800 ο C. Η δευτεροβάθμια ροή αέρα εισάγεται εφαπτομενικά και με μεγάλη ταχύτητα μέσα στον κυλινδρικό 2 ο θάλαμο καύσης που βρίσκεται πάνω από τον περιστρεφόμενο κώνο, προκαλώντας έτσι μία περιστροφική κίνηση των αερίων μαζών που έχει ως αποτέλεσμα την πολύ καλή ανάμειξή τους και τον αποτελεσματικό διαχωρισμό των αιωρούμενων σωματιδίων τέφρας από την ροή των αερίων. Τα τοιχώματα του αντιδραστήρα είναι μεταλλικά και υδρόψυκτα έτσι ώστε να εξασφαλίζεται επαρκής έλεγχος της θερμοκρασίας στις ζώνες καύσης και να αποτρέπεται η πυροσυσσωμάτωση της τέφρας. [8]

44 Ο συνολικός λόγος παρεχόμενου αέρα προς το στοιχειομετρικά απαιτούμενο για την ολοκλήρωση της καύσης κυμαίνεται μεταξύ λ = 1,2 και λ = 1,4. Αυτές οι τιμές είναι σχετικά χαμηλές για αντιδραστήρες καύσης σταθερής κλίνης ενώ γενικότερα μικρές τιμές του λ εξασφαλίζουν υψηλό βαθμό απόδοσης της καύσης.τα κυριότερα μειονεκτήματα του αντιδραστήρα καύσης βιομάζας περιστρεφόμενου κώνου είναι : Η έλλειψη εμπειρίας πάνω στη συμπεριφορά του αντιδραστήρα (φθορά σχάρας, φθορά θαλάμου καύσης και γενικότερη απόδοση) από τη χρήση διαφορετικών ειδών βιομάζας σε διαφορετικά φορτία. Η ανάγκη ύπαρξης βοηθητικού συστήματος έναυσης για την εκκίνηση του αντιδραστήρα λόγω των υδρόψυκτων τοιχωμάτων του αντιδραστήρα Η ανάγκη περιοδικής διακοπής του αντιδραστήρα για την απομάκρυνση σωματιδίων τέφρας μεγάλων διαστάσεων που συσσωρεύονται στη βάση του κώνου. Αυτή η απομάκρυνση των σωματιδίων γίνεται αυτόματα από έναν εγκατεστημένο ρομποτικό μηχανισμό. Η συχνότητα με την οποία διακόπτεται η λειτουργία του αντιδραστήρα εξαρτάται από την περιεκτικότητα της βιομάζας σε ανόργανες προσμίξεις

45 2.6.9 Αντιδραστήρες καύσης τύπου ακίνητης κωνικής σχάρας (underfeed stoker) Εικόνα 2.18: Αντιδραστήρας καύσης τύπου ακίνητης κωνικής σχάρας Στους συγκεκριμένους αντιδραστήρες η τροφοδοσία της καύσιμης βιομάζας και της πρωτοβάθμιας ροής αέρα γίνεται από το κάτω μέρος της κωνικής σχάρας. Η βιομάζα μέσω ενός ατέρμονα κοχλία ή ενός εμβόλου προωθείται στον πυθμένα μίας χοάνης. Εκεί καθώς συσσωρεύεται η βιομάζα, τα χαμηλότερα στρώματα πιέζουν τα υψηλότερα με αποτέλεσμα τα σωματίδια βιομάζας να ωθούνται προς την κορυφή της σωρού που σχηματίζεται και στη συνέχεια να απλώνονται πάνω στην κωνική σχάρα. Όπως παρουσιάζεται και στο σχήμα 2.18 η πρωτοβάθμια ροή αέρα εισάγεται στο θάλαμο καύσης διαμέσου της διάτρητης σχάρας αλλά ένα μέρος της εισέρχεται και στο εσωτερικό της χοάνης ( στα υψηλότερα επίπεδά της ). Με αυτόν τον τρόπο εισαγωγής της βιομάζας και του αέρα καύσης τα σωματίδια βιομάζας μέχρι να βγουν στην επιφάνεια έχουν χάσει σημαντικό μέρος της υγρασίας τους ενώ στη συνέχεια καθώς εκτίθενται σε ένα θερμό περιβάλλον, παρουσία αέρα αναφλέγονται. Καθώς τα σωματίδια βιομάζας παρασύρονται και μετακινούνται πάνω στη σχάρα ολοκληρώνεται η καύση τους και μετατρέπονται σε ποσότητες τέφρας όπου τελικά πέφτουν από ανοίγματα που υπάρχουν στη σχάρα και παγιδεύονται σε χώρο με σχήμα δακτυλίου που περιβάλει την κωνική σχάρα. Τα καυσαέρια και όλα τα πτητικά αέρια που παράγονται στον πρώτο θάλαμο καύσης διέρχονται από ένα δεύτερο θάλαμο καύσης στον οποίο εισέρχεται ο δευτεροβάθμιος αέρας καύσης και ένα ποσοστό τους καίγεται. Στην εικόνα 2.19 παρουσιάζεται ένας οριζόντιος, κυλινδρικός δευτεροβάθμιος θάλαμος καύσης όπου επιτυγχάνεται μία περιστροφική κίνηση του δευτεροβάθμιου αέρα καύσης και των καυσαερίων - πτητικών για την καλύτερη ανάμειξή τους και την πιο αποτελεσματική καύση τους. Αυτό επιτυγχάνεται διότι ο δευτεροβάθμιος αέρας καύσης προωθείται μέσα στον κυλινδρικό θάλαμο καύσης μέσω ενός κατάλληλα σχεδιασμένου φυσητήρα

46 Εικόνα 2.19: Οριζόντιος, κυλινδρικός δευτεροβάθμιος θάλαμος καύσης Γενικά αυτού του τύπου οι αντιδραστήρες καύσης είναι λειτουργικά αξιόπιστοι και σχετικά φθηνοί στην κατασκευή τους ενώ μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μικρές και μεσαίες εγκαταστάσεις παράγοντας έως και 6 MW th. Είναι κατάλληλοι μόνο για είδη βιομάζας με χαμηλή περιεκτικότητα σε τέφρα και υψηλή θερμοκρασία τήξης της τέφρας ώστε να αποφεύγεται η κάλυψη περιοχών της κλίνης με σωματίδια τέφρας που έχουν πυροσυσσωματωθεί ή λιώσει και προκαλούν μη σταθερές συνθήκες καύσης. Επίσης το μέγεθος των σωματιδίων βιομάζας που χρησιμοποιείται πρέπει να μη ξεπερνά τα 50 mm ενώ το ποσοστό της περιεχόμενης υγρασίας τους πρέπει να είναι μικρότερο από 40 %. Είδη βιομάζας όπως τσιπς ξύλου, πριονίδι, πέλλετ, είναι κατάλληλοι για αυτούς τους αντιδραστήρες ενώ είδη βιομάζας όπως φλοιοί, άχυρο, σιτηρά είναι ακατάλληλοι λόγω αυξημένης περιεκτικότητάς τους σε τέφρα. Ένα σημαντικό πλεονέκτημα των συγκεκριμένων αντιδραστήρων είναι η καλή προσαρμοστικότητα που έχουν στις διακυμάνσεις του φορτίου. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι στο συγκεκριμένο αντιδραστήρα η παροχή καύσιμης βιομάζας μπορεί να μεταβληθεί εύκολα και γρήγορα. [8]

47 2.7 Αντιδραστήρες καύσης ρευστοποιημένης κλίνης Γενικά Συστήματα καύσης που κάνουν χρήση αντιδραστήρα ρευστοποιημένης κλίνης εφαρμόζονται από το Μέχρι σήμερα έχουν γίνει εκατοντάδες βιομηχανικές εφαρμογές αυτής της τεχνολογίας η οποία διακρίνεται στους αντιδραστήρες αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης (BFB) και στους αντιδραστήρες κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης (CFB). Γενικά, μία ρευστοποιημένη κλίνη αποτελείται από έναν κυλινδρικό αντιδραστήρα μέσα στον οποίο υπάρχουν σωματίδια του μέσου πλήρωσης και σωματίδια βιομάζας σε μία ρευστοποιημένη κατάσταση. Η ρευστοποίηση της κλίνης επιτυγχάνεται τροφοδοτώντας τον αντιδραστήρα από τη βάση του, διαμέσου ενός διανομέα, με το μέσο ρευστοποίησης που είναι ταυτόχρονα και η πρωτοβάθμια ροή αέρα καύσης. Το μέσο πλήρωσης αποτελεί το 90 % με 98 % του βάρους των σωματιδίων που ρευστοποιούνται μέσα στον αντιδραστήρα. Το υπόλοιπο ποσοστό είναι τα σωματίδια καύσιμης βιομάζας. Οι υψηλοί ρυθμοί μετάδοσης θερμότητας και η πολύ καλή ανάμειξη των σωματιδίων που επιτυγχάνεται μέσα σε μία ρευστοποιημένη κλίνη παρέχουν πολύ καλές συνθήκες για την ολοκληρωμένη καύση των σωματιδίων βιομάζας πράγμα που έχει σημαντική επίπτωση στη διατήρηση του λόγου (λ) εισερχόμενος αέρας / στοιχειομετρικά απαιτούμενος για την ολοκλήρωση της καύσης αέρας, σε χαμηλές τιμές όπως παρουσιάζεται και στον πίνακα 2.4 : Πίνακας 2.4: Λόγος αέρα καύσης (λ) για αντιδραστήρες τύπου ρευστοποιημένης κλίνης Είδος αντιδραστήρα λ BFB 1,3 1,4 CFB 1,1 1,2 Η θερμοκρασία καύσης στις ρευστοποιημένες κλίνες διατηρείται σε σχετικά χαμηλά επίπεδα, συνήθως μεταξύ 800 ο C 900 ο C έτσι ώστε να αποτρέπεται η πυροσυσσωμάτωση των σωματιδίων τέφρας μέσα στην κλίνη. Ο έλεγχος της θερμοκρασίας μέσα στην ρευστοποιημένη κλίνη γίνεται με εναλλάκτες θερμότητας που τοποθετούνται μέσα στην κλίνη, με επανακυκλοφορία των καυσαερίων, ή με έγχυση νερού. Γενικά οι θερμοκρασίες καύσης στους αντιδραστήρες ρευστοποιημένης κλίνης είναι 100 ο C 200 ο C χαμηλότερες από τις θερμοκρασίες καύσης που έχουμε στους αντιδραστήρες τύπου σταθερής κλίνης. Λόγω της καλής ανάμειξης των σωματιδίων που επιτυγχάνεται οι ρευστοποιημένες κλίνες έχουν τη δυνατότητα να δεχθούν ως καύσιμο, μείγμα διαφορετικών ειδών βιομάζας (όπως π.χ μείγμα ξυλώδους βιομάζας με άχυρο). Εισάγουν όμως σημαντικούς περιορισμούς όσο αναφορά το μέγεθος των σωματιδίων βιομάζας που μπορούν να δεχθούν όπως παρουσιάζεται και στον παρακάτω πίνακα. Επίσης, οι ρευστοποιημένες κλίνες χαρακτηρίζονται από σχετική αδυναμία προσαρμογής τους σε μερικό φορτίο λειτουργίας λόγω ανάγκης ρευστοποίησης της κλίνης ( η παροχή του μέσου ρευστοποίησης δε μπορεί να μειωθεί κάτω από ένα συγκεκριμένο όριο). Πίνακας 2.5: Αποδεχόμενο μέγεθος σωματιδίων βιομάζας για αντιδραστήρες τύπου ρευστοποιημένης κλίνης Είδος αντιδραστήρα BFB CFB Αποδεχόμενο μέγεθος σωματιδίων βιομάζας <80 mm <40 mm

48 Οι αντιδραστήρες καύσης τύπου ρευστοποιημένης κλίνης χρειάζονται μεγάλο χρονικό διάστημα από τη στιγμή της εκκίνησής τους μέχρι να φθάσουν στο σημείο σταθερής λειτουργίας τους ( πχ 15 ώρες ). Σε αυτό το διάστημα της εκκίνησης χρησιμοποιούνται παράλληλα, βοηθητικά συστήματα καύσης που χρησιμοποιούν πετρέλαιο ή φυσικό αέριο προκειμένου η θερμοκρασία της ρευστοποιημένης κλίνης να βρίσκεται στα επιθυμητά επίπεδα. Όσο αναφορά τις εκπομπές των καυσαερίων μπορούν να επιτευχθούν χαμηλές εκπομπές σε NO X λόγω των καλών συνθηκών καύσης που επιτυγχάνονται. Επίσης λόγω της καλής ανάμειξης των σωματιδίων μπορούν να χρησιμοποιηθούν με μεγάλη αποτελεσματικότητα πρόσθετα σωματίδια υλικών που μπορούν να περιορίσουν τις εκπομπές όπως σωματίδια ασβεστόλιθου για την κατακράτηση των ποσοτήτων θείου. Η μικρή απαίτηση σε περίσσεια αέρα που έχουν οι αντιδραστήρες ρευστοποιημένης κλίνης έχει ως αποτέλεσμα την αυξημένη απόδοσης της καύσης και τη μειωμένη ροή όγκου των καυσαερίων. Γενικά οι αντιδραστήρες ρευστοποιημένης κλίνης εφαρμόζονται σε μεγάλες μονάδες καύσης με θερμική ισχύ εξόδου πάνω από 30 MW th. Σε μικρότερες εφαρμογές το αρχικό κόστος επένδυσης και στη συνέχεια το κόστος λειτουργίας των αντιδραστήρων ρευστοποιημένης κλίνης είναι μεγαλύτερο από τα αντίστοιχα κόστη των αντιδραστήρων σταθερής κλίνη. Ένα μειονέκτημα των αντιδραστήρων ρευστοποιημένης κλίνης είναι το γεγονός ότι παρασύρονται ποσότητες σωματιδίων του μέσου πλήρωσης από τη ροή των καυσαερίων γεγονός που αυξάνει τις απαιτήσεις για αποτελεσματικές διατάξεις διαχωρισμού και κατακράτησης των στερεών σωματιδίων που έχουν παρασυρθεί. Γίνεται λοιπόν απαραίτητη η περιοδική πρόσθεση νέων ποσοτήτων του μέσου πλήρωσης προς αντικατάσταση αυτών που έχουν διαφύγει του αντιδραστήρα

49 2.7.1 Αντιδραστήρες καύσης τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης (BFB) Εικόνα 2.20: Αντιδραστήρας καύσης τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης Οι αντιδραστήρες αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης εφαρμόζονται σε μονάδες καύσης με θερμική ισχύ εξόδου πάνω από 20 MW th. Το μέσο πλήρωσης που συνήθως είναι άμμος πυριτίου με μέση διάμετρο κόκκων 1 mm καταλαμβάνει τα χαμηλότερα τμήματα του αντιδραστήρα. Η πρωτοβάθμια ροή αέρα εισέρχεται μέσω ενός διανομέα από τη βάση του αντιδραστήρα με ταχύτητα που κυμαίνεται μεταξύ 1 m/sec 2,5 m/sec και ρευστοποιεί την κλίνη. Η δευτεροβάθμια ροή αέρα εισάγεται από διάφορα οριζοντίως διατεταγμένα ακροφύσια που είναι τοποθετημένα σε υψηλότερα επίπεδα της ρευστοποιημένης κλίνης. Η εισαγωγή του αέρα καύσης από διαφορετικά επίπεδα της ρευστοποιημένης κλίνης διασφαλίζει μειωμένες εκπομπές σε NO x. Όταν οι αντιδραστήρες αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης τροφοδοτούνται με λιγνίτη τότε το καύσιμο προωθείται πάνω στη ρευστοποιημένη κλίνη ενώ όταν ως καύσιμο έχουμε σωματίδια βιομάζας τότε το καύσιμο προωθείται στο εσωτερικό της ρευστοποιημένης κλίνης. Η διαφορά αυτή οφείλεται στη μεγαλύτερη αντιδραστικότητα που παρουσιάζει η βιομάζα σε σχέση με το λιγνίτη. Η καύσιμη βιομάζα που εισέρχεται μέσα στον αντιδραστήρα αποτελεί το 1 % - 2 % της ρευστοποιημένης κλίνης. Ο έλεγχος της θερμοκρασίας στο εσωτερικό του αντιδραστήρα γίνεται με εσωτερικούς εναλλάκτες θερμότητας, όπως φαίνεται και στο σχήμα. Το σημαντικότερο πλεονέκτημα αυτών των αντιδραστήρων είναι η ευελιξία τους όσο αναφορά το μέγεθος των σωματιδίων που μπορούν να δεχθούν και την περιεχόμενη υγρασία τους. Ακόμη, είναι δυνατό να χρησιμοποιηθούν μείγματα διαφορετικών ειδών βιομάζας. Στους παλαιότερους αντιδραστήρες υπήρχε δυσκολία προσαρμογής τους σε λειτουργία με μερικό φορτίο. Αυτό το πρόβλημα έχει λυθεί σε πιο σύγχρονες κατασκευές οι οποίες διαιρούν την κλίνη σε επιμέρους τμήματα τα οποία ρευστοποιούνται αναλόγως το φορτίο. [8]

50 2.7.2 Αντιδραστήρες καύσης τύπου κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης (CFB) Εικόνα 2.21: Αντιδραστήρας καύσης τύπου κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης Στους αντιδραστήρες καύσης κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης η ταχύτητα του μέσου ρευστοποίησης κυμαίνεται από 5 m/sec 10 m/sec ενώ τα σωματίδια του μέσου πλήρωσης έχουν μέση διάμετρο που κυμαίνεται μεταξύ 0,2 mm 0,4 mm. Έτσι λοιπόν με αυξημένες ταχύτητες του μέσου ρευστοποίησης και μειωμένο μέγεθος σωματιδίων επιτυγχάνεται η μεταφορά των σωματιδίων μέσω της ροής των καυσαερίων εκτός του αντιδραστήρα καύσης. Μετά την έξοδό τους η ροή των καυσαερίων οδηγείται σε ένα διαχωριστή σωματιδίων τύπου κυκλώνα (ή σε άλλες περιπτώσεις τύπου ροής U). Εκεί τα σωματίδια του μέσου πλήρωσης λόγω μεγαλύτερου βάρους χάνουν ύψος και οδηγούνται πάλι πίσω στο θάλαμο καύσης. Τα σωματίδια τέφρας όμως παρασύρονται από τα θερμά καυσαέρια και οδηγούνται στις διατάξεις επεξεργασίας των καυσαερίων που ακολουθούν. Παρόλα αυτά όμως ορισμένες ποσότητες τέφρας καταλήγουν μέσα στην κλίνη όπου και συσσωρεύονται. Γι αυτό το λόγο είναι απαραίτητη μία διάταξη απομάκρυνσης της τέφρας από την κλίνη όπως φαίνεται και στην παραπάνω απεικόνιση (Ash Classifier). Η θερμοκρασία της ρευστοποιημένης κλίνης κυμαίνεται μεταξύ 800 ο C 900 ο C και ελέγχεται εύκολα μέσω υδρόψυκτων τοιχωμάτων του θαλάμου καύσης όπως στη συγκεκριμένη περίπτωση που απεικονίζεται ή μέσω εξωτερικών εναλλακτών θερμότητας που ψύχουν την κυκλοφορούσα άμμο κατά την επιστροφή της στον αντιδραστήρα. Ο μεγαλύτερος στροβιλισμός που επιτυγχάνεται σε αντιδραστήρες CFB οδηγεί σε ομοιόμορφη κατανομή θερμοκρασίας μέσα στην κλίνη και πιο έντονη εναλλαγή θερμότητας μεταξύ της βιομάζας και του μέσου πλήρωσης επιτυγχάνοντας έτσι έναν αυξημένο βαθμό απόδοσης καύσης. Προκειμένου να επιτευχθούν σταθερές συνθήκες καύσης εκτός από τη

51 πρωτοβάθμια ροή αέρα που εισάγεται από τη βάση του αντιδραστήρα εισάγεται και μία δευτεροβάθμια ροή αέρα από υψηλότερα σημεία του αντιδραστήρα. Εν συγκρίσει με έναν αντιδραστήρα BFB ίδιας παραγόμενης θερμικής ισχύος ένας αντιδραστήρες CFB έχει σαφώς μικρότερη διάμετρο ( κατά 50 % μειωμένη) όμως καταλαμβάνει περισσότερο χώρο και είναι γενικά ακριβότερος στην κατασκευή του. Επίσης η ροή των καυσαερίων ενός αντιδραστήρα CFB είναι περισσότερο επιβαρυμένη με σωματίδια υλικού πλήρωσης και τέφρας που έχουν παρασυρθεί και επομένως αυξάνουν οι απαιτήσεις στις διατάξεις επεξεργασίας των καυσαερίων. Αυξημένες απαιτήσεις υπάρχουν επίσης και στις διατάξεις ετοιμασίας των σωματιδίων καύσιμης βιομάζας καθώς η διάμετρός τους πρέπει να είναι μικρότερη από 40 mm. Γενικά, οι αντιδραστήρες CFB είναι κατάλληλοι για διατάξεις με θερμική ισχύ εξόδου άνω των 30 MW th. [8]

52 2.8 Αντιδραστήρες καύσης εξαναγκασμένης ροής Αντιδραστήρες καύσης τύπου στροβιλισμού (vortex burners) 1 Πρωτοβάθμια ροή αέρα 2 Τροφοδοσία καυσίμου 3 Καύση μέρους της βιομάζας 4 Επανακυκλοφορία των καυσαερίων 5 Συγκέντρωση τέφρας 6 Δευτεροβάθμια ροή αέρα 7 Τριτοβάθμια ροή αέρα 8 Λέβητας παραγωγής ατμού Εικόνα 2.22: Αντιδραστήρας καύσης τύπου στροβιλισμού Στους αντιδραστήρες εξαναγκασμένης ροής τύπου στροβιλισμού, πολύ μικρά σωματίδια βιομάζας όπως π.χ. πριονίδι, εισάγονται με πνευματικά συστήματα (injection) μέσα στο θάλαμο καύσης. Η πρωτοβάθμια ροή αέρα καύσης είναι ταυτόχρονα και το μέσο μεταφοράς της βιομάζας. Για την εκκίνηση του αντιδραστήρα είναι απαραίτητος ένας βοηθητικός καυστήρας (που στη σχηματική απεικόνιση, εικόνα 2.22 φαίνεται αριστερά του θαλάμου καύσης) που ως καύσιμο μπορεί να χρησιμοποιεί φυσικό αέριο ή πετρέλαιο. Όταν η θερμοκρασία μέσα στο θάλαμο καύσης φθάσει στην επιθυμητή τιμή, ξεκινά η τροφοδοσία της καύσιμης βιομάζας και η λειτουργία του βοηθητικού καυστήρα σταματά. Τα χαρακτηριστικά των σωματιδίων βιομάζας που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε αυτούς τους αντιδραστήρες πρέπει να μην έχουν μεγάλες αποκλίσεις. Το μέγεθος των σωματιδίων πρέπει να είναι μικρότερο από 20 mm και η περιεκτικότητά τους σε υγρασία δεν πρέπει να ξεπερνά το 20 % κ.β. Το σύστημα τροφοδοσίας ενός τέτοιου αντιδραστήρα είναι το πιο σημαντικό στοιχείο του. Το μείγμα αέρα καυσίμου εισάγεται με έγχυση εφαπτομενικά στον κυλινδρικό θάλαμο καύσης ακολουθώντας μία περιστροφική ελικοειδή τροχιά. Στον αντιδραστήρα που απεικονίζεται, στο πρώτο θάλαμο καύσης επανεισάγεται μέρος των

53 καυσαερίων έτσι ώστε να ενισχυθεί η περιστροφική κίνηση των αερίων σωματιδίων. Λόγω των υψηλών θερμοκρασιών καύσης που αναπτύσσονται και της έντονης μετάδοσης θερμότητας που προκαλείται είναι απαραίτητο να υπάρχει κάποιο σύστημα ψύξης της εξωτερικής επιφάνειας των τοιχωμάτων του θαλάμου καύσης. Στην εικόνα 2.22 παρατηρούμε ότι στην έξοδο του πρώτου θαλάμου καύσης σχηματίζεται μία στένωση όπου και εισάγεται η δευτεροβάθμια ροή αέρα καύσης προκειμένου να επιτευχθεί μία καλή ανάμειξη. Μετά τον πρώτο θάλαμο καύσης ακολουθεί ένας δεύτερος, μεγαλύτερος θάλαμος καύσης στον οποίο εισάγεται η τριτοβάθμια ροή αέρα καύσης. Λόγω της μεγάλης ταχύτητας των καυσαερίων η τέφρα παρασύρεται και μόνο ένα ποσοστό αυτής τελικά καταλήγει στο σύστημα συγκέντρωσης τέφρας που υπάρχει στη βάση του δεύτερου θαλάμου καύσης. Η περίσσεια αέρα που απαιτούν είναι σχετικά μικρή και κυμαίνεται από λ = 1,3 έως λ = 1,5. Επίσης λόγω της εισαγωγής του αέρα καύσης από 3 διαφορετικά επίπεδα κατά μήκος του αντιδραστήρα (air staging), επιτυγχάνονται μικρές εκπομπές σε NO x. Γενικά αυτοί οι αντιδραστήρες μπορούν να προσαρμοστούν σχετικά εύκολα σε μεταβολές του φορτίου τους. Έχουν εφαρμοστεί σε διατάξεις με παραγόμενη θερμική ισχύ από 2 MW th έως 8 MW th.. [8]

54 2.8.2 Αντιδραστήρες καύσης τύπου κυκλώνα Εικόνα 2.23: Αντιδραστήρας καύσης τύπου κυκλώνα Στην εικόνα 2.23 παρουσιάζεται ένας αντιδραστήρας καύσης μικρόκοκκων σωματιδίων βιομάζας τύπου κυκλώνα. Τα σωματίδια βιομάζας και η πρωτοβάθμια ροή αέρα εισέρχονται με έγχυση εφαπτομενικά στον πρώτο αντιδραστήρα καύσης που έχει τη μορφή ενός κυκλώνα. Τα σωματίδια βιομάζας καθώς καίγονται ακολουθούν μία ελικοειδή τροχιά και στο τέλος τα σωματίδια τέφρας που προκύπτουν απορρίπτονται από το κάτω μέρος του κυκλώνα. Τα καυσαέρια που παράγονται οδηγούνται σε ένα δεύτερο κυλινδρικό θάλαμο καύσης. Εκεί εισάγεται η δευτεροβάθμια ροή αέρα και πραγματοποιείται η καύση των αερίων συστατικών που μπορούν να καούν. Ένα μειονέκτημα των αντιδραστήρων τύπου κυκλώνα αλλά και των αντιδραστήρων στροβιλισμού είναι η έντονη θερμική καταπόνηση των τοιχωμάτων των πρώτων θαλάμων καύσης που οφείλεται στην ελικοειδή τροχιά της ροής των φλεγόμενων σωματιδίων βιομάζας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την ανάγκη περιοδικής αντικατάστασης των μονωτικών πλίνθων που τοποθετούνται στις εσωτερικές τους επιφάνειες. Γι αυτό το λόγο σε πολλές εφαρμογές αντιδραστήρων καύσης σωματιδίων βιομάζας σε μορφή σκόνης η έγχυση των σωματιδίων και της πρωτοβάθμιας ροής αέρα καύσης γίνεται όπως ακριβώς και στους συνηθισμένους λέβητες φυσικού αερίου πετρελαίου χωρίς δηλαδή να τους δίνεται ελικοειδή τροχιά. [8]

55 2.9 Συγκριτικοί πίνακες αντιδραστήρων καύσης βιομάζας Στους παρακάτω πίνακες γίνεται μία σύγκριση μεταξύ των αντιδραστήρων καύσης βιομάζας. Όσο αναφορά τις εκπομπές καυσαερίων, οι αντιδραστήρες ρευστοποιημένης κλίνης ( BFB, CFB ) παράγουν λιγότερες ποσότητες CO και NO x διότι παρουσιάζουν περισσότερο ομογενείς και συνεπώς πιο ελεγχόμενες συνθήκες καύσης. Από την άλλη, οι αντιδραστήρες σταθερής κλίνης έχουν λιγότερες εκπομπές σε αιωρούμενα σωματίδια. [8] GF : Επίπεδη σχάρα τροφοδοτούμενη από πάνω (Grate Furnaces) US : Κωνική σχάρα τροφοδοτούμενη από κάτω (Underfeed Stokers) BFB : Αναβράζουσα ρευστοποιημένη κλίνη (Bubbling fluidized bed) CFB : Κυκλοφορούσα ρευστοποιημένη κλίνη (Circulating fluidized bed) EF: Αντιδραστήρες καύσης εξαναγκασμένης ροής (Entrained flow) Πίνακας 2.6: Γενική σύγκριση μεταξύ των αντιδραστήρων καύσης βιομάζας Γενική σύγκριση GF US BFB CFB EF Για εφαρμογή σε μονάδες παραγωγής θερμική ισχύς (ΜW th ) Ευελιξία στο μέγεθος των αποδεχόμενων σωματιδίων βιομάζας Ικανότητα προσαρμογής σε διακυμάνσεις φορτίου Απαιτούμενη περίσσεια οξυγόνου (% όγκου καυσαερίων) <20 <6 >20 >30 - Μεγάλη Μικρή Μέτρια Μικρή Μικρή <50mm <80mm <40mm <20mm Μεσαία Μεγάλη Μικρή Μικρή Μεγάλη Μεγάλη Μικρή 3-4 Μικρή 1-2 Μέτρια 4-6 Πίνακας 2.7: Σημαντικότερα πλεονεκτήματα για κάθε είδος αντιδραστήρα καύσης βιομάζας Σημαντικότερα πλεονεκτήματα GF US BFB CFB EF Χαμηλό κόστος λειτουργίας Καλή προσαρμογή στις διακυμάνσεις φορτίων Μεγάλη ευελιξία ως προς το ποσοστό υγρασίας και τα είδη βιομάζας που μπορούν να γίνουν αποδεκτά Μειωμένες εκπομπές NO x Υψηλός βαθμός απόδοσης καύσης Μεγάλη ευελιξία ως προς το ποσοστό υγρασίας και τα είδη βιομάζας που μπορούν να γίνουν αποδεκτά Μειωμένες εκπομπές NO x Υψηλός βαθμός απόδοσης καύσης Δυνατότητα χρήσης πρόσθετων χημικών ουσιών για τον περιορισμό των ρύπων Καλή προσαρμογή στις διακυμάνσεις φορτίων Μειωμένες εκπομπές NO x

56 Πίνακας 2.8: Σημαντικότερα μειονεκτήματα για κάθε είδος αντιδραστήρα καύσης βιομάζας Σημαντικότερα μειονεκτήματα GF US BFB CFB EF Μειωμένος βαθμός απόδοσης καύσης Απαιτείται η εγκατάσταση κατάλληλων διατάξεων για το περιορισμό των NO x Κατάλληλοι μόνο για βιομάζα με μικρή περιεκτικότητα σε τέφρα και υψηλό σημείο τήξης της τέφρας (δηλαδή μόνο για ξυλώδη βιομάζα) Υψηλό κόστος λειτουργίας Χαμηλή προσαρμοστικότητα στις διακυμάνσεις φορτίου Υψηλές εκπομπές αιωρούμενων σωματιδίων Υψηλό κόστος λειτουργίας Χαμηλή προσαρμοστικότητα στις διακυμάνσεις φορτίου Υψηλές εκπομπές αιωρούμενων σωματιδίων Κατάλληλοι μόνο για μικρών διαστάσεων σωματίδια βιομάζας (τύπου σκόνης) Ανάγκη περιοδικής αντικατάστασης των μονωτικών πλίνθων Ανάγκη ύπαρξης βοηθητικού καυστήρα κατά την εκκίνηση του αντιδραστήρα

57 2.10. Επιλογή τεχνολογίας καύσης Για την επιλογή της κατάλληλης τεχνολογίας καύσης που πρέπει να εφαρμοστεί σε μία ηλεκτροπαραγωγό μονάδα καύσης βιομάζας πρέπει να εξεταστούν τα παρακάτω τέσσερα ζητήματα : 1. Το κόστος κατασκευής της μονάδας 2. Τα χαρακτηριστικά της διαθέσιμης καύσιμης βιομάζας 3. Οι εκλυόμενοι ρύποι 4. Η θερμοκρασία του ατμού που πρέπει να παράγεται Στην παρούσα παράγραφο θα γίνει μία περιγραφή των παραπάνω ζητημάτων και θα συγκριθούν οι προοπτικές της καύσης βιομάζας σε : Αντιδραστήρες καύσης τύπου σχάρας Αντιδραστήρες καύσης τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης (BFB) Αντιδραστήρες καύσης τύπου κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης (CFB)

58 1. Κόστος κατασκευής της μονάδας Η εκτίμηση του κόστους κατασκευής μίας μονάδας καύσης βιομάζας είναι μία πολύ δύσκολη διαδικασία από τα αποτελέσματα της οποίας εξαρτάται εάν το σχέδιο για την κατασκευή της βιομάζας θα λάβει την απαιτούμενη χρηματοδότηση. Η έλλειψη κατανόησης των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών των διαθέσιμων τεχνολογιών και των παραμέτρων που επηρεάζουν τη λειτουργία τους μπορεί να οδηγήσει σε λανθασμένες εκτιμήσεις : του αρχικού κόστους εγκατάστασης της μονάδας του βαθμού απόδοσης της μονάδας της κατανάλωσης ηλεκτρικής ισχύος για τη λειτουργία της μονάδας της μέσης ετήσιας διαθεσιμότητας της μονάδας του κόστους συντήρησης της μονάδας Μία λανθασμένη εκτίμηση του κόστους της μονάδας επιλέγοντας τη μη βέλτιστη τεχνολογία μπορεί να οδηγήσει στη μη χρηματοδότηση της μονάδας, ή στην κατασκευή μίας οικονομικά μη βιώσιμης μονάδας, ή στη μη διατήρηση της βιωσιμότητας της μονάδας όταν οι συνθήκες αγοράς μεταβληθούν. Για παράδειγμα, οι διατάξεις τύπου σχάρας έχουν γενικά χαμηλότερο κόστος εγκατάστασης λειτουργίας από τις διατάξεις τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης. Για τη σωστή επιλογή όμως της κατάλληλης τεχνολογίας θα πρέπει να γίνει μία ανάλυση κύκλου ζωής των συνολικών δαπανών ολόκληρης της μονάδας. Κατά το σχεδιασμό ενός λέβητα πρέπει να λαμβάνονται υπ όψη και να αντιμετωπίζονται τέσσερα ανεπιθύμητα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα και που επηρεάζουν τη λειτουργία των αντιδραστήρων καύσης βιομάζας : Οξείδωση των μεταλλικών επιφανειών του αντιδραστήρων Απόθεση ακαθαρσιών στους εναλλάκτες θερμότητας από το λιώσιμο των σωματιδίων τέφρας Διάβρωση των μεταλλικών επιφανειών του αντιδραστήρα Πυροσυσσωμάτωση των σωματιδίων τέφρας Υπάρχουν διάφορες προσεγγίσεις που χρησιμοποιούνται από διαφορετικούς κατασκευαστές για τη μετρίαση των παραπάνω φαινομένων. Όπως για παράδειγμα διατάξεις για τον αποτελεσματικό έλεγχο της θερμοκρασίας του θαλάμου καύσης, αυξημένο μέγεθος υπερθερμαντήρων, εγκατάσταση προηγμένων συστημάτων καθαρισμού στο εσωτερικό του αντιδραστήρα, αυξημένο πάχος των σωλήνων των εναλλακτών θερμότητας, χρήση νέων ανθεκτικών στη διάβρωση υλικών. Όλοι οι προαναφερθέντες τρόποι που αυξάνουν την αποτελεσματικότητα και το όριο ζωής μίας διάταξης έχουν ως αποτέλεσμα να αυξάνουν σημαντικά και το κόστος κατασκευής

59 Ο σχεδιαστής κατασκευαστής μίας μονάδας καύσης βιομάζας πρέπει να γνωρίζει τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά καύσης και τα προβλήματα που εισάγει κάθε είδος βιομάζας. Εάν δεν αξιολογηθούν σωστά οι διαθέσιμες τεχνολογίες η επιλογή μπορεί να βασιστεί εσφαλμένα μόνο στην οικονομικότερη δυνατή προσέγγιση. Ανεπαρκής έλεγχος των τεσσάρων φαινομένων που αναφέρθηκαν έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της διαθεσιμότητας και του βαθμού απόδοση της μονάδας καθώς και την αύξηση του κόστους συντήρησης. Αυτό σημαίνει ότι η μονάδα καθίσταται λιγότερο κερδοφόρα ή ακόμη και ζημιογόνα. 2. Χαρακτηριστικά της διαθέσιμης καύσιμης βιομάζας Τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά της βιομάζας τα οποία πρέπει να προσδιορισθούν πριν το σχεδιασμό της διάταξης είναι τα παρακάτω : Περιεκτικότητα σε αλκάλια Ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της βιομάζας είναι η υψηλή της περιεκτικότητα σε οργανικά αλκάλια. Για παράδειγμα, τα γεωργικά απόβλητα έχουν υψηλή περιεκτικότητα σε κάλλιο. Συνήθως η περιεκτικότητα της βιομάζας σε κάλλιο είναι υψηλότερη από την περιεκτικότητά της σε νάτριο. Τα οργανικά αλκάλια της βιομάζας εξατμίζονται σε υψηλές θερμοκρασίες και αντιδρούν με άλλα στοιχεία που βρίσκονται στην τέφρα και τη βιομάζα όπως για παράδειγμα το πυρίτιο και το φώσφορο σχηματίζοντας ενώσεις με χαμηλή θερμοκρασία τήξεως που μπορούν να προκαλέσουν προβλήματα λόγω πυροσυσσωμάτωσης. Το ανεπιθύμητο φαινόμενο της πυροσυσσωμάτωσης στην περίπτωση που οφείλεται στην υψηλή περιεκτικότητα της βιομάζας σε αλκάλια μπορεί να περιοριστεί σε ένα βαθμό με την προσθήκη ενώσεων με υψηλή περιεκτικότητα σε αλουμίνα και σε μικρότερο βαθμό με την προσθήκη ενώσεων με υψηλή περιεκτικότητα σε ασβέστιο και μαγνήσιο. Περιεκτικότητα σε χλώριο Οι ποσότητες χλωρίου που περιέχονται στη βιομάζα σε συνδυασμό με τα αλκάλια προκαλούν την πυροσυσσωμάτωση των σωματιδίων τέφρας. Ακόμη, οι επικαθίσεις χλωρίου στις μεταλλικές επιφάνειες προκαλούν τη διάβρωσή τους. Έχουν γίνει αρκετές μελέτες για τη δημιουργία υλικών ανθεκτικών στη διάβρωση, ωστόσο μέχρι σήμερα δεν υπάρχει κάποια αποτελεσματική λύση που να περιορίζει εντελώς το πρόβλημα. Το φαινόμενο της διάβρωσης μπορεί να περιοριστεί σε ένα βαθμό με την προσθήκη ποσοτήτων θείου μέσα στην αναβράζουσα ρευστοποιημένη κλίνη ή στη ροή των καυσαερίων. Με αυτόν τον τρόπο ελαττώνονται οι επικαθίσεις χλωρίου πάνω στις μεταλλικές επιφάνειες. Περιεκτικότητα σε υγρασία Η περιεκτικότητα της βιομάζας σε υγρασία είναι ένας σημαντικός παράγοντας που μπορεί να καθορίσει την επιλογή ενός τύπου αντιδραστήρα από έναν άλλο. Όταν η βιομάζα εισέρθει στο θάλαμο καύσης η εξάτμιση των ποσοτήτων νερού γίνεται με πολύ έντονο ρυθμό, σχεδόν ακαριαία. Σε γενικές γραμμές η ξυλώδης βιομάζα έχει μεγαλύτερη περιεκτικότητα σε υγρασία από τη βιομάζα γεωργικής προέλευσης όπως για παράδειγμα το άχυρο ή τα υπολείμματα ζαχαροκάλαμου

60 Κατά την επιλογή της κατάλληλης τεχνολογίας καύσης είναι πολύ σημαντικός παράγοντας η ευελιξία στο είδος καυσίμων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν. Όταν μία μονάδα έχει μεγάλη ευελιξία στα αποδεχόμενα είδη καυσίμων τότε μπορεί να επωφεληθεί από την αξιοποίηση καυσίμων χαμηλού κόστους που άλλες μονάδες δε μπορούν να δεχθούν. Οι αντιδραστήρες ρευστοποιημένης κλίνης προσφέρουν μεγάλη ευελιξία στα αποδεχόμενα είδη καυσίμων. Όπως έχουμε ήδη αναφέρει τα σωματίδια βιομάζας αποτελούν το 3 % του συνολικού βάρους των σωματιδίων που αποτελούν τη ρευστοποιημένη κλίνη. Το υπόλοιπο ποσοστό αποτελείται από τα σωματίδια του μέσου πλήρωσης. Αυτή η μεγάλη πηγή θερμικής ενέργειας παρέχει εξαιρετικά σταθερές συνθήκες καύσης που διατηρούνται σε μεγάλο βαθμό ανεπηρέαστες από τις διακυμάνσεις των χαρακτηριστικών της εισαγόμενης βιομάζας. Τα σωματίδια βιομάζας που εισέρχονται στον αντιδραστήρα ρευστοποιημένης κλίνης διασπείρονται γρήγορα στο διαθέσιμο χώρο της κλίνης και θερμαίνονται επίσης με γρήγορο ρυθμό, πάνω από τη θερμοκρασία ανάφλεξής τους, χωρίς κάποια σημαντική πτώση της θερμοκρασίας του μέσου πλήρωσης. Για τους παραπάνω λόγους οι αντιδραστήρες ρευστοποιημένης κλίνης παρουσιάζουν μεγάλη ευελιξία στα αποδεχόμενα είδη βιομάζας με το περιορισμό ότι δε μπορούν να δεχθούν είδη βιομάζας με υψηλή περιεκτικότητα σε αλκάλια λόγω της πυροσυσσωμάτωσης των σωματιδίων της κλίνης που προκαλείται. 3. Εκλυόμενοι ρύποι NO x Υπάρχουν τρεις βασικοί παράμετροι που επηρεάζουν την παραγωγή NO x : θερμοκρασία καύσης, χημική σύνθεση βιομάζας (περιεχόμενο σε πτητικά και υγρασία) και εισαγωγή του αέρα καύσης από πολλά επίπεδα. Ο αποτελεσματικός έλεγχος αυτών των παραμέτρων είναι σε θέση να περιορίσει σημαντικά την παραγωγή των NO x. Λόγω του ότι η βιομάζα έχει μεγάλη περιεκτικότητα σε πτητικές ουσίες, η θερμοκρασία ανάφλεξης είναι πιο χαμηλή σε σχέση με τα υπόλοιπα συμβατικά καύσιμα γεγονός που επιτρέπει το θάλαμο καύσης να σχεδιαστεί για χαμηλότερες θερμοκρασίες καύσης. Το υψηλό περιεχόμενο σε πτητικές ουσίες της βιομάζας και οι χαμηλές θερμοκρασίες καύσης αυξάνουν την ποσότητα της βιομάζας που καίγεται στα υψηλότερα επίπεδα. Οι αντιδραστήρες τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης ή κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης μπορούν να διαχειριστούν καλύτερα αυτά τα χαρακτηριστικά της βιομάζας και εισάγοντας τον αέρα καύσης σε πολλά επίπεδα να επιτύχουν μεγαλύτερο περιορισμό των NO x από ότι οι αντιδραστήρες τύπου σχάρας. Η παραγωγή μεγαλύτερων ποσοτήτων NO x στους αντιδραστήρες τύπου σχάρας οφείλεται ακόμη και στο γεγονός ότι εκεί αναπτύσσονται μεγαλύτερες θερμοκρασίες καύσης από ότι στους αντιδραστήρες τύπου ρευστοποιημένης κλίνης και όπως είναι γνωστό οι υψηλές θερμοκρασίες καύσης ευνοούν το σχηματισμό των NO x. Τέλος, ένα ακόμη μέτρο για τον περιορισμό των NO x είναι η επανακυκλοφορία μέρους των καυσαερίων στο θάλαμο καύσης

61 SO x Γενικά, οι εκλυόμενες ποσότητες SO x από την καύση βιομάζας είναι περιορισμένες λόγω της χαμηλής περιεκτικότητας της σε θείο. Στην περίπτωση των βιοκαυσίμων που έχουν μεγαλύτερη περιεκτικότητα σε θείο ως μέτρο περιορισμού των SO x μπορούν να χρησιμοποιηθούν σωματίδια ασβεστόλιθου τα οποία έχουν την ικανότητα να απορροφούν τις ποσότητες των SΟ x. Τα σωματίδια ασβεστόλιθου αναμιγνύονται με το μέσο πλήρωσης της κλίνης και είναι περισσότερο αποτελεσματικά στους αντιδραστήρες κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης. Επίσης, η τέφρα που προκύπτει από την καύση της βιομάζας λόγω των ποσοτήτων ασβεστίου που περιέχει έχει την ικανότητα να δεσμεύει ποσότητες SΟ x. Οι αντιδραστήρες καύσης τύπου σχάρας έχουν περιορισμένες δυνατότητες δέσμευσης των ποσοτήτων SΟ x μέσα στο θάλαμο καύσης κάνοντας έτσι αναγκαία την εγκατάσταση επιπρόσθετων διατάξεων για τον περιορισμό των εκπεμπόμενων ποσοτήτων SΟ x στις περιπτώσεις που ξεπερνιούνται τα επιτρεπόμενα όρια. CO Όπως έχουμε αναφέρει ήδη οι υψηλές θερμοκρασίες καύσης ευνοούν το σχηματισμό των NO x. Ακριβώς το αντίθετο όμως γίνεται με τις εκλυόμενες ποσότητες του CO που μειώνονται καθώς η θερμοκρασία καύσης αυξάνεται. Αν και οι θερμοκρασίες καύσης στους αντιδραστήρες τύπου σχάρας είναι υψηλότερες οι αντιδραστήρες τύπου ρευστοποιημένης κλίνης έχουν λιγότερες εκπομπές σε CO λόγω της σταθερότητας των συνθηκών καύσης. Αιωρούμενα σωματίδια Ο περιορισμός των εκπομπών σε αιωρούμενα σωματίδια συνήθως γίνεται με σακόφιλτρα ή με ηλεκτροστατικά φίλτρα. Αυτές οι τεχνολογίες έχουν προχωρήσει αρκετά με συνέπεια τον αποτελεσματικό περιορισμό των αιωρούμενων σωματιδίων στις περισσότερες εφαρμογές. Όταν τα καυσαέρια οδηγούνται σε ένα σακόφιλτρο, θα πρέπει η θερμοκρασία τους να έχει μειωθεί κάτω από ένα όριο ώστε να μην καταστραφεί το σακόφιλτρο. Ακόμη, όταν τοποθετούνται σακόφιλτρα μετά από έναν αντιδραστήρα τύπου σχάρας θα πρέπει να τοποθετείται επίσης κατάλληλος εξοπλισμός για την αποφυγή δημιουργίας σπινθήρων. 4. Θερμοκρασία του ατμού που πρέπει να παράγεται Σε γενικές γραμμές όσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία του παραγόμενου ατμού τόσο πιο έντονα εμφανίζονται τα φαινόμενα της εναπόθεσης ακαθαρσιών, της οξείδωσης και της διάβρωσης των εναλλακτών θερμότητας και γενικότερα όλων των μεταλλικών επιφανειών ενός αντιδραστήρα καύσης. Η επιλογή της θερμοκρασίας λειτουργίας ενός αντιδραστήρα καύσης λαμβάνοντας υπ όψη τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά κάθε εφαρμογής είναι πολύ σημαντική και πρέπει να γίνει κατά τη φάση του σχεδιασμού του. Όταν με διάφορους τρόπους ελέγχουμε περιορίζουμε τη θερμοκρασία που αναπτύσσεται μέσα στον θάλαμο καύσης τότε επιτυγχάνεται αύξηση της διαθεσιμότητας της μονάδας σε ετήσια βάση και μείωση των εξόδων συντήρησης της, όμως αυξάνεται το αρχικό κόστος κατασκευής της μονάδας. Ορισμένοι τρόποι ελέγχου περιορισμού της θερμοκρασίας του θαλάμου καύσης είναι η αύξηση του διαθέσιμου χώρου του θαλάμου καύσης, η καλύτερη διανομή στο

62 διαθέσιμο χώρο του αέρα καύσης, η επανακυκλοφορία μέρους των καυσαερίων, κ.ά. Ακόμη, για τον περιορισμό των ακαθαρσιών που εναποθέτονται στις επιφάνειες των εναλλακτών θερμότητας μπορούν να χρησιμοποιηθούν προηγμένες διατάξεις καθαρισμού οι οποίες τοποθετούνται μέσα στο λέβητα. [9] Επιλογή τεχνολογίας καύσης Όπως εξηγήθηκε και παραπάνω η επιλογή της κατάλληλης τεχνολογίας καύσης εξαρτάται από τέσσερεις βασικούς παράγοντες: το κόστος κατασκευής της μονάδας διαθέσιμο κεφάλαιο που μπορεί να επενδυθεί, τη διαθέσιμα καύσιμα είδη βιομάζας, η θερμοκρασία του ατμού που πρέπει να παραχθεί και οι εκπομπές καυσαερίων που πρέπει να επιτευχθούν. Στον πίνακα 2.9 παρουσιάζεται το πεδίο εφαρμογής της κάθε τεχνολογίας. [9] Στα πλαίσια της εξέλιξης της τεχνολογίας, οι πρώτοι αντιδραστήρες καύσης βιομάζας ήταν τύπου σχάρας. Αργότερα άρχισαν να εφαρμόζονται οι αντιδραστήρες τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης ενώ οι αντιδραστήρες τύπου κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης που είναι και τεχνολογικά πιο προηγμένοι, είναι οι τελευταίοι που εφαρμόστηκαν. Συνεπώς, στις μέρες μας υπάρχουν πολλοί κατασκευαστές αντιδραστήρων καύσης βιομάζας τύπου σχάρας, περιορισμένοι κατασκευαστές αντιδραστήρων τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης και ελάχιστοι κατασκευαστές αντιδραστήρων τύπου κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης. Η μεγαλύτερη σε λειτουργία μονάδα αποκλειστικής καύσης βιομάζας τύπου κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης βρίσκεται στη Φιλανδία με παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ 125 MW el ενώ βρίσκεται υπό κατασκευή μία μονάδα στην Πολωνία επίσης τύπου κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης με παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ 190 MW el. Και οι δύο μονάδες κατασκευάστηκαν από την εταιρία Foster Wheeler. Πίνακας 2.9: Πεδίο εφαρμογής της κάθε τεχνολογίας καύσης Περιεχόμενο σε Αλκάλια Κόστος κατασκευής Χαμηλό Μέτριο Υψηλό Υψηλό Σχάρα Σχάρα - Υψηλό Εκπεμπόμενοι Μέτριο BFB BFB CFB Μέτριο ρύποι & Χαμηλό BFB BFB CFB Χαμηλό Κόστος συντήρησης Χαμηλό Μέτριο Υψηλό Θερμοκρασία ατμού Βαθμός απόδοσης Ετήσια διαθεσιμότητα

63 Συνοψίζοντας, μπορούν να προκύψουν τα εξής συμπεράσματα, όπως φαίνεται και στον πίνακα 2.9 : Οι αντιδραστήρες τύπου σχάρας ενδείκνυνται στις περιπτώσεις όπου το περιεχόμενο σε αλκάλια της βιομάζας είναι υψηλό. Οι αντιδραστήρες τύπου ρευστοποιημένης κλίνης είναι ευαίσθητοι στο φαινόμενο της πυροσσυσωμάτωσης των σωματιδίων που ενισχύεται με την αυξημένη περιεκτικότητα της βιομάζας σε αλκάλια. Σε περιπτώσεις βιομάζας με χαμηλή περιεκτικότητα σε αλκάλια, συνιστώνται οι αντιδραστήρες τύπου ρευστοποιημένης κλίνης καθώς παρουσιάζουν λιγότερες εκπομπές σε ρύπους (NO x, SO x, CO) και υψηλότερους βαθμούς απόδοσης. Οι αντιδραστήρες τύπου σχάρας έχουν υψηλότερα κόστη συντήρησης λόγω του ότι αποτελούνται από κινούμενα μέρη καθώς και από συμπληρωματικές διατάξεις περιορισμού των εκλυόμενων ρύπων. Παραδείγματα εφαρμογών Παράδειγμα 1: Ένα εκτροφείο πουλερικών σχεδιάζει να εγκαταστήσει μία μονάδα καύσης βιομάζας η οποία ως καύσιμο θα δέχεται αποκλειστικά ένα μείγμα από περιττώματα πουλερικών και πριονίδι (chicken litter). Σε αυτήν την περίπτωση συνιστάται η εγκατάσταση ενός αντιδραστήρα καύσης τύπου σχάρας καθώς τα περιττώματα πουλερικών έχουν υψηλή περιεκτικότητα σε αλκάλια και χλώριο. Δε θα προκύπτουν ιδιαίτερα υψηλοί βαθμοί απόδοσης όμως το κόστος εγκατάστασης της μονάδας θα είναι σχετικά χαμηλό. Στη συγκεκριμένη περίπτωση ένας αντιδραστήρας τύπου σχάρας θα παρουσιάζει μεγαλύτερη ετήσια διαθεσιμότητα από τους αντιδραστήρες τύπου ρευστοποιημένης κλίνης διότι στους τελευταίους θα εμφανίζονται συχνά προβλήματα λόγω πυροσυσσωμάτωσης που θα προκαλείται από την υψηλή περιεκτικότητα σε αλκάλια της καύσιμης βιομάζας. Η υψηλή περιεκτικότητα της βιομάζας σε αλκάλια και χλώριο επιβάλει την επιπλέον εγκατάσταση συστημάτων επεξεργασίας των καυσαερίων καθώς και υπερθερμαντήρες κατασκευασμένους από υλικά υψηλής αντοχής σε διάβρωση. Παράδειγμα 2: Μία χαρτοβιομηχανία εξετάζει το ενδεχόμενο να επεκτείνει τη μονάδα συμπαραγωγής που έχει ήδη εγκαταστήσει με έναν καινούργιο λέβητα. Ο λέβητας θα πρέπει να δέχεται τσιπς από φλοιό ευκαλύπτου, ίλη που προκύπτει από τη διαδικασία παραγωγής χαρτιού και τσιπς από πεύκα. Επίσης οι εκπομπές καυσαερίων θα πρέπει να είναι μέσα στα επιτρεπόμενα όρια που έχει θέσει η Ευρωπαϊκή Ένωση. Γι αυτό το μείγμα καυσίμου ( ίλης + τσιπς ξυλώδους βιομάζας) θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί ένας αντιδραστήρας καύσης τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης. Η ετήσια διαθεσιμότητα αυτών των αντιδραστήρων συνήθως είναι πάνω από 90 %, οι εκπεμπόμενοι ρύποι κυμαίνονται μέσα σε αποδεκτά επίπεδα, ενώ η κατασκευή τους είναι πιο οικονομική από τους αντιδραστήρες τύπου κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης

64 Παράδειγμα 3: Μία δημόσια εταιρία παραγωγής ηλεκτρισμού εξετάζει το ενδεχόμενο να εγκαταστήσει μία νέα μονάδα παραγωγής ηλεκτρισμού. Ως κύριο καύσιμο θα χρησιμοποιείται λιθάνθρακας χαμηλής θερμογόνου δύναμης και υψηλής περιεκτικότητας σε τέφρα. Επιπρόσθετα θα καίγονται ποσότητες ξυλώδους βιομάζας από ένα γειτονικό δάσος. Είναι πολύ σημαντική η επίτευξη υψηλού βαθμού απόδοσης της καύσης και χαμηλών εκπομπών σε ρύπους. Σε αυτήν την περίπτωση θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί ένας αντιδραστήρας καύσης τύπου κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης ο οποίος επιτρέπει την ταυτόχρονη καύση σωματιδίων λιθάνθρακα και βιομάζας ενώ ταυτόχρονα παρουσιάζει τον υψηλότερο βαθμό απόδοσης εν συγκρίσει με τις υπόλοιπες τεχνολογίες. Οι ποσότητες τέφρας που περιέχονται στο λιθάνθρακα μπορούν να αξιοποιηθούν θετικά καθώς έχουν την ικανότητα να απορροφούν τις εκλυόμενες ποσότητες SO x. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να μειώνονται οι ποσότητες ασβεστόλιθου που πρέπει να προστίθενται μέσα στην κλίνη. Παράδειγμα 4: Μία χαρτοβιομηχανία διαθέτει ένα λέβητα καύσης βιομάζας για την παραγωγή του 50 % της θερμότητας που χρειάζεται ενώ το υπόλοιπο 50 % παράγεται από την καύση φυσικού αερίου. Ο ιδιοκτήτης εξετάζει το ενδεχόμενο αύξησης του ποσοστού βιομάζας που χρησιμοποιείται για την παραγωγή ατμού διεργασιών θερμότητας στο 100 % χωρίς όμως να επηρεαστούν οι εκπεμπόμενοι ρύποι. Σε αυτήν την περίπτωση όπου πρέπει να γίνει αντικατάσταση ενός αντιδραστήρα τύπου σχάρας, είναι προτιμότερη η εγκατάσταση ενός αντιδραστήρα καύσης τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης. Με αυτή την αλλαγή θα αυξηθεί ο βαθμός απόδοσης της μονάδας και η ετήσια διαθεσιμότητα της ενώ παράλληλα θα μειωθούν οι εκλυόμενοι ρύποι. [9]

65 2.11 Δυνατότητες αύξησης του βαθμού απόδοσης σε μονάδες καύσης βιομάζας 1. Ξήρανση βιομάζας πριν την εισαγωγή της στο θάλαμο καύσης Το ενδεχόμενο της ξήρανσης της βιομάζας πριν την εισαγωγή της στον αντιδραστήρα καύσης θα πρέπει να μελετηθεί τεχνοοικονομικά έτσι ώστε να εξακριβωθεί εάν το επιπλέον κόστος για την εγκατάσταση και τη λειτουργία της διάταξης ξήρανσης αφήνουν περιθώρια αύξησης της παραγωγικότητας της μονάδας. Στις περισσότερες εφαρμογές η ξήρανση της βιομάζας καθίσταται συμφέρουσα μόνο όταν η απαιτούμενη ροή θερμού αέρα μπορεί να εξασφαλιστεί με χαμηλό ή μηδενικό κόστος. Μερικά παραδείγματα είναι η χρήση ηλιακών συστημάτων για την παραγωγή θερμού αέρα ή η αξιοποίηση του θερμού αέρα που παράγεται από τη συμπύκνωση - ψύξη των καυσαερίων. Η ξήρανση σωρών βιομάζας με την έκθεσή τους στον ατμοσφαιρικό αέρα για ορισμένους μήνες δεν είναι συμφέρουσα στις περισσότερες εφαρμογές διότι λόγω μικροβιολογικής αποδόμησης μειώνεται το ποσοστό της ξηρής, καύσιμης ύλης της βιομάζας με ρυθμό 1 % - 2 % το μήνα. Πλεονεκτήματα που μπορούν να προκύψουν από τη ξήρανση της βιομάζας είναι η μείωση του απαραίτητου χώρου για την αποθήκευση της βιομάζας και η μείωση της απώλειας της ξηρής καύσιμης ύλης της βιομάζας λόγω μικροβιολογικής αποδόμησης που λαμβάνει χώρα κατά τη διάρκεια της αποθήκευσης της. 2. Μείωση της περιεκτικότητας σε Ο 2 των καυσαερίων Η μείωση της περίσσειας αέρα καύσης διασφαλίζοντας ταυτόχρονα την ολοκληρωμένη καύση των σωματιδίων βιομάζας, που ισοδυναμεί με μείωση της περιεκτικότητας σε οξυγόνο των καυσαερίων, έχει ως αποτέλεσμα όπως φαίνεται και στο παρακάτω διάγραμμα τη σημαντική αύξηση του βαθμού απόδοσης ενός λέβητα καύσης. [8] Εικόνα 2.24: Βαθμός απόδοσης τυπικού λέβητα καύσης βιομάζας ως συνάρτηση της περιεκτικότητας σε οξυγόνο των καυσαερίων. Προκειμένου να σχηματιστεί το διάγραμμα της εικόνας 2.24 πραγματοποιήθηκε μία σειρά πειραμάτων όπου ως καύσιμο χρησιμοποιήθηκαν τσιπς ξύλου με περιεκτικότητα σε υγρασία 55 % κ.β. και ανώτερη θερμογόνο δύναμη kj/kg. Στην έξοδο του λέβητα η θερμοκρασία των καυσαερίων ήταν 165 ο C. Η περιεκτικότητα του Ο 2 αναφέρεται σε ποσοστό του όγκου των καυσαερίων σε ξηρή βάση. Ως βαθμό απόδοσης ορίζεται :

66 n = Θερμική ενέργεια καυσαερίων στην έξοδο του λέβητα / Περιεχόμενη ενέργεια στην εισερχόμενη βιομάζα (βάσει κατώτερης θερμογόνου δύναμης). Προκειμένου να μειωθεί η περίσσεια αέρα ένας αισθητήρας οξυγόνου και ένας αισθητήρας CO τοποθετούνται στη ροή εξόδου των καυσαερίων μετά το λέβητα έτσι ώστε ανάλογα με τις ενδείξεις να ρυθμίζεται αναλόγως η δευτεροβάθμια παροχή αέρα καύσης. Ο έλεγχος της παροχής του δευτεροβάθμιου αέρα καύσης αλλά και η αποτελεσματική ανάμειξή του με τη ροή των καυσαερίων μπορούν να μειώσουν την απαιτούμενη ποσότητα αέρα καύσης. Η μειωμένη περιεκτικότητα των καυσαερίων σε οξυγόνο έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της απόδοσης των διατάξεων συμπύκνωσης των καυσαερίων. Αυτό συμβαίνει επειδή αυξάνει το σημείο δρόσου των καυσαερίων που έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της αποδιδόμενης θερμότητας από τη συμπύκνωση του νερού σε μία συγκεκριμένη θερμοκρασία. Στην εικόνα 2.25 παρουσιάζεται η αύξηση του σημείου δρόσου των καυσαερίων ( ο C) που προκαλεί η μείωση της περιεκτικότητας σε οξυγόνο των καυσαερίων. [8] Εικόνα 2.25: Σημείο δρόσου των καυσαερίων ως συνάρτηση της περιεκτικότητάς τους σε οξυγόνο Στο παρακάτω διάγραμμα παρουσιάζεται η συνολική ανάκτηση θερμότητας από τη ψύξη των καυσαερίων στους 55 ο C όταν τα καυσαέρια προέρχονται από την καύση ενός κιλού τσιπς ξύλου με ανώτερη θερμογόνο δύναμη kj/kg και περιεχόμενη υγρασία 55 % κ.β. ως συνάρτηση της περιεκτικότητας σε οξυγόνο των καυσαερίων. [8] Εικόνα 2.26: Συνολική ανάκτηση θερμότητας από τη ψύξη καυσαερίων στους 55 ο C ως συνάρτηση της περιεκτικότητάς τους σε οξυγόνο

67 Επίσης η μείωση της περιεκτικότητας των καυσαερίων σε οξυγόνο, οδηγεί σε μείωση της ροής όγκου των καυσαερίων που έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της πτώσης πίεσης της ροής και τη μικρότερη διαστασιολόγηση του λέβητα και των διατάξεων καθαρισμού των καυσαερίων. Τέλος πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι μείωση της περίσσειας αέρα καύσης έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας καύσης αύξηση της θερμοκρασίας του θαλάμου καύσης. 3. Συμπύκνωση των καυσαερίων Ο πιο αποτελεσματικός τρόπος για την ανάκτηση θερμότητας από καυσαέρια είναι η συμπύκνωσή τους. Μία διάταξη συμπύκνωσης μπορεί να ανακτήσει μέχρι και το 20 % της θερμικής ενέργειας που εισάγει στη διάταξη καύσης η βιομάζα. Ακόμη έχει τη δυνατότητα να κατακρημνίσει το 40 % -75 % των αιρούμενων σωματιδίων που περιέχονται στη ροή των καυσαερίων. Τέλος μπορεί να αποτρέψει την ανεπιθύμητη συμπύκνωση των καυσαερίων στην καμινάδα σε περιπτώσεις χαμηλών εξωτερικών θερμοκρασιών. Στην εικόνα 2.27 παρουσιάζεται μία διάταξη συμπύκνωσης καυσαερίων. [8] Εικόνα 2.27: Διάταξη συμπύκνωσης καυσαερίων Η ανάκτηση θερμότητας των καυσαερίων σε μία τυπική διάταξη συμπύκνωσης γίνεται σε τρεις εναλλάκτες θερμότητας. Στον πρώτο εναλλάκτη (economizer) όπου θερμαίνεται νερό υψηλής θερμοκρασίας, στο δεύτερο εναλλάκτη (condensor) όπου θερμαίνεται νερό χαμηλότερης θερμοκρασίας και λαμβάνει χώρα η συμπύκνωση ορισμένου ποσοστού των καυσαερίων και στον τρίτο εναλλάκτη (air preheater) όπου γίνεται η προθέρμανση του αέρα καύσης. Η ποσότητα της θερμικής ενέργειας που μπορεί να ανακτηθεί εξαρτάται από την υγρασία που περιέχεται στην καύσιμη βιομάζα, την περιεκτικότητα σε οξυγόνο των καυσαερίων, τη θερμοκρασία του νερού που εισέρχεται στους εναλλάκτες καθώς επίσης και από την ποιότητα των εναλλακτών. Όσο χαμηλότερη η θερμοκρασία του εισερχόμενου νερού τόσο περισσότερη η θερμότητα που ανακτάται

68 Στην εικόνα 2.28 παρουσιάζεται η μεταβολή του βαθμού απόδοσης ενός λέβητα καύσης βιομάζας ο οποίος είναι εξοπλισμένος με μία διάταξη συμπύκνωσης των καυσαερίων, ως συνάρτηση της θερμοκρασίας των καυσαερίων που εκλύονται. Ως βαθμό απόδοσης ορίζεται : n = (Θερμική ενέργεια καυσαερίων στην έξοδο του λέβητα + Θερμική ενέργεια που ανακτάται από τη μονάδα συμπύκνωσης) / Περιεχόμενη ενέργεια στην εισερχόμενη βιομάζα (βάσει κατώτερης θερμογόνου δύναμης). Η μία καμπύλη αναφέρεται στην περίπτωση βιομάζας με 55 % περιεκτικότητα σε υγρασία και η άλλη καμπύλη σε βιομάζα με 35 % περιεκτικότητα σε υγρασία. Η περιεκτικότητα οξυγόνου στα καυσαέρια και στις δύο περιπτώσεις είναι 9,5 % κ.ό. (ξηρή βάση). Ένας τρόπος αύξησης της θερμότητας που μπορεί να ανακτηθεί από τη συμπύκνωση των καυσαερίων είναι η αύξηση της περιεχόμενης υγρασίας τους. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με τη βοήθεια ακροφυσίων έγχυσης νερού σε μορφή σπρέι στη ροή εισαγωγής του αέρα καύσης. Γενικά, οι διατάξεις ανάκτησης θερμότητας μέσω συμπύκνωσης των καυσαερίων συνίσταται για μονάδες καύσης βιομάζας όπου : [8] Η βιομάζα που χρησιμοποιείται έχει υψηλή περιεκτικότητα σε υγρασία 40 % - 55 % κ.β. Το νερό του δικτύου που εισάγεται στη μονάδα ανάκτησης θερμότητας έχει θερμοκρασία χαμηλότερη από 60 ο C. Η θερμική ισχύς του λέβητα είναι μεγαλύτερη από 2 MW th. Εικόνα 2.28: Βαθμός απόδοσης λέβητα καύσης βιομάζας ως συνάρτηση της θερμοκρασίας των καυσαερίων

69 Στον πίνακα 2.10 αναφέρονται όλες οι μέθοδοι που περιγράφηκαν και η προκαλούμενη αύξηση του θερμικού βαθμού απόδοσης που η κάθε μία επιφέρει σε μία μονάδα καύσης βιομάζας. [8] Πίνακας 2.10: Συγκριτικός πίνακας μεθόδων αύξησης θερμικού βαθμού απόδοσης λέβητα καύσης βιομάζας Εφαρμοζόμενη μέθοδος Ξήρανση βιομάζας με μείωση της περιεχόμενης υγρασίας από 50 % σε 30 % Μείωση περιεκτικότητας Ο 2 στα καυσαέρια κατά 1 % κ.ό. Ανάκτηση θερμότητας μέσω εναλλακτών και μείωση της θερμοκρασίας των καυσαερίων κατά 10 ο C Ανάκτηση θερμότητας μέσω διάταξης συμπύκνωσης Προκαλούμενη αύξηση του θερμικού βαθμού απόδοσης + 8,7 % + 0,9 % + 0,8 % Μέση τιμή: + 17 % Μέγιστη τιμή: + 30 %

70 2.12 Παραδείγματα σύγχρονων ηλεκτροπαραγωγών μονάδων καύσης βιομάζας

71 Εργοστάσιο Συμπαραγωγής Ηλεκτρισμού - Θερμότητας : Wilton 10 Πίνακας 2.11: Γενικά χαρακτηριστικά εργοστασίου Wilton 10 Χώρα εγκατάστασης Αγγλία (North Yorkshire, Wilton) Έτος έναρξης λειτουργίας 2007 Μέθοδος ενεργειακής αξιοποίησης Καύση σε αναβράζουσα ρευστοποιημένη κλίνη (BFB) Ισχύς ηλεκτρική 30 MW el Ισχύς θερμική 10 MW th (σε μορφή ατμού) Καύσιμο Ξυλώδης Βιομάζα Ιδιοκτήτης SembCorp Utilities UK Limited Κόστος κατασκευής Επιδότηση (Bioenergy Capital Grant ) Ανάδοχος έργου Foster Wheeler / Siemens

72 Λειτουργία εργοστασίου Το εργοστάσιο συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας Wilton που είναι εγκατεστημένο από το 1952 κοντά στο χωριό Wilton στα βορειοανατολικά της Αγγλίας (NorthYorkshire- Teesside), έχει συνολική ηλεκτρική ισχύ 227 MW el και μπορεί να διαθέσει τόνους ατμού το χρόνο για να καλύψει ανάγκες σε θέρμανση. Αποτελείται από 10 ξεχωριστές μονάδες παραγωγής ηλεκτρισμού και είναι ιδιοκτησία της εταιρίας SembCorp Utilities UK Limited. Από αυτές τις μονάδες οι 9 χρησιμοποιούν ως πηγή ενέργειας ορυκτά καύσιμα και πιο συγκεκριμένα γαιάνθρακες για παραγωγή 157 MW el και φυσικό αέριο για παραγωγή 40 MW el ενώ υπάρχει η δυνατότητα να χρησιμοποιηθεί και πετρέλαιο. Η παραγόμενη ηλεκτρική και θερμική ενέργεια διατίθεται προς κάλυψη των αναγκών σε ενέργεια άλλων εργοστασίων της περιοχής ενώ το πλεόνασμα της ηλεκτρικής ενέργειας τροφοδοτεί το εθνικό δίκτυο. Το Σεπτέμβριο του 2007 τέθηκε σε λειτουργία η 10 η μονάδα παραγωγής ηλεκτρισμού,wilton 10 η οποία καίγοντας ξυλώδη βιομάζα αποδίδει ηλεκτρική ισχύ 30 MW el (αρκετή δηλαδή για να τροφοδοτήσει νοικοκυριά) και θερμική ισχύ 10 MW th σε μορφή ατμού. Οι εργασίες για την κατασκευή της μονάδας είχαν αρχίσει τον Ιανουάριο του Η μονάδα Wilton 10 είναι μία από τις μεγαλύτερες μονάδες καύσης βιομάζας στην Αγγλία, κόστισε 60 εκατομμύρια από τα οποία τα 10 εκατομμύρια χορηγήθηκαν από το ταμείο της Bioenergy Capital Grants Scheme και απαιτεί 15 άτομα μόνιμο προσωπικό για τη λειτουργία της. Η εταιρία Foster Wheeler λαμβάνοντας $53 εκατομμύρια ανέλαβε την κατασκευή του συστήματος επεξεργασίας της εισερχόμενης βιομάζας, του λέβητα αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης και του συστήματος διαχείρισης των καυσαερίων ενώ η εταιρία Siemens ανάλαβε την κατασκευή του ατμοστροβίλου, της γεννήτριας και του συμπυκνωτήρα. [10, 12]

73 Καύσιμο Η μονάδα Wilton 10 δέχεται τόνους ξυλώδους βιομάζας το χρόνο και δημιουργεί ένα καύσιμο μείγμα βιομάζας σε μορφή τσιπς με το οποίο τροφοδοτείται ο λέβητας. Από αυτήν την ποσότητα: [12] Το 40 % είναι ανακυκλωμένο ξύλο το οποίο παρέχεται σε μικρά κομματάκια (τσιπς) από το εργοστάσιο UK Wood Recycling το οποίο ειδικεύεται στον τομέα και είναι εγκατεστημένο στην περιοχή. Το εργοστάσιο UK Wood Recycling δέχεται κάθε είδους μαλακά και σκληρά ξύλα, παλέτες, ξύλινα κουτιά, κοντραπλακέ, μελαμίνες, ξύλινα ελάσματα σανίδες, θραύσματα, μέτριας πυκνότητας ινοσανίδες ( με εξαίρεση ξυλεία η οποία περιέχει χαλκό, χρώμιο και αρσενικό) τα οποία αφού μετατρέπει σε τσιπς τροφοδοτεί τη μονάδα συμπαραγωγής Wilton 10. Το 20 % προέρχεται από τα υπολείμματα των πριονιστηρίων σε μικρά κομματάκια (τσιπς). Το 20 % είναι τα υπολείμματα των κορμών που κόβονται στα δάση βορειανατολικά, και δεν μπορούν να εκμεταλλευτούν αλλιώς (κλαδιά, κλωνάρια). Το υπόλοιπο 20 % προέρχεται από ενεργειακές καλλιέργειες ιτιάς (7.500 στρέμματα) οι οποίες υλοτομούνται περιοδικά και βρίσκονται σε μία ακτίνα 50 μιλίων από το εργοστάσιο. Στον πίνακα 2.12 παρουσιάζονται ορισμένα βασικά χαρακτηριστικά του μείγματος ξυλώδους βιομάζας σε μορφή τσιπς που χρησιμοποιεί η μονάδα Wilton 10 ως καύσιμο. [16] Πίνακας 2.12: Χαρακτηριστικά μείγματος βιομάζας που χρησιμοποιείται ως καύσιμο από τη μονάδα Wilton10 Μείγμα ξυλώδους βιομάζας ( Wilton 10 ) Περιεκτικότητα (ξηρή βάση) Γενικά χαρακτηριστικά (υγρή βάση) Άνθρακας 49,5 % Υδρογόνο 6 % Άζωτο 0,5 % Οξυγόνο 43,27 % Θείο 0,03 % Χλώριο 0,06 % Τέφρα 1,6 % Υγρασία 42,5 % Κ.Θ.Δ. 9,4 MJ/kg

74 Παραγωγή ενέργειας Εικόνα 2.29: Λέβητας καύσης βιομάζας της μονάδας Wilton 10 Ο λέβητας καύσης βιομάζας της εταιρίας Foster Wheeler ύψους 30 m και βάρους 185 τόννων, που είναι εγκατεστημένος στη μονάδα συμπαραγωγής Wilton 10 είναι τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης και παράγει θερμική ισχύ 92 MW th με θερμικό βαθμό απόδοσης 90 %. Η θερμοκρασία στο θάλαμο καύσης κυμαίνεται γύρω στους 850 ο C. Τα τοιχώματα του λέβητα είναι υδρόψυκτα ενώ κοντά στη κλίνη έχουν επιπλέον πυρίμαχη επένδυση. Ο διανομέας είναι επίσης υδρόψυκτος και κατασκευασμένος από πυρίμαχο υλικό. Η πρωτοβάθμια ροή αέρα καύσης που εισάγεται μέσω του διανομέα αποτελεί το 30 % του συνολικού αέρα καύσης. Το υπόλοιπο ποσοστό εισάγεται μέσω της δευτεροβάθμιας και τριτοβάθμιας ροής αέρα, από ακροφύσια που βρίσκονται διατεταγμένα πάνω από την αναβράζουσα κλίνη όπως φαίνεται και στην εικόνα Με αυτό τον τρόπο εισαγωγής του αέρα - σε τρία επίπεδα, περιορίζεται η παραγωγή των NO x ενώ επιτυγχάνεται καλύτερος έλεγχος της θερμοκρασίας μέσα στο λέβητα. Η ταχύτητα του μέσου ρευστοποίησης (πρωτοβάθμια ροή αέρα) είναι 1,2 m/sec. Στην εικόνα 2.30 παρουσιάζεται πως είναι κατασκευασμένα τα τοιχώματα του λέβητα. Μέσα στις σωληνοειδείς διαμορφώσεις ρέει νερό με αποτέλεσμα την αποτελεσματική ψύξη των τοιχωμάτων αποτρέποντας έτσι τη διάβρωσή τους λόγω των υψηλών θερμοκρασιών. Επίσης για τον έλεγχο της θερμοκρασίας της κλίνης γίνεται επανακυκλοφορία ενός ποσοστού των καυσαερίων μαζί με τη πρωτοβάθμια ροή αέρα καύσης. Ο διανομέας στη βάση του αντιδραστήρα στην ουσία αποτελείται από δύο διανομείς οι οποίοι έχουν κλίση. Επίσης, μέσα στο λέβητα επιδιώκεται η παραμονή των καυσαερίων για επαρκή χρόνο ώστε να περιορίζονται οι εκπομπές σε διοξίνες, CO και αιωρούμενα σωματίδια. Στον πίνακα 2.13 παρουσιάζονται ακόμα δύο εργοστάσια που χρησιμοποιούν αντιδραστήρα καύσης βιομάζας τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης της εταιρίας Foster Wheeler. [17, 11, 15]

75 Εικόνα 2.30 : Σωληνοειδής διαμόρφωση τοιχωμάτων λέβητα Πίνακας 2.13 : Εργοστάσια καύσης βιομάζας με αντιδραστήρα τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης της εταιρίας Foster Wheeler Εργοστάσιο Τοποθεσία Έτος έναρξης λειτουργίας Biomass de cantabria at Reocin Portucel Viana Ισπανία (Cantabria) Πορτογαλία (Viana do Castelo) Παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς (MW el ) Στο λέβητα της μονάδας παράγεται ατμός πίεσης 92 bar και θερμοκρασίας 482 ο C με τον οποίο τροφοδοτείται ένας ατμοστρόβιλος τύπου SST-400 της SIEMENS με παροχή 132,6 t/h. Ο στρόβιλος SST-400 μπορεί να αποδώσει ηλεκτρική ισχύ έως 65 MW el. Ο ατμός που μπορεί να δεχθεί μπορεί να είναι μέγιστης πίεσης 140 bar και μέγιστης θερμοκρασίας 540 ο C. Η ταχύτητα περιστροφής του ρότορα μπορεί να ρυθμιστεί και κυμαίνεται από 3000 rpm έως 8000 rpm. Παρέχει επίσης τη δυνατότητα εξόδου ατμού σε διάφορες πιέσεις με μέγιστη 45 bar, από συγκεκριμένες εξόδους κατά μήκος του στροβίλου ώστε να χρησιμοποιηθεί ως ατμός διεργασιών. Ο συγκεκριμένος στρόβιλος παρουσιάζει καλή ανταπόκριση στη διακύμανση του φορτίου. Η μετάδοση της κίνησης μπορεί να γίνει με κιβώτιο ταχυτήτων (ή άμεσα) σε μία γεννήτρια με συχνότητα 50 Hz ή 60 Hz. Στην εικόνα 2.31 απεικονίζεται η συναρμολογημένη διάταξη του στροβίλου SST-400 με τη γεννήτρια για την παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος. [13]

76 Εικόνα 2.31 : Γραφική αναπαράσταση ατμοστροβίλου τύπου SST-400 της Siemens Πίνακες 2.14 : Γραφική αναπαράσταση εικόνας 2.31 Γραφική αναπαράσταση Διαστάσεις SST Ατμοστρόβιλος 2. Μειωτήρας (κιβώτιο ταχυτήτων) 3. Γεννήτρια 4. Βάση στήριξης 5. Συμπυκνωτής Μήκος Ύψος Πλάτος 18 m 5,5 m 8,5 m

77 Διαχείριση Καυσαερίων Το σύστημα διαχείρισης των καυσαερίων της μονάδας Wilton 10 επιμελήθηκε η εταιρία Foster Wheeler. Δεν είναι γνωστό πια συστήματα χρησιμοποιούνται όμως οι εκπεμπόμενοι ρύποι της μονάδας βρίσκονται κάτω από τα όρια που έχει θεσπίσει η Ε.Ε. για τις μεγάλες μονάδες καύσης βιομάζας ( EU s Large Combustion Plant Directive ) Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται οι εκπομπές καυσαερίων της μονάδας Wilton 10. [14] Πίνακας 2.15: Εκπομπές καυσαερίων μονάδας Wilton 10 Περιεκτικότητα των καυσαερίων σε ρύπους Τιμή SO x 153 mg/nm 3 NO x 300 mg/nm 3 CO 215 mg/nm 3 Αιωρούμενα σωματίδια 24 mg/nm 3 Θερμοκρασία εξόδου καυσαερίων 144 ο C Συμπερασματικά Οι αντιδραστήρες αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης για καύση βιομάζας είναι μία δοκιμασμένη τεχνολογία που έχει εφαρμοστεί με επιτυχία σε πολλές περιπτώσεις εργοστασίων. Είναι κατάλληλοι για δύσκολα διαχειρίσιμα είδη βιομάζας με μεγάλη περιεκτικότητα σε υγρασία και ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της τέφρας πράγμα που τους κάνει ιδανικούς για καύση ξυλείας που προέρχεται από δασύλλια περιοδικής υλοτόμησης (π.χ. ιτιά) και γενικότερα από υπολλείματα δασικής υλοτομίας. Μπορεί να επιτευχθεί υψηλός βαθμός απόδοσης του λέβητα και χαμηλές εκπομπές καυσαερίων χάρη στη δυνατότητα ρύθμισης των παροχών πρωτοβάθμιας, δευτεροβάθμιας και τριτοβάθμιας ροής αέρα

78 Εργοστάσιο Παραγωγής Ηλεκτρισμού : Steven s Croft Πίνακας 2.16 : Γενικά χαρακτηριστικά εργοστασίου Steven s Croft Χώρα εγκατάστασης Αγγλία (Lockerbie, Scotland) Έτος έναρξης λειτουργίας 2008 Μέθοδος ενεργειακής αξιοποίησης Καύση σε αναβράζουσα ρευστοποιημένη κλίνη (BFB) Ισχύς ηλεκτρική 44 MW el Βαθμός απόδοσης 31,3 % Καύσιμο Ξυλώδης Βιομάζα Ιδιοκτήτης E.ON UK Renewables Ltd Κόστος κατασκευής Επιδότηση (Bioenergy Capital Grant, Big Lottery Fund) Ανάδοχος έργου Siemens / Aker Kvaerner (κοινοπραξία)

79 Λειτουργία εργοστασίου Το εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας Steven s Croft βρίσκεται 3,5 χλμ βόρεια της πόλης Lockerbie στη Σκωτία και είναι το εργοστάσιο με τη μεγαλύτερη παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ (44MW el ) από καύση βιομάζας στην Αγγλία. Η τοποθεσία εγκατάστασης του εργοστασίου επιλέχθηκε για την εγγύτητά του σε εκμεταλλεύσιμες δασώδες εκτάσεις, βιοτεχνίες επεξεργασίας ξύλου, αλλά και για το καλό δίκτυο μεταφορών της περιοχής. Η μονάδα απασχολεί 40 άτομα μόνιμο προσωπικό ενώ 300 θέσεις εργασίας στην ευρύτερη περιοχή σχετίζονται με τη λειτουργία του εργοστασίου. Οι εργασίες για την κατασκευή του εργοστασίου ξεκίνησαν τον Οκτώβριο του 2005 ενώ η επίσημη έναρξη λειτουργίας του έγινε το Μάρτιο του Στην ουσία αποτελείται από δύο μονάδες οι οποίες είναι εγκατεστημένες η μία δίπλα στην άλλη. Η πρώτη μονάδα διαχειρίζεται την επεξεργασία της βιομάζας που δέχεται το εργοστάσιο και η δεύτερη την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η εταιρία Aker Kvaerner κατασκεύασε το λέβητα, το σύστημα επεξεργασίας της εισερχόμενης βιομάζας και το σύστημα επεξεργασίας των καυσαερίων ενώ η εταιρία Siemens κατασκεύασε τον ατμοστρόβιλο, τη γεννήτρια και τον αερόψυκτο συμπυκνωτήρα. [20, 21]

80 Καύσιμο Η μονάδα Steven s Croft καίει τόνους ξυλώδους βιομάζας το χρόνο, διαφόρων προελεύσεων τα οποία συλλέγονται από μία ακτίνα 96 χιλιομέτρων και μεταφέρονται στη μονάδα οδικώς ενώ υπάρχουν οι απαραίτητες εγκαταστάσεις ώστε στο μέλλον η μεταφορά της βιομάζας να γίνεται αξιοποιώντας το σιδηροδρομικό δίκτυο της περιοχής. Από τη συνολική ποσότητα βιομάζας: Το 60 % προέρχεται από τα υπολείμματα των πριονιστηρίων (πριονίδι) και από τα υπολείμματα των κορμών που υλοτομούνται σε δάση της περιοχής. Το 20 % προέρχεται από ενεργειακές καλλιέργειες ιτιάς οι οποίες υλοτομούνται περιοδικά. Το 20 % είναι ανακυκλωμένη ξυλεία (δηλαδή ξυλεία η οποία έχει ήδη χρησιμοποιηθεί για άλλο σκοπό) προερχόμενη από κοντινές μονάδες παραγωγής - επεξεργασίας προϊόντων από ξύλο. Στον πίνακα 2.17 παρουσιάζεται η περιεκτικότητα σε υγρασία των διάφορων τύπων ξυλώδους βιομάζας που δέχεται η μονάδα Steven s Croft. [19] Πίνακας 2.17: Περιεκτικότητα σε υγρασία των ειδών βιομάζας που δέχεται η μονάδα Steven's Croft Είδος βιομάζας Περιεκτικότητα σε υγρασία Ξύλα από υπολείμματα υλοτομίας 52% - 58% (κλωνάρια κλαδιά) Πριονίδι 54% - 62% Ανακυκλωμένη ξυλεία 20% - 25% Ξύλα από καλλιέργεια ιτιάς 35% - 55% Για καύση στέλνεται ένα μείγμα από τσιπς ξυλώδους βιομάζας και πριονίδι του οποίου τα χαρακτηριστικά αναγράφονται στον παρακάτω πίνακα. Η παροχή του μείγματος ξυλώδους βιομάζας στον αντιδραστήρα αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης είναι 235 m 3 /h. Πίνακας 2.18: Χαρακτηριστικά μείγματος ξυλώδους βιομάζας που δέχεται η μονάδα Steven's Croft Χαρακτηριστικά μείγματος ξυλώδους βιομάζας Τιμή Περιεκτικότητα σε υγρασία 53 % Περιεκτικότητα σε τέφρα 0,6 % Κατώτερη θερμογόνος δύναμη 7,9 MJ/kg

81 Παραγωγή ενέργειας Εικόνα 2.32: Λέβητας καύσης βιομάζας της μονάδας Steven's Croft Στην εικόνα 2.32 απεικονίζεται η μονάδα παραγωγής ηλεκτρισμού Steven s Croft που χρησιμοποιεί λέβητα τύπου φυσαλιδωτής ρευστοποιημένης κλίνης (BFB) της εταιρίας Aker Kvaerner. Η συγκεκριμένη εταιρία κατασκευάζει δύο τύπους λέβητα για καύση βιομάζας σε διάφορα μεγέθη ανάλογα με την περίπτωση κάθε εφαρμογής όπως φαίνεται και στον πίνακα [24] Πίνακας 2.19: Τύποι λέβητα που κατασκευάζει η εταιρία Aker Kvaerner Λέβητες εταιρίας Aker Kvaerner Τύπος λέβητα Μέγιστη παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ HYBEX boiler BFB 120 MW el CYMIC boiler CFB 240 MW el

82 Εικόνα 2.33 : Λέβητας τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης (HYBEX boiler) της εταιρίας Aker Kvaerner Ο λέβητας HYBEX boiler που χρησιμοποίει η μονάδα Steven s Croft έχει ύψος 46 m ενώ η καμινάδα φθάνει τα 85 m. Έχει σχεδιαστεί ώστε να καίει καύσιμο με υψηλή περιεκτικότητα σε υγρασία και χαμηλή θερμιδική αξία που κυμαίνεται από 5,3 έως 9,4 MJ/Kg. Ο λέβητας αποτελείται από 3 χώρους : το θάλαμο καύσης από ένα 2 ο και από ένα 3 ο πέρασμα. Τα τοιχώματα του λέβητα που βρίσκονται κοντά στο χώρο καύσης είναι ενισχυμένα με πυρίμαχο υλικό (ανοξείδωτο χάλυβα) για να αντέχουν στις υψηλές θερμοκρασίες που αναπτύσσονται. Η υψηλή θερμοκρασία καύσης είναι κάτι το οποίο επιθυμούμε όταν στο θάλαμο καύσης εισέρχονται υψηλής υγρασίας καύσιμα. Στο συγκεκριμένο λέβητα ο διανομέας στη βάση της ρευστοποιημένης κλίνης είναι υδρόψυκτος και με αυτό επιτυγχάνεται μικρότερο πάχος πυρίμαχων τοιχωμάτων. [26] Δίπλα από το λέβητα βρίσκεται η διάταξη επεξεργασίας καυσίμου μέσα στην οποία τεμαχίζεται σε μορφή τσιπς η ξυλώδης βιομάζα και στη συνέχεια αναμιγνύεται με πριονίδι. Αυτό το μείγμα καύσιμης βιομάζας οδηγείται μέσω μίας ταινίας μεταφοράς μήκους 60 m σε 2 μικρές δεξαμενές σιλό με τη βοήθεια των οποίων μπορεί να ελέγχεται η ροή της βιομάζας. Οι δύο μικρές δεξαμενές έχουν τέτοια χωρητικότητα ώστε γεμάτες να μπορούν να εξασφαλίσουν τη λειτουργία του εργοστασίου για 1 ώρα. Κάτω από κάθε μία δεξαμενή υπάρχει ένας ατέρμων κοχλίας οποίος προωθεί το μείγμα καύσιμης βιομάζας μέσα σε μία χοάνη η οποία στη συνέχεια διαιρείται σε δύο άλλες χοάνες που καταλήγουν στο θάλαμο καύσης. Το μείγμα καύσιμης βιομάζας πέφτει από 4 αγωγούς ρίψης στην επιφάνεια της αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης με συνολική παροχή 235 m 3 /h

83 Ο αέρας καύσης αποτελείται από τον αέρα ρευστοποίησης ο οποίος διέρχεται μέσα από έναν υδρόψυκτο διανομέα στη βάση του λέβητα και τη δευτεροβάθμια ροή αέρα η οποία εισάγεται από τα πλαϊνά τοιχώματα του λέβητα σε μεγαλύτερο ύψος και που ολοκληρώνει τη διαδικασία της καύσης καίγοντας διάφορα πτητικά αέρια και διάφορα μικροσωματίδια που έχουν παρασυρθεί. Τα μικρά σωματίδια βιομάζας καθώς εισέρχονται στο θάλαμο καύσης καίγονται στην επιφάνεια της ρευστοποιημένης κλίνης ενώ τα μεγαλύτερα σωματίδια βουλιάζουν μέσα στη ρευστοποιημένη κλίνη όπου και αεριοποιούνται. Τα στερεά εξανθρακώματα καίγονται μέσα στην κλίνη ενώ ένα μέρος από τα αέρια που παράγονται καίγεται μέσα στην κλίνη ενώ το υπόλοιπο μέρος τους καίγεται στην επιφάνειά της. Η τέφρα που προκύπτει από την καύση των στερεών εξανθρακωμάτων διέρχεται μέσα από ανοίγματα στο διανομέα και απομακρύνεται από τον αντιδραστήρα. Η περιεκτικότητα σε υγρασία της εισερχόμενης βιομάζας κυμαίνεται από 46 % έως 65 %. Παρόλα αυτά όμως η καύση δεν διακόπτεται λόγω του αναβρασμού της κλίνης και της μεγάλης θερμοχωρητικότητας των σωματιδίων του μέσου πλήρωσης. Η καύση πραγματοποιείται με μεγάλη ένταση και έτσι η παροχή του παραγόμενου ατμού μπορεί να ρυθμιστεί πολύ γρήγορα, ανάλογα με το φορτίο, μέσω μεταβολής της ροής της εισερχόμενης καύσιμης βιομάζας. Στην εικόνα 2.34 παρουσιάζεται ο αντιδραστήρας αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης του λέβητα HYBEX boiler όπου φαίνεται και το σύστημα συλλογής της παραγόμενης τέφρας ενώ στην εικόνα 2.35 φαίνεται ο υδρόψυκτος διανομέας του αντιδραστήρα. [23] Εικόνα 2.34: Αντιδραστήρας αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης του λέβητα ΗΥΒΕΧ boiler Εικόνα 2.35: Υδρόψυκτος διανομέας του αντιδραστήρα καύσης του λέβητα HYBEX boiler

84 Τα παραγόμενα καυσαέρια καθώς φεύγουν από την επιφάνεια της ρευστοποιημένης κλίνης και κατευθύνονται προς τα πάνω διέρχονται από μία περιοχή στην οποία διοχετεύεται ο δευτεροβάθμιος αέρας καύσης και λαμβάνει χώρα η καύση των αερίων συστατικών που δεν έχουν καεί. Στο ψηλότερο μέρος του θαλάμου βρίσκονται δύο υπερθερμαντήρες (superheaters). Οι υπερθερμαντήρες του λέβητα είναι υψηλής αντοχής σε διάβρωση από ωστενιτικό χάλυβα, δίνοντας τη δυνατότητα καύσης βιομάζας που περιέχει χλώριο ή αλκάλια. Στη συνέχεια η ροή των καυσαερίων εισέρχεται στο δεύτερο πέρασμα αλλάζοντας φορά και κατευθύνεται προς τα κάτω. Στο δεύτερο πέρασμα η ροή των καυσαερίων αποδίδει θερμότητα σε έναν υπερθερμαντήρα και στη συνέχεια σε ένα οικονομητήρα (economizer). Έπειτα ακολουθεί το τρίτο πέρασμα στο οποίο τα καυσαέρια αποδίδουν θερμότητα σε έναν οικονομητήρα και τέλος στον εναλλάκτη προθέρμανσης του αέρα καύσης. Ο ατμός μετά την έξοδο του στροβίλου οδηγείται σε έναν αερόψυκτο συμπυκνωτήρα και στη συνέχεια το νερό που προκύπτει οδηγείται στον πρώτο οικονομητήρα του τρίτου περάσματος για να επαναληφθεί ο κύκλος παραγωγής υπέρθερμου ατμού. [25] Ο ατμοστρόβιλος της μονάδας τύπου SST-800 της εταιρίας SIEMENS δέχεται ατμό θερμικής ισχύος 126 MW th, πίεσης 137 bar και θερμοκρασίας 537 ο C και παράγει ηλεκτρική ισχύ 51 MW el σε μία τάση 11 KV μέσω της γεννήτριας Sgen5-100A-2P της εταιρίας SIEMENS. Αφαιρώντας την ηλεκτρική ισχύ που χρειάζεται το εργοστάσιο για τη λειτουργία του (7 ΜW el ) και μετασχηματίζοντας την τάση τελικά στέλνει 44 MW el σε μία τάση 33 KV μέσω υπόγειων καλωδίων στον υποσταθμό Chapel Cross που απέχει 26 χλμ και στη συνέχεια η ηλεκτρική ενέργεια διατίθεται στο εθνικό δίκτυο. [18] Ο στρόβιλος SST-800 της SIEMENS μπορεί να αποδώσει ηλεκτρική ισχύ έως 150 MW el. Ο ατμός που μπορεί να δεχθεί μπορεί να είναι μέγιστης πίεσης 140 bar και μέγιστης θερμοκρασίας 540 ο C. Η ταχύτητα περιστροφής του ρότορα μπορεί να ρυθμιστεί και κυμαίνεται από 3000 rpm έως 3600 rpm. Η έξοδος του ατμού μπορεί να ρυθμιστεί να είναι από 0 bar έως 14 bar ενώ επίσης παρέχει τη δυνατότητα εξόδου ατμού σε διάφορες πιέσεις με μέγιστη 45 bar, από συγκεκριμένες εξόδους κατά μήκος του στροβίλου ώστε να χρησιμοποιηθεί ως ατμός διεργασιών. [22] Πίνακας 2.20: Διαστάσεις ατμοστροβίλου SST-800 Μήκος Ύψος Πλάτος 20 m 6 m 8,5 m Εικόνα 2.36: Ο ατμοστρόβιλος SST-800 της Siemens

85 Διαχείριση Καυσαερίων Το σύστημα διαχείρισης καυσαερίων που διαθέτει η μονάδα Steven s Croft αποτελείται από ένα φίλτρο τύπου υφασμάτινου σάκου μέσα από τον οποίο διέρχονται τα καυσαέρια μετά την έξοδό τους από το λέβητα προκειμένου να κατακρατηθούν τα στερεά σωματίδια τέφρας που έχουν παρασυρθεί. Στη συνέχεια τα καυσαέρια διέρχονται μέσα από μία διάταξη όπου γίνεται ψεκασμός ενεργού άνθρακα για τον περιορισμό των NO x και των SO x. Τέλος, μέσω ανεμιστήρων τα καυσαέρια οδηγούνται στην καμινάδα για να απελευθερωθούν στην ατμόσφαιρα. Συμπερασματικά Γενικά, δεν υπάρχουν πολλές μεγάλες μονάδες καύσης βιομάζας εγκατεστημένες σε παγκόσμια κλίμακα. Ο κύριος λόγος είναι ότι ένα εργοστάσιο με μεγάλη εγκατεστημένη ισχύ θα πρέπει να εξασφαλίζει τις απαιτούμενες ποσότητες βιομάζας που χρειάζεται από μία περιορισμένη απόσταση, λόγω αυξημένου κόστους μεταφοράς της βιομάζας και αυτό δεν είναι πάντα εφικτό. Παρόλα αυτά η μεγάλη διαθεσιμότητα σε βιομάζα που προσφέρει η περιοχή, η ανοδική πορεία των τιμών των ορυκτών καυσίμων, περιβαλλοντικοί λόγοι αλλά και η δημιουργία νέων θέσεων εργασίας σε αποκεντρωμένη περιοχή ώθησαν την κατασκευή της μονάδας Steven s Croft. Σε γενικές γραμμές η μεταφορά βιομάζας χρησιμοποιώντας το οδικό δίκτυο είναι η πιο ενεργοβόρα και οι εκπομπές σε άνθρακα είναι περίπου 1,45 gr/km για κάθε τόνο μεταφερόμενης βιομάζας. Η μεταφορά μέσω θαλάσσης είναι πιο οικονομική και οι αντίστοιχες εκπομπές σε άνθρακα είναι περίπου 31,7 gr/km για κάθε τόνο μεταφερόμενης βιομάζας. Η επιλογή ενός αντιδραστήρα καύσης τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης για την περίπτωση της μονάδας Steven s Croft έγινε με βάση το είδος του καυσίμου που χρησιμοποιείται. Ένας αντιδραστήρας αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης παρουσιάζει μεγαλύτερη ευελιξία στο καύσιμο σε σχέση με έναν αντιδραστήρα κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης και μπορεί να ανταπεξέρθει καλύτερα στο μείγμα καύσιμης βιομάζας (μεγάλη διακύμανση θερμογόνου δύναμης, υγρασίας, τέφρας) με το οποίο τροφοδοτείται η μονάδα. Οι λέβητες τύπου κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης ταιριάζουν καλύτερα σε καύσιμα με χαμηλή περιεκτικότητα σε υγρασία και μικρό ομοιόμορφο μέγεθος

86 Μονάδα Παραγωγής Ηλεκτρισμού : Western Wood Energy Power Plant Πίνακας 2.21 : Γενικά χαρακτηριστικά εργοστασίου Western Wood Energy Power Plant Χώρα εγκατάστασης Αγγλία (Margam, Port Talbot, Wales) Έτος έναρξης λειτουργίας 2008 Μέθοδος ενεργειακής αξιοποίησης Καύση σε κινούμενη σχάρα Ισχύς ηλεκτρική 13,85 MW el Βαθμός απόδοσης 30 % Καύσιμο Τσιπς ξυλώδους βιομάζας + Πριονίδι Ιδιοκτήτης Western Bio-energy Ltd Κόστος κατασκευής Επιδοτήσεις (EU's Objective 1 programme) (Bioenergy Capital Grant Scheme, Big Lottery Fund) Ανάδοχος έργου 1. Aalborg Energie Technik 2. Burmeister &Wain Scandinavian Contractor (BWSC)

87 Λειτουργία μονάδας πυρόλυσης Σε μία έκταση 6 στρεμμάτων στο προάστιο Margam της πόλης Port Talbot της νότιας Ουαλίας είναι εγκατεστημένος ο σταθμός ηλεκτροπαραγωγής Western Wood Energy Power Plant ο οποίος αφού χρειάζεται για δική του κατανάλωση μόλις 1,15 MW el αποδίδει στο εθνικό δίκτυο 13,85 MW el. Ο σταθμός αυτός χρειάστηκε δύο χρόνια για να κατασκευαστεί, τέθηκε σε πλήρη λειτουργία το Νοέμβριο του 2008 και απασχολεί 20 άτομα ως μόνιμο προσωπικό. Η μονάδα ανήκει στην εταιρία Western Bio-energy Ltd της οποίας οι μετοχές ανήκουν στην εταιρία Good Energies LLP και στην εταιρία Western Log Group. Την κύρια ευθύνη κατασκευής της μονάδας την είχε η εταιρία Aalborg Energie Technik η οποία ιδρύθηκε το 1996, είναι εγκατεστημένη στην πόλη Aalborg της Δανίας απασχολώντας 100 εργαζομένους και δραστηριοποιείται στην κατασκευή νέων μονάδων καύσης βιομάζας, στην τροποποίηση ήδη εγκατεστημένων μονάδων προς χρήση βιομάζας και στην προσφορά διάφορων υπηρεσιών που σχετίζονται με τον τομέα της παραγωγής ενέργειας. [28, 29, 30] Καύσιμο Η μονάδα Western Wood Energy Poerw Plant είναι σχεδιασμένη ώστε να καίει κάθε είδους ξυλεία η οποία δεν έχει υποστεί καμία επεξεργασία (π.χ βαμμένη ή εμποτισμένη ξυλεία). Η περιεχόμενη υγρασία της ξυλώδους βιομάζας που μπορεί να δεχθεί κυμαίνεται από 10 % έως 55 %. Ανά τακτά χρονικά διαστήματα καταφθάνουν φορτηγά τα οποία μεταφέρουν κορμούς δέντρων τα οποία προέρχονται από την εκμετάλλευση των δασών της Ουαλίας. Μόλις φθάσει η ξυλεία αποθηκεύεται, και στη συνέχεια θρυμματίζεται σε μικρά κομματάκια ( τσιπς ) τα οποία προωθούνται προς καύση. Το εργοστάσιο επίσης δέχεται κατάλληλα υπολείμματα ξυλείας από τη βιομηχανία επεξεργασίας ξύλου όπως και πριονίδι. Η ετήσια ανάγκη του εργοστασίου είναι τόνοι ακατέργαστης ξυλείας που προμηθεύεται κυρίως από την κρατική εταιρία διαχείρισης δασών South Wales Forestry Commission. [28, 29, 30] Εικόνα 2.37: Άφιξη φορτηγού με κορμούς δέντρων στη μονάδα Western Wood Energy Power Plant

88 Παραγωγή ενέργειας Εικόνα 2.38: Λέβητας καύσης βιομάζας της μονάδας Western Wood Energy Power Plant Ο λέβητας του εργοστασίου είναι ο AET-M-1050 της εταιρίας Aalborg Energie Technik a/s (AET). O συγκεκριμένος λέβητας παρουσιάζει υψηλό βαθμό απόδοσης η = 92 % (η = Θερμική ενέργεια καυσαερίων στην έξοδο του λέβητα / Περιεχόμενη ενέργεια στην εισερχόμενη βιομάζα), χαμηλό κόστος συντήρησης και μεγάλο χρονικό διάστημα μεταξύ διαδοχικών συντηρήσεων (πάνω από 8000 ώρες συνεχούς λειτουργίας), μετά το πέρας των οποίων θα πρέπει να σταματάει τη λειτουργία του ώστε να καθαρίζονται οι επιφάνειες των εναλλακτών θερμότητας. Η θερμική ισχύς της βιομάζας που μπορεί να τροφοδοτηθεί ο συγκεκριμένος τύπος λέβητα, ανάλογα με την κλίμακα που έχει κατασκευαστεί, κυμαίνεται από 25 MW th μέχρι 170 MW th που αντιστοιχεί σε μία παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ από 7 MW el μέχρι 55 MW el. Ο λέβητας του εργοστασίου Western Wood δέχεται τσιπς ξύλου θερμικής ισχύος 48MW th και αποδίδει στο εθνικό δίκτυο μετά την εσωτερική του κατανάλωση, ηλεκτρική ισχύ ίση με 13,85 MW el Η κάμινος του λέβητα είναι ψηλή και λεπτή ώστε να επιτυγχάνεται καλή ανάμιξη των άκαυστων πτητικών αερίων με τις ροές αέρα καύσης που εισάγονται από τα πλαϊνά τοιχώματα της καμίνου. Αυτό εξασφαλίζει υψηλή απόδοση καύσης και χαμηλές εκπομπές αέριων ρύπων. Μία υψηλή κάμινος παρέχει επίσης το χώρο για μία καλή κυκλοφορία νερού και ατμού μέσα στους εναλλάκτες. Τα θερμά καυσαέρια κατευθύνονται στην αρχή προς τα πάνω και στην συνέχεια αλλάζουν κατεύθυνση και κατευθύνονται προς τα κάτω από ένα διπλανό διάδρομο χοάνη όπου και εκεί υπάρχουν οι εναλλάκτες θερμότητας με φυσική κυκλοφορία νερού. Μέσα σε αυτούς του εναλλάκτες γίνεται η παραγωγή υπέρθερμου ατμού. Ο συγκεκριμένος λέβητας έχει δυνατότητα παραγωγής υπέρθερμου ατμού θερμοκρασίας έως 540 ο C και πίεσης έως 140 bar. H αλλαγή

89 κατεύθυνσης των θερμών καυσαερίων επιτρέπει τα χονδροειδή σωματίδια τέφρας που παρασύρθηκαν, να διαχωρίσουν από το ρεύμα των θερμών καυσαερίων και να επανεισαχθούν μέσα στην κάμινο. Παρόλα αυτά όμως πριν απελευθερωθούν τα καυσαέρια διέρχονται και μέσα από ένα φίλτρο για να συγκρατηθεί η τέφρα που παρασύρθηκε. Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι ο συγκεκριμένος λέβητας δε χρειάζεται κάποιο βοηθητικό σύστημα καύσης. Στην εικόνα 2.39 παρουσιάζεται ο τρόπος ανάφλεξης της βιομάζας πάνω στη σχάρα μετά από διακοπή της λειτουργίας του λέβητα για λόγους συντήρησης. Διακρίνονται επίσης οι αγωγοί τροφοδοσίας του λέβητα με τσιπς. [27] Εικόνα 2.39: Έναυση του αντιδραστήρα καύσης βιομάζας στο λέβητα AET - M Το καύσιμο εισέρχεται μέσα στην κάμινο με πεπιεσμένο αέρα μέσω των εγχυτήρων AET-BioSpreaders αν πρόκειται για τσιπς ή μέσω των εγχυτήρων AET dust firing system αν πρόκειται για καύσιμο σε μορφή πούδρας. Τα μικρά σωματίδια καίγονται αιωρούμενα ενώ τα μεγαλύτερα πέφτουν πάνω στη βάση σχάρα της καμίνου σχηματίζοντας μία φλεγόμενη μάζα καυσίμου. Η βάση σχάρα κινείται παρασύροντας το φλεγόμενο καύσιμο προς την άκρη της καμίνου. Μέχρι να φθάσει εκεί το καύσιμο, η καύση έχει ολοκληρωθεί οπότε και η εναπομένουσα τέφρα ρίχνεται σε χώρο συλλογής. Η ταχύτητα κίνησης της βάσης σχάρας μπορεί να ρυθμιστεί αναλόγως με το είδος του καυσίμου που χρησιμοποιείται. Το 50 % του αέρα καύσης οδηγείται πάνω στη κινούμενη βάση σχάρα μέσω ακροφυσίων ενώ ο δευτερεύων αέρας καύσης εγχέεται πιο ψηλά μέσω ακροφυσίων τα οποία είναι κατάλληλα διατεταγμένα ώστε να επιτυγχάνεται καλή ανάμιξη με τα πτητικά αέρια. Με αυτόν τον τρόπο καύσης, σε δύο στάδια δηλαδή, επιτυγχάνουμε χαμηλές εκπομπές NO x. Η επιθυμητή θερμοκρασία καύσης επιτυγχάνεται ρυθμίζοντας την περίσσεια αέρα, με προθέρμανση του αέρα καύσης, ή/και με επανακυκλοφορία των καυσαερίων. Στην εικόνα 2.40 παρουσιάζεται η κατανομή της θερμοκρασίας κατά μήκος της διαδρομής των καυσαερίων μέσα στο λέβητα. [27]

90 Εικόνα 2.40 : Κατανομή θερμοκρασίας μέσα στο λέβητα ΑΕΤ - Μ Στην εικόνα 2.41 παρουσιάζεται ο τρόπος εισαγωγής του απαιτούμενου αέρα καύσης μέσα στο θάλαμο καύσης. Ο πρωτοβάθμιος αέρας καύσης εισέρχεται κάτω από τη σχάρα ενώ ο δευτεροβάθμιος αέρας εισέρχεται από διάφορα σημεία στα τοιχώματα του θαλάμου καύσης. Παρατηρούμε μία στένωση του θαλάμου καύσης η οποία έχει ως σκοπό την καλύτερη ανάμειξη των καυσαερίων με τη δευτεροβάθμια ροή αέρα. Αέρας επίσης εισέρχεται και από το σύστημα τροφοδοσίας. [27] Εικόνα 2.41: Εισαγωγή αέρα καύσης μέσα στο θάλαμο καύσης του λέβητα ΑΕΤ - Μ

91 Στην εικόνα 2.42 παρουσιάζεται το σύστημα τροφοδοσίας της μονάδας (spreader stoker) το οποίο με τη βοήθεια πεπιεσμένου αέρα διασκορπίζει τη βιομάζα πάνω στη σχάρα. Η σχάρα στη μονάδα Western Wood είναι εξοπλισμένη με 3 τέτοια συστήματα τροφοδοσίας για την πλήρη κάλυψη της σχάρας με βιομάζα. [27] Εικόνα 2.42: Σύστημα τροφοδοσίας του λέβητα ΑΕΤ - Μ Στην εικόνα 2.43 παρουσιάζεται η διάταξη των εναλλακτών θερμότητας. Παρατηρούμε ότι η ηλεκτροπαραγωγός μονάδα Western Wood χρησιμοποιεί για την προθέρμανση του νερού 2 οικονομητήρες (economizers) και 4 υπερθερμαντήρες για την παραγωγή του υπέρθερμου ατμού. Ο ατμοστρόβιλος λαμβάνει υπέρθερμο ατμό θερμοκρασίας 512 C, πίεσης 92 bar και με παροχή 16 kg/sec. Η θερμοκρασία των καυσαερίων όταν έρχονται σε επαφή με τον πρώτο κατά σειρά υπερθερμαντήρα (SH4) είναι μικρότερη από 750 ο C. Γενικά, οι υπερθερμαντήρες αντικαθίστανται με καινούργιους κάθε 4 με 5 χρόνια. Επίσης για λόγους περιορισμού των ρύπων τα παραγόμενα καυσαέρια παραμένουν σε περιβάλλον άνω των 850 ο C για πάνω από 2 sec που ουσιαστικά είναι ο χώρος πάνω τη σχάρα, πριν τα καυσαέρια αλλάξουν κατεύθυνση. [27] Εικόνα 2.43: Διάταξη εναλλακτών θερμότητας στο λέβητα ΑΕΤ Μ

92 Το εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρισμού Steven s Croft χρησιμοποιεί ως στρόβιλο τον ατμοστρόβιλο 2 αξόνων της Mitsui Engineering & Shipbuilding (σε συνεργασία με την ALSTOM Power ) τύπου ΤΜ2. Εικόνα 2.44: Ο ατμοστρόβιλος ΤΜ2 της εταιρίας Mitsui Engineering & Shipbuilding

93 Στον πίνακα 2.22 παρουσιάζονται όλα τα εργοστάσια καύσης βιομάζας προς παραγωγή ηλεκτρισμού ή/και θερμότητας που χρησιμοποιούν το λέβητα κινούμενης σχάρας της εταιρίας Aalborg Energie Technik. [27] Πίνακας 2.22 : Εργοστάσια καύσης βιομάζας που χρησιμοποιούν το λέβητα ΑΕΤ - Μ Εργοστάσιο Τοποθεσία Θερμική ισχύς εισόδου (MW th ) Cofely BES VSG Helius CoRDe Αγγλία Ltd (Σκωτία) Zignago Power Cofely BCN Western Wood Randers Energi Δανία (Randers) Linz Mitte Αυστρία (Linz) FunderMax Αυστρία (Neudorf) Schneider Biopower Boehringer Ingelheim Παραγόμενη Ηλεκτρική ισχύς (MW el ) Γαλλία Παραγόμενη Θερμική ισχύς 34 7,2 12 τόνους/ώρα ατμό διεργασιών Ιταλία 49 - Όχι Γαλλία Αγγλία 48 13,85 Όχι 2* MW th δίκτυο τηλεθέρμανσης MW th δίκτυο τηλεθέρμανσης MW th θερμικό Λάδι Γερμανία MW th Γερμανία Kronoply Γερμανία MW th θερμότητα διεργασιών Pfleiderer Gutersloh Γερμανία (Gutersloh) MW th θερμότητα διεργασιών Pfleiderer Γερμανία MW th Neumarkt (Neumarkt) Egger Pannovosges Γαλλία 46 Όχι 8 MW th θερμικό λάδι

94 Διαχείριση Καυσαερίων Στην εικόνα 2.45 παρουσιάζονται οι διακυμάνσεις των κυριότερων χαρακτηριστικών κανονικής λειτουργίας της μονάδας Western Wood έτσι όπως καταμετρώνται από τους αντίστοιχους αισθητήρες κατά τη διάρκεια μίας ημέρας (8/1/09). Εικόνα 2.45: Διακυμάνσεις των κυριότερων χαρακτηριστικών κατά τη διάρκεια μίας ημέρας λειτουργίας της μονάδας Western Wood Πίνακας 2.23 : Μέση τιμή των κυριότερων χαρακτηριστικών λειτουργίας της μονάδας Western Wood Χαρακτηριστικά λειτουργίας μονάδας Western Wood Μέση Τιμή Θερμοκρασία υπέρθερμου ατμού 512 ο C στην έξοδο του λέβητα Περιεκτικότητα των καυσαερίων σε CO 60 mg/nm 3 Περιεκτικότητα των καυσαερίων σε NO x 220 mg/nm 3 Παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς στην 15 MW el έξοδο της γεννήτριας Παροχή υπέρθερμου ατμού 16 kg/sec Περιεκτικότητα των καυσαερίων σε O 2 2 % κ.ό. (υγρή βάση) Το γεγονός ότι η μονάδα Western Wood χρησιμοποιεί ως καύσιμο μόνο καθαρή ξυλεία, που να μην έχει κατεργαστεί δηλαδή ώστε να περιέχει διάφορες προσμίξεις καθώς επίσης και το γεγονός ότι δε βρίσκεται κοντά σε κατοικημένη περιοχή, για τη διαχείριση των καυσαερίων χρησιμοποιείται μόνο ένα φίλτρο τύπου υφασμάτινου σάκου (bag filter) για τον περιορισμό των εκπεμπόμενων αιωρούμενων σωματιδίων

95 Η εταιρία Aalborg Energie Technik όπως έχει αναφερθεί έχει εγκαταστήσει συστήματα καύσης τύπου κινούμενης σχάρας σε διάφορα εργοστάσια στην Ευρώπη. Όσο αναφορά το εργοστάσιο που είναι εγκατεστημένο στην πόλη Gutersloh της Γερμανίας και που ανήκει στην εταιρία Pfleiderer AG, οι εκπεμπόμενοι ρύποι μετρώνται και αναρτώνται στο διαδίκτυο. Το καύσιμο που χρησιμοποίει η συγκεκριμένη μονάδα είναι τσιπς ξυλώδους βιομάζας που προέρχονται από χρησιμοποιημένη ξυλεία όλων των κατηγοριών Α1 έως Α4, με την Α4 να περιέχει τις περισσότερες προσμίξεις. Επιπλέον λόγω του ότι είναι τοποθετημένη κοντά σε κατοικημένη πόλη υπόκειται σε αυστηρούς περιορισμούς όσο αναφορά τις εκπομπές σε διοξίνες και βαρέα μέταλλα. Στον πίνακα 2.24 αναφέρονται οι εκπεμπόμενοι ρύποι της μονάδας. [27] Πίνακας 2.24: Εκπεμπόμενοι ρύποι από λέβητα AET M 1050 στην πόλη Gutersloh Μετρούμενοι ρύποι μονάδας Gutersloh Μέση Τιμή Ανώτατο επιτρεπόμενο όριο Ημερομηνία Μέτρησης Αιωρούμενα σωματίδια 0,63 mg/m 3 10 mg/m 3 20/11/2012 CO 46,95 mg/m 3 50 mg/m 3 20/11/2012 Σύνολο C (CO + CO 2 ) 0,44 mg/m 3 10 mg/m 3 20/11/2012 NO x 198,07 mg/m mg/m 3 20/11/2012 HCl 9,76 mg/m 3 10 mg/m 3 20/11/2012 Hg 0,000 mg/m 3 0,03 mg/m 3 20/11/2012 Διοξίνες - Φουράνια 0,0074 ng/m 3 0,025 ng/m 3 1/7/2012 έως 30/9/2012 Κάδμιο 0,00001 mg/m 3 0,01 mg/m 3 10/11/2011 Αρσενικό Χρώμιο Νικέλιο 0,0002 mg/m 3 0,5 mg/m 3 10/11/2011 Για τον περιορισμό των ρύπων στη μονάδα Gutersloh χρησιμοποιούνται τα παρακάτω συστήματα επεξεργασίας των καυσαερίων: 1. Επανακυκλοφορία των καυσαερίων για περιορισμό NO x Η επανακυκλοφορία μέρους (έως 25 %) των καυσαερίων στο θάλαμο καύσης είναι ένας οικονομικός και αποτελεσματικός τρόπος για τη μείωση έως και 25 % της περιεκτικότητας των καυσαερίων σε NO x. Τα αδρανή, χαμηλότερης θερμοκρασίας καυσαέρια χαμηλώνουν τις πολύ υψηλές θερμοκρασίες στο θάλαμο καύσης που ευνοούν το σχηματισμό των NO x. Επίσης όταν τα καυσαέρια αναμιγνύονται με τον αέρα καύσης μειώνουν τη διαθέσιμη ποσότητα οξυγόνου ανά μονάδα όγκου επιβραδύνοντας έτσι τις αντιδράσεις σχηματισμού NO x. 2. Δευτερεύων περιορισμός των NO X μέσω μεθόδου SNCR Η μέθοδος SNCR (Selective Non-Catalytic Reduction) είναι μία οικονομική μέθοδος για τον περιορισμό των NO x που περιλαμβάνει την έγχυση σε μορφή σπρέι (injection) διαλύματος αμμωνίας (για θερμοκρασίες 871 ο C ο C) ή ουρίας (για θερμοκρασίες 982 ο C ο C) στη ροή των καυσαερίων

96 3. Φίλτρο τύπου υφασμάτινου σάκου (bag filter) για τον περιορισμό των εκπεμπόμενων αιωρούμενων σωματιδίων. 4. Έγχυση σε μορφή σπρέι ( injection) διαλύματος Ca(OH) 2 στη ροή των καυσαερίων για τον περιορισμό των όξινων αερίων. Πραγματοποιούνται οι παρακάτω αντιδράσεις που έχουν ως αποτέλεσμα τον αποτελεσματικό περιορισμό των όξινων αερίων. Ca(OH) 2 + 2HCl CaCl 2 + 2H 2 O Ca(OH) 2 + SO 2 CaSO 3 + H 2 O Συμπερασματικά Οι λέβητες τύπου κινούμενης σχάρας είναι μία μέθοδος καύσης βιομάζας υψηλής αξιοπιστίας η οποία έχει δοκιμαστεί σε πολλές περιπτώσεις εργοστασίων. Παρέχει μία σχετική ευελιξία όσο αναφορά το μέγεθος του καυσίμου και το περιεχόμενό του σε υγρασία και τέφρα. Η καύση κατά πλάτος της κινούμενης σχάρας είναι σχετικά ομοιόμορφη. Η ταχύτητα κίνησης της σχάρας είναι μικρή χωρίς να διαταράσσεται το στρώμα της βιομάζας πάνω στη σχάρα έτσι η διεργασία της καύση είναι σταθερή χωρίς διαταραχές διακοπές. Επίσης το σύστημα καύσης με κινούμενη σχάρα επιτρέπει τη διεξαγωγή της καύσης με χαμηλή περίσσεια αέρα ενώ και οι ανάγκες σε αύξηση της πίεσης του χρησιμοποιούμενου αέρα καύσης είναι περιορισμένες. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τον υψηλό βαθμό απόδοσης της καύσης και τη χαμηλή κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας από την ίδια τη μονάδα. Για την περίπτωση της μονάδας Western Wood από τη συνολικά παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ των 15 MW el η κατανάλωση της μονάδας ανέρχεται σε 1,15 MW el ίση δηλαδή με το 7,66% της παραγόμενης ισχύος και ίση με το 2,39 % της θερμικής ισχύος της εισερχόμενης καύσιμης βιομάζας. Γενικά η εσωτερική κατανάλωση ηλεκτρισμού των συστημάτων καύσης βιομάζας σε κινούμενη σχάρα κυμαίνεται μεταξύ 2 % - 3 % της θερμικής ισχύος της εισερχόμενης καύσιμης βιομάζας ενώ η αντίστοιχη κατανάλωση για συστήματα καύσης βιομάζας τύπου ρευστοποιημένης κλίνης κυμαίνεται μεταξύ 3 % - 4 %. Επομένως ένας λέβητας τύπου κινούμενης σχάρας παρουσιάζει σχετικά χαμηλό κόστος λειτουργίας

97 Μονάδες (2) Συμπαραγωγής Θερμότητας Ηλεκτρισμού: Heineken U.K. (Scottish & Newcastle ) Πίνακας 2.25 : Γενικά χαρακτηριστικά μονάδων Heineken U.K. Χώρα εγκατάστασης Αγγλία ( Manchester και Tadcaster) Έτος έναρξης λειτουργίας 2009 Μέθοδος ενεργειακής αξιοποίησης Καύση σε περιστρεφόμενη κωνική σχάρα Ισχύς ηλεκτρική 3,1 MW el Ισχύς θερμική 7,4 MW th Καύσιμο 50 % Απορριπτόμενη βιομάζα ζυθοποιίας 50 % Ξυλώδη βιομάζα (τσιπς) Ιδιοκτήτης Heineken UK Κόστος κατασκευής ( η κάθε μία ) Επιδότηση Χωρίς επιδότηση Ανάδοχος έργου Wartsila

98 Λειτουργία εργοστασίου Η εταιρία Scottish & Newcastle (S & N) ήταν μία από τις μεγαλύτερες εταιρίες παγκοσμίως στο χώρο της ζυθοποιίας λειτουργώντας από το Τον Απρίλιο του 2008 εξαγοράστηκε από την Heineken και μετονομάστηκε σε Heineken UK. Αυτή τη στιγμή, η Heineken UK έχει 3 εργοστάσια ζυθοποιίας: Caledonian Brewery (Edinburg), Royal Brewery (Manchester), John Smith s (Tadcaster). Η εταιρία Scottish & Newcastle Royal Brewery είχε αναθέσει το τέλος του 2007 στην εταιρία Wartsila να κατασκευάσει ένα σταθμό συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας μέσα στις εγκαταστάσεις της Royal Brewery (Manchester) προκειμένου να παρέχει στο εργοστάσιο για τις ανάγκες λειτουργίας του, ηλεκτρισμό ισχύος 3,1 MW el και ατμό θερμικής ισχύος 7,4 MW th. H μονάδα η οποία κατασκευάστηκε έχει επιπλέον τη δυνατότητα να παράγει μόνο ηλεκτρισμό ισχύος 4,7 MW el συμπυκνώνοντας όλο τον ατμό στον κύκλο λειτουργίας του. Επίσης, στις αρχές του 2008 ανατέθηκε στη Wartsila η κατασκευή μίας πανομοιότυπης μονάδας μέσα στις εγκαταστάσεις της John Smith s (Tadcaster). Η κάθε μονάδα συμπαραγωγής θερμότητας ηλεκτρισμού καλύπτει το 60 % της ποσότητας ατμού διεργασιών που χρειάζεται κάθε μία ζυθοποιία καθώς και το 100 % των αναγκών σε ηλεκτρισμό. Το πλεόνασμα ηλεκτρισμού που παράγεται διατίθεται στο εθνικό δίκτυο. Το κόστος κατασκευής κάθε μίας μονάδας ανήρθε στα και μέχρι τον Οκτώβριο του 2009 είχαν τεθεί και οι δύο σε λειτουργία. [31]

99 Καύσιμο Οι δύο μονάδες της Wartsila που εγκαταστάθηκαν στα εργοστάσια της Heineken UK χρησιμοποιούν ως καύσιμο τα στερεά απόβλητα βιομάζας που προκύπτουν από τις επιμέρους λειτουργίες της ζυθοποιίας όπως υπολείμματα βύνης, εξαντλημένοι σπόροι κριθαριού, μαγιά, υπόλειμμα ζυθόγλευκους, υπολείμματα διήθησης. Όλα αυτά οδηγούνται πάνω σε ταινιόδρομο προς τη μονάδα καύσης. Η ποσότητα της βιομάζας που παράγεται σε κάθε εργοστάσιο ανέρχεται σε τόνους το χρόνο. Επίσης χρησιμοποιούν ξυλώδη βιομάζα τοπικής προέλευσης που δεν έχει υποστεί κατεργασία και που φθάνει με φορτηγά στο εργοστάσιο, σε μικρά κομματάκια (τσιπς) η ποσότητα αυτή ανέρχεται σε τόνους το χρόνο. Ακόμη σε κάθε εργοστάσιο εισέρχονται ποσότητες απόβλητης βιομάζας από άλλες ζυθοποιίες όπως και κλαδέματα από την καλλιέργεια μήλου της περιοχής. Η απόβλητη βιομάζα που προκύπτει από τη λειτουργία της ζυθοποιίας είναι υψηλής περιεκτικότητας σε υγρασία (80 %) γι αυτό οδηγείται σε μία πρέσα όπου πρεσάρεται ώστε η περιεκτικότητα σε υγρασία τελικά να γίνει 58 % με 60 %. Στη συνέχεια μπορεί να οδηγηθεί προς καύση αφού πρώτα αναμειχτεί με μία αναλογία 50 % με τα τσιπς ξυλώδους βιομάζας. Το μείγμα καυσίμου που προκύπτει έχει μία περιεχόμενη υγρασία 55 %. Στην εικόνα 2.46 παρουσιάζεται η εξάρτηση της αδιαβατικής θερμοκρασίας καύσης και της ποσότητας των καυσαερίων από την υγρασία του μείγματος καυσίμου (50:50). Παρατηρούμε ότι η μείωση της αδιαβατικής θερμοκρασίας καύσης (μπλε καμπύλη) και η αύξηση της ποσότητας των καυσαερίων (κόκκινη καμπύλη) βάζουν περιορισμούς ως προς την περιεκτικότητα σε υγρασία του καυσίμου που μπορεί να χρησιμοποιηθεί. Επίσης έχει διαπιστωθεί ότι για περιεχόμενη υγρασία πάνω από 55 % η ικανότητα παραγωγής ατμού του λέβητα μειώνεται σημαντικά. Παρόλη την αυξημένη υγρασία του καυσίμου και τη μειωμένη θερμογόνο δύναμή του ο σχεδιασμός της συγκεκριμένης μονάδας δεν προβλέπει ενδιάμεσο στάδιο ξήρανσης του καυσίμου. [32] Εικόνα 2.46: Μεταβολή της θερμοκρασίας καύσης και της ποσότητας των καυσαερίων ως συνάρτηση της περιεχόμενης υγρασίας της καύσιμης βιομάζας

100 Στον πίνακα 2.26 παρουσιάζονται ορισμένα βασικά χαρακτηριστικά της απόβλητης βιομάζας που προκύπτει από τη λειτουργία της ζυθοποιίας μετά τη μείωση της υγρασίας της που υφίσταται από την πρέσα, όπως επίσης και τα χαρακτηριστικά των τσιπς βιομάζας με τα οποία τροφοδοτείται η μονάδα και τέλος τα χαρακτηριστικά του καύσιμου μείγματος βιομάζας (50:50) με το οποίο τροφοδοτείται ο λέβητας. [32] Πίνακας 2.26 : Συγκριτικός πίνακας σύνθεσης βιομάζας που χρησιμοποιείται στις μονάδες συμπαραγωγής Heineken UK Βιομάζα από ζυθοποιία Κομματάκια ξύλου (τσιπς) Μείγμα καυσίμου (50:50) Υγρασία % ,4 Θερμογόνος δύναμη MJ/kg 20,14 18,84 19,49 (ξηρή βάση) Θερμογόνος δύναμη MJ/kg 7 9,3 8 Φαινόμενη πυκνότητα kg/m Αναλογία όγκου % 54,6 45,4 100 Στοιχειακή ανάλυση σε ξηρή βάση C % 51,2 50,9 51,1 H % 7 6,3 6,7 N % 3,63 0,1 1,9 S % 0,27 0,02 0,15 Cl % 0,015 0,011 0,01 O % 34,485 41,169 37,8 Τέφρα % 3,4 1,5 2,45 Σύνολο % 100 Ανόργανα στοιχεία Na % 0,0083 0,0064 0,0074 K % 0,0293 0,05 0,0396 Ca % 0,193 0,0676 0,1303 Si % 0,1452 0,0058 0,0755 Al % 0, , ,0011 P % 0,429 0,0045 0,2168 Mg % 0,122 0,0111 0,

101 Παραγωγή ενέργειας Εικόνα 2.47: Λέβητας καύσης βιομάζας BioPower 5 CEX της εταιρίας Wartsila Οι δύο πανομοιότυπες μονάδες συμπαραγωγής θερμότητας ηλεκτρισμού που βρίσκονται στις εγκαταστάσεις της Heineken UK χρησιμοποιούν το λέβητα BioPower 5 CEX της εταιρίας Wartsila. Αυτού του τύπου οι λέβητες είναι συναρμολογούμενοι από τυποποιημένα εξαρτήματα, είναι αυτοματοποιημένοι σε μεγάλο βαθμό και έχουν μία απλή προσέγγιση σχεδιασμού. Έτσι μπορούν να μεταφερθούν, να εγκατασταθούν και να χειριστούν σχετικά εύκολα. Είναι σχεδιασμένοι ώστε να καίνε βιομάζα με υψηλή περιεκτικότητα σε υγρασία, παρουσιάζουν υψηλό βαθμό απόδοσης και χαμηλές εκπομπές σε NO x και CO. Χαρακτηριστικό αυτού του λέβητα είναι η περιστρεφόμενη σχάρα BioGrate η οποία είναι κωνική ώστε η βιομάζα να απλώνεται σε μεγάλη επιφάνεια για μια ολοκληρωμένη καύση. Το καύσιμο τροφοδοτείται στο κέντρο του χώρου καύσης με τη βοήθεια ενός περιστρεφόμενου ατέρμονα κοχλία και στη συνέχεια προωθείται προς τα άκρα της σχάρας. Η σχάρα αποτελείται από δισκοειδείς διάτρητες μεταλλικές επιφάνειες όπου ορισμένες (3 5) περιστρέφονται ενώ άλλες (2 4) είναι σταθερές. Αυτό εξυπηρετεί την ομοιόμορφη κατανομή της βιομάζας πάνω στην κωνική σχάρα. Κατά την προώθηση της βιομάζας προς τα άκρα διακρίνουμε την περιοχή κατά την οποία χάνει μεγάλο μέρος της υγρασίας της και στη συνέχεια την περιοχή καύσης. Η ξήρανση της βιομάζας στην πρώτη περιοχή της σχάρας γίνεται με έντονο ρυθμό λόγω της ακτινοβολίας που εκπέμπεται από τα πυρίμαχα τοιχία και τη φλόγα. Μόλις ολοκληρωθεί η καύση η εναπομένουσα τέφρα προωθείται προς τα άκρα της σχάρας όπου και πέφτει διαμέσου ανοιγμάτων μέσα σε ένα χώρο με νερό, για να συγκεντρωθεί και να απομακρυνθεί στη συνέχεια με ιμάντα προς τη δεξαμενή συλλογής της

102 Η πρωτοβάθμια ροή αέρα καύσης εισέρχεται διαμέσου της σχάρας από το κάτω μέρος της ενώ η δευτεροβάθμια ροή αέρα, από άλλα σημεία ψηλότερα, από τρία διαφορετικά επίπεδα. Τα τοιχία που περιβάλουν την εστία καύσης είναι κατασκευασμένα από πυρίμαχο υλικό ενώ πίσω από αυτά υπάρχει ένα σωληνοειδές τοίχωμα (τύπου μεμβράνης) μέσα από το οποίο επανακυκλοφορεί τμήμα των καυσαερίων χαμηλής θερμοκρασίας (150 C) ώστε να παραλαμβάνει μέρος του θερμικού φορτίου των τοιχωμάτων. Στην εικόνα 2.48 παρουσιάζεται το σύστημα τροφοδοσίας καυσίμου που τοποθετείται στους καινούργιους λέβητες και που αποτελείται από δύο (δίδυμους), περιστρεφόμενους ατέρμονες κοχλίες. Αυτό επιτρέπει την εισαγωγή καυσίμου μεγαλύτερων διαστάσεων στο χώρο καύσης διευρύνοντας με αυτόν τον τρόπο τα είδη της βιομάζας που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν από τη μονάδα. [36] Εικόνα 2.48: Σύστημα τροφοδοσίας λέβητα BioPower 5 CEX Στην εικόνα 2.49 παρουσιάζεται ο λέβητας παραγωγής ατμού BioPower 5 CEX. Παρατηρούμε ότι ο λέβητας είναι έτσι σχεδιασμένος ώστε οι υπερθερμαντές του να προστατεύονται από τη θερμική ακτινοβολία. Η θερμική ισχύς εξόδου του λέβητα είναι 17,8 MW th. [33,34] Πίνακας 2.27: Γραφική απεικόνιση BioPower 5 CEX 1. Πρωτεύων υπερθερμαντήρας 2. Δευτερεύων υπερθερμαντήρας 3. Εξατμιστήρας 4. Προθερμαντήρας νερού 5. Τοιχίο εστίας καύσης (τύπου μεμβράνης) Εικόνα 2.49: Λέβητας BioPower 5 CEX

103 Εικόνα 2.50: Διάγραμμα ροής της συναρμολογημένης μονάδας BioPower 5 CEX Πίνακας 2.28: Γραφική απεικόνιση συναρμολογημένης μονάδας BioPower 5 CEX 1. Σχάρα Biograte 2. Λέβητας 3. Ατμοστρόβιλος 4. Γεννήτρια 5. Συμπυκνωτής 6. Εναλλάκτης θερμότητας αέρα 7. Αντλίες 8. Δεξαμενή τροφοδοσίας νερού 9. Αντλίες 10. Επεξεργασία νερού εισαγωγής 11. Βαλβίδα στραγγαλισμού 12. Ηλεκτροστατικό φίλτρο 13. Φυσητήρας αέρα εισαγωγής 14. Φυσητήρας καυσαερίων επανακυκλοφορίας 15. Φυσητήρας καυσαερίων 16. Δεξαμενή συλλογής βρεγμένης τέφρας 17. Δεξαμενή συλλογής ξηρής τέφρας

104 Η μονάδα καύσης βιομάζας BioPower 5 CEX της εταιρίας Wartsila στις εγκαταστάσεις της Heineken UK μπορεί να λειτουργήσει σε δύο καταστάσεις: Ως μονάδα παραγωγής ηλεκτρισμού Ως μονάδα συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας. Ο ατμοστρόβιλος είναι κατασκευασμένος από την ινδική εταιρία Triveni. Ο ατμοστρόβιλος της μονάδας είναι αξονικού τύπου, με μηδενική αντίδραση (R=0), χωρίς αντίθλιψη με μία ελεγχόμενη εξαγωγή ατμού στα 10 bar. Ο ατμός που εξάγεται χρησιμοποιείται σε διάφορες διεργασίες μέσα στο εργοστάσιο και στη προθέρμανση του νερού στη δεξαμενή τροφοδοσίας. Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται ορισμένα βασικά χαρακτηριστικά της μονάδας ανάλογα με την κατάσταση λειτουργίας της. Πίνακας 2.29: Βασικά χαρακτηριστικά μονάδας BioPower 5 CEX ανάλογα με την κατάσταση λειτουργίας της Λειτουργία μονάδας BioPower 5 CEX (Heineken UK) Παραγωγή ηλεκτρισμού Συμπαραγωγή ηλεκτρισμού & θερμότητας Θερμική ισχύς καυσαερίων στην έξοδο του λέβητα Θερμοκρασία ατμού στην έξοδο του λέβητα Πίεση ατμού στην έξοδο του λέβητα 17,8 MW th 17,8 MW th 485 C 485 C 64 bar 64 bar Παροχή ατμού στο στρόβιλο 21,7 t/h 21,7 t/h Παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς 4,7 MW el 3,1 MW el Παραγόμενη θερμική ισχύς 0 MW th 7,3 MW th (ατμός) Πίεση ατμού εξαγωγής 0,11 bar 10 bar Η εταιρία Wartsila μέχρι σήμερα έχει εγκαταστήσει πάνω από 100 διατάξεις κωνικής περιστρεφόμενης σχάρας για καύση βιομάζας. Ορισμένες περιπτώσεις παρουσιάζονται στον πίνακα [35] Πίνακας 2.30: Μονάδες παραγωγής ηλεκτρισμού θερμότητας που χρησιμοποιούν λέβητα τύπου κωνικής περιστρεφόμενης σχάρας της εταιρίας Wartsila Όνομα μονάδας Τοποθεσία Τύπος σχάρας Παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς Παραγόμενη θερμική ισχύς Grainger Ιρλανδία BioPower 2 EX 1,9 MW el 3,5 MW th sawmills Renko sawmill Φιλανδία BioPower 2 HW 1,3 MW el 8 MW th Marks Varme Σουηδία BioPower 5 DH 3,5 MW el 16,5 MW th Ltd BioTherm Γερμανία BioPower 5 CEX 5,3 MW el 3,5 MW th Baden plant (Baden Baden) Amel plant Βέλγιο (Amel) BioPower 5 CEX 3,29 MW el 10 MW th

105 Διαχείριση Αποβλήτων - Καυσαερίων Τα λύματα που προκύπτουν από το πρεσάρισμα της βιομάζας για τη μείωση της περιεχόμενης υγρασίας της, οδηγούνται σε μία εγκατάσταση επεξεργασίας λυμάτων που βρίσκεται μέσα στο εργοστάσιο με σκοπό την παραγωγή βιοαερίου το οποίο τροφοδοτεί μία άλλη μονάδα συμπαραγωγής. Μόνο το βιοαέριο που παράγεται από τα λύματα είναι σε θέση να αντικαταστήσει το 15 % της κατανάλωσης φυσικού αερίου της ζυθοποιίας. Ακόμη, αυτού του είδους η βιομάζα, που προέρχεται από σιτηρά είναι πλούσια σε φωσφορικά άλατα, οπότε η τέφρα που προκύπτει από την καύση της διατίθεται ως λίπασμα. Ως καύσιμο τα στερεά απόβλητα των μονάδων ζυθοποιίας - που προέρχονται από επεξεργασία σιτηρών, εμφανίζουν μεγάλη ανομοιομορφία ως προς την χημική τους σύνθεση. Αυτή η ανομοιομορφία οφείλεται στις διαφορετικές μεθόδους που ακολουθεί η κάθε ζυθοποιία αλλά και στις διαφορετικές συνθήκες καλλιέργειας των σιτηρών (πχ λιπάσματα που χρησιμοποιήθηκαν). Είναι γνωστό ότι αυτού του είδους τα καύσιμα περιέχουν αυξημένες ποσότητες αζώτου (5 με 20 φορές περισσότερο σε σχέση με τη ξυλώδη βιομάζα) όπως και θείου αλλά και άλλες χημικές ενώσεις λόγω των λιπασμάτων που έχουν χρησιμοποιηθεί. Κατά την καύση τους παρουσιάζουν τα εξής χαρακτηριστικά : H τέφρα που σχηματίζεται λειώνει σε χαμηλές θερμοκρασίες καύσης, έτσι όταν παρασύρεται από τα καυσαέρια προσκολλάται πάνω στις επιφάνειες των εναλλακτών θερμότητας σχηματίζοντας ένα στρώμα ακαθαρσιών μειώνοντας με αυτόν το τρόπο το συντελεστή μετάδοσης θερμότητας. Γι αυτό το λόγο χρειάζεται ο καθαρισμός τους. Στο συγκεκριμένο λέβητα έχουν τοποθετηθεί ψεκαστήρες ατμού υψηλής πίεσης απέναντι από τους σωλήνες των εναλλακτών με σκοπό την απομάκρυνση αυτών των επικαθίσεων. Ακόμη, προκειμένου να παγιδευτούν τα σωματίδια τέφρας που παρασύρονται από τα καυσαέρια προς την ατμόσφαιρα, έχει τοποθετηθεί στη μονάδα ηλεκτροστατικό φίλτρο λίγο πριν την έξοδό τους. Γενικά όμως ο σχεδιασμός της μονάδας επιδιώκει την κατακράτηση όσο γίνεται μεγαλύτερης ποσότητας τέφρας στη σχάρα. Τα καυσαέρια που προκύπτουν κατά την καύση περιέχουν ενώσεις SO x τα οποία μπορούν να προκαλέσουν διάβρωση των μεταλλικών επιφανειών των εναλλακτών. Τα καυσαέρια που προκύπτουν κατά την καύση περιέχουν ακόμη, ενώσεις ΝO x οι οποίες δεν προκαλούν κάποια φθορά αλλά πρέπει να περιοριστούν για περιβαλλοντικούς λόγους. Ο περιορισμός αυτών των ρύπων με έλεγχο του αέρα καύσης δεν επαρκεί έτσι στη συγκεκριμένη μονάδα χρησιμοποιείται μία μέθοδος SNCR (Selective Non Catalytic Reduction) για τον περιορισμό τους. Έτσι λοιπόν εγχέεται πάνω από το χώρο της καύσης ουρία CO(NH 2 ) 2 ώστε η αμμωνία ΝH 3 που παράγεται με την παρουσία υδρατμών να αντιδράσει με τα οξείδια του αζώτου. Οι εγχυτήρες αμμωνίας είναι έτσι τοποθετημένοι ώστε να εγχέουν μεγαλύτερες ποσότητες αμμωνίας στο κέντρο παρά κοντά στα τοιχώματα. και αυτό διότι εκεί εμφανίζονται υψηλότερες θερμοκρασίες και συνεπώς μεγαλύτερη παραγωγή ΝO. Το αποτέλεσμα των χημικών αυτών αντιδράσεων είναι η μείωση των οξειδίων του αζώτου και η παραγωγή ποσοτήτων αζώτου (N 2 ), διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ), και νερού (H 2 O). Για να λάβουν χώρα αυτού του είδους οι αντιδράσεις μείωσης ΝO x θα πρέπει τα καυσαέρια να βρίσκονται σε μία θερμοκρασία μεταξύ 760 και 1093 C. Σε θερμοκρασίες άνω των 1093 C η αμμωνία διασπάται και παράγεται επιπλέον ΝO. Σε θερμοκρασίες κάτω των 760 C η αμμωνία και το ΝO δεν αντιδρούν. Η αμμωνία η οποία δεν αντιδρά με τα

106 ΝΟ x και διαφεύγει μπορεί να αντιδράσει με άλλες ενώσεις όπως με τα SO 3 και να σχηματίσει ανεπιθύμητα άλατα. Η αποτελεσματικότητα αυτής της μεθόδου μπορεί να φθάσει θεωρητικά και το 90 % όπως δηλαδή και η μέθοδος SCR. Επειδή όμως οι συνθήκες στο χώρο καύσης πολλές φορές μεταβάλλονται όπως για παράδειγμα όταν μεταβάλλονται τα χαρακτηριστικά του καυσίμου, ή δεν διατίθεται αρκετός χρόνος ώστε να πραγματοποιηθούν οι αντιδράσεις ή δεν αναμειγνύονται σωστά οι ροές της αμμωνίας με τη ροή των καυσαερίων ο βαθμός απόδοσης αυτής της μεθόδου πρακτικά είναι μικρότερος. Παρόλα αυτά σε ορισμένες εφαρμογές προτιμάται η μέθοδος SNCR διότι είναι οικονομικότερη μιας και το κόστος του καταλύτη απουσιάζει. Προκειμένου να αντιμετωπισθούν αυτές οι δυσκολίες και να γίνει σωστή διαστασιολόγηση της μονάδας η εταιρία Wartsila έκανε εκτενείς έρευνες και πειράματα τόσο στο χώρο του εργοστασίου Royal Brewery (Manchester) όσο και στα εργαστήρια του ερευνητικού κέντρου VTT της Φιλανδίας. Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζεται η ανάλυση των καυσαερίων από τρεις διαφορετικές περιπτώσεις βιομάζας που δοκιμάστηκαν στο λέβητα της Wartsila BioPower 5 CEX. [32] Πίνακας 2.31: Ανάλυση καυσαερίων του λέβητα BioPower 5 CEX για τρεις διαφορετικές περιπτώσεις βιομάζας Συγκριτικός πίνακας ανάλυσης καυσαερίων Βιομάζα από ζυθοποιία Κομματάκια ξύλου (τσιπς) Μείγμα καυσίμου (50:50) Θερμοκρασία Καυσαερίων ( C) Ο 2 (%) 5,8 5 5,9 CO (ppm) NO (ppm) Ο 2 (%) CO (ppm) NO (ppm)

107 Συμπερασματικά Οι δύο μονάδες της Wartsila αποτελούν την πρώτη εργοστασιακή εφαρμογή ενεργειακής αξιοποίησης της απόβλητης βιομάζας από λειτουργία ζυθοποιίας. Η μεγάλη πλειοψηφία των εργοστασίων ζυθοποιίας και των αποστακτήρων διαθέτει τα απόβλητά της ως ζωοτροφές, εδαφοβελτιωτικά, ή πολλές φορές καταλήγουν σε χώρους διάθεσης αποβλήτων. Γενικά, αυτό το καύσιμο μπορεί να χαρακτηρισθεί ως μέσης ποιότητας ενώ τα μικρά κομματάκια ακατέργαστου ξύλου (τσιπς) είναι από τα καλύτερα καύσιμα βιομάζας. Η κωνική περιστρεφόμενη σχάρα BioPower της εταιρίας Wartsila είναι κατάλληλη για μικρές εγκαταστάσεις συμπαραγωγής με μέγιστη παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ γύρω 5 MW el. Το μεγαλύτερο πλεονέκτημά της είναι η πολύ μεγάλη ευελιξία ως προς τη περιεχόμενη υγρασία (έως 65 %) και το μέγεθος των σωματιδίων βιομάζας (έως 300*50*50 mm) που μπορεί να δεχθεί. Αποτελείται από τυποποιημένα - προκατασκευασμένα εξαρτήματα τα οποία μεταφέρονται στο χώρο εγκατάστασης της μονάδας όπου και συναρμολογούνται. Γι αυτό και δεν απαιτείται πολύς χρόνος για την κατασκευή και εγκατάστασή μίας μονάδας BioPower μόλις 12 μήνες. Τέλος, λόγω του ότι μπορεί να γίνει καλός έλεγχος των παροχών του αέρα καύσης επιτυγχάνονται μειωμένες εκπομπές σε NO x και CO. Εικόνα 2.51: Άποψη της μονάδας συμπαραγωγής ηλεκτρισμού - θερμότητας στις εγκαταστάσεις της Heineken UK

108 Εργοστάσιο Συμπαραγωγής Θερμότητας - Ηλεκτρισμού : Greenpower Πίνακας 2.32: Γενικά χαρακτηριστικά εργοστασίου Greenpower Χώρα εγκατάστασης Βέλγιο ( Merksplas ) Έτος έναρξης λειτουργίας 2010 Μέθοδος ενεργειακής αξιοποίησης Καύση σε μηχανή Diesel (20V32) Ισχύς ηλεκτρική 9 MW el Ισχύς θερμική 8,5 ΜW th (σε μορφή θερμού νερού) Βαθμός απόδοσης 85 % Καύσιμο Υγρά βιοκαύσιμα Ιδιοκτήτης Greenpower NV Κόστος κατασκευής Επιδότηση Επιδοτήσεις από Βελγική κυβέρνηση Ανάδοχος έργου Wartsila

109 Λειτουργία Εργοστασίου Σε ένα αγρόκτημα εκτροφής βοοειδών στην περιοχή Koekhoven κοντά στην πόλη Merksplas στο Βέλγιο είναι εγκατεστημένη η μονάδα συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας Greenpower η οποία χρησιμοποιεί ως καύσιμο υγρά βιοκαύσιμα διαφόρων προελεύσεων, κυρίως έλαιο του jatropha. Η μονάδα είναι ιδιοκτησία της εταιρίας Greenpower NV της οποίας το 50 % ανήκει στην εταιρία Thenergo, το 40 % σε τέσσερεις τοπικές γεωργικές επιχειρήσεις και το 10 % σε έναν επενδυτή. Η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια τροφοδοτεί το εθνικό δίκτυο. Η θερμική ενέργεια που παράγεται καλύπτει τις ανάγκες σε θέρμανση ενός θερμοκηπίου καλλιέργειας ντομάτας στην περιοχή καθώς και τις ανάγκες του ξηραντήριου μίας μονάδας παραγωγής βιοαερίου που βρίσκεται εγκατεστημένη στο ίδιο αγρόκτημα. Η μονάδα παραγωγής βιοαερίου επεξεργάζεται αναερόβια κάθε χρόνο τόνους κοπριά μαζί με άλλα οργανικά απόβλητα όπως καλαμπόκι και υπολείμματα από παρακείμενες καλλιέργειες μήλου με αποτέλεσμα το βιοαέριο που παράγεται να τροφοδοτεί τρεις μηχανές ισχύος 1MW el η κάθε μία. [37, 38, 39, 42, 43]

110 Καύσιμο Ως καύσιμο η μονάδα Greenpower χρησιμοποιεί υγρά βιοκαύσιμα. Τα υγρά βιοκαύσιμα είναι καύσιμα τα οποία προέρχονται από ανανεώσιμες πηγές όπως έλαια από ενεργειακές καλλιέργειες φυτών, ή έλαια και λίπη ζωικής προέλευσης από τη βιομηχανία επεξεργασίας τροφίμων όπως επίσης και έλαια που προκύπτουν από την πυρόλυση βιομάζας. Από τα υγρά βιοκαύσιμα μπορεί να προκύψει το βιοντίζελ μετά από τη διαδικασία της μετεστεροποίησης. Η συγκεκριμένη μονάδα είναι εξοπλισμένη με μηχανή diesel της Wartsila η οποία είναι σε θέση να χρησιμοποιεί άμεσα υγρά βιοκαύσιμα χωρίς την ανάγκη μετατροπής τους σε βιοντίζελ. Το κύριο καύσιμο που χρησιμοποιεί η μονάδα είναι έλαιο jatropha το οποίο και εισάγει από το εξωτερικό. To Jatropha curcas είναι ένας θάμνος με υψηλή περιεκτικότητα σε έλαια με μη βρώσιμο καρπό, ο οποίος αναπτύσσεται κυρίως σε άνυδρες περιοχές. Οι σπόροι έχουν περιεκτικότητα σε έλαιο από 30 % έως 40 %, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παρασκευή βιοντίζελ, που κατά την καύση έχει χαμηλές εκπομπές σε ρύπους (τις μισές από τις άκαυστες εκπομπές υδρογόνου και το 1/3 από τις εκπομπές, που παράγονται από το ορυκτό diesel). Το βιοντίζελ από jatropha μπορεί να χρησιμοποιηθεί στις μηχανές εσωτερικής καύσης χωρίς να υπάρχει η ανάγκη για εκτεταμένες τεχνικές τροποποιήσεις. Το Jatropha μπορεί να καλλιεργηθεί σε οριακά εδάφη σε τροπικές και υποτροπικές περιοχές, με άλλα λόγια σε εδάφη τα οποία δεν είναι κατάλληλα για την παραγωγή τροφής. Από την καλλιέργεια ενός στρέμματος Jatropha μπορεί να εξαχθούν 2 τόνοι ελαίου κάθε χρόνο. Στον πίνακα 2.33 στην 3 η στήλη παρουσιάζονται τα βασικά χαρακτηριστικά του ελαίου jatropha. [40] Πίνακας 2.33: Συγκριτικός πίνακας επτά τύπων βιοκαυσίμων Συγκριτικός πίνακας βιοκαυσίμων Μονάδα Προδιαγραφές Μέτρησης Βιοκαυσίμων (Wartsila) Ιξώδες cst@40 C < Πυκνότητα kg/m C Θείο % μάζας 0,05 <0,05 <0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 Ιζήματα % μάζας 0,05 0,01 <0,01 <0,01 0,01 0,01 <0,01 0,1 Νερό % όγκου 0,2 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 0,11 0,12 0,3 Τέφρα % μάζας 0,05 0,01 <0,01 0,01 0,01 <0,01 <0,01 0,08 Φόσφωρος(max) mg/kg < < Πυρίτιο mg/kg 15 1 <1 <1 <1 <1 <1 <1 Αλκάλια(Na+K) mg/kg 30 3 < <1 199 Σημείο.ανάφλεξης C 60 >200 >200 >200 > >200 >230 Σημείο ροής C Cloud point C Διάβρωση Όχι Όχι Όχι Όχι Όχι Όχι Όχι μετάλλων Αριθμός οξέων mg.koh/gr ,12 2,5 2,3 7,1 7,8 70,3 Αριθμός ιωδίου ,2 Θερμογόνος δύναμη MJ/kg 36,8 36,8 36,95 37, ,9 36,26 1 Ακατέργαστο λάδι φοίνικα 2 Εξευγενισμένο λάδι φοίνικα 3 Λάδι Jatropha 4 Λάδι από ηλίανθο 5 Λάδι από ψάρια 6 Λάδι από κοτόπουλα 7 Λίπος

111 Παραγωγή ενέργειας Η μονάδα Greenpower για την παραγωγή ενέργειας χρησιμοποιεί τη μηχανή εσωτερικής καύσης υγρών καυσίμων 20V32 της Wärtsilä. Η μηχανή αποτελείται από 20 κυλίνδρους συνολικά σε διάταξη V και ακολουθεί τον κύκλο του Diesel. Το υγρό καύσιμο αφού συμπιεστεί με αντλίες που υποστηρίζονται από τον εκκεντροφόρο, εγχέεται με μία πίεση 1800 bar μέσα στον κύλινδρο με έναν εγχυτήρα υψηλής πίεσης. Το καύσιμο αναφλέγεται ακαριαία λόγω της υψηλούς πίεσης - θερμοκρασίας στην οποία βρίσκεται. Η καύση λαμβάνει χώρα υπό σταθερή πίεση ενώ το καύσιμο ψεκάζεται μέσα στον κύλινδρο παράλληλα με την εξέλιξη της καύσης. Μετά την παραγωγή έργου, η βαλβίδα εξαγωγής ανοίγει προκειμένου να εξαχθούν τα καυσαέρια. Όταν το έμβολο βρίσκεται στο άνω νεκρό σημείο η βαλβίδα εισαγωγής ανοίγει πριν κλείσει η βαλβίδα εξαγωγής προκειμένου ο κύλινδρος να γεμίσει με αέρα. Στις μηχανές της Wärtsilä η βαλβίδα εισαγωγής κλείνει πρώιμα, πριν το έμβολο φθάσει το κάτω νεκρό σημείο. Με αυτόν τον τρόπο η πίεση στον κύλινδρο μειώνεται κατά την εκτόνωση. Συνεπώς προκύπτει λόγος εκτόνωσης μεγαλύτερος από το λόγο συμπίεσης με αποτέλεσμα την αύξηση του βαθμού απόδοσης της μηχανής και τη μείωση της θερμοκρασίας καύσης που οδηγεί σε μειωμένες εκπομπές NO x. Αυτή η μέθοδος ονομάζεται συγχρονισμός του Miller. Εικόνα 2.52: Αρχή λειτουργίας μηχανής εσωτερικής καύσης Diesel Το σύστημα ψύξης του κινητήρα αποτελείται από δύο κυκλώματα, ένα υψηλής θερμοκρασίας και ένα χαμηλότερης. Το κύκλωμα υψηλής θερμοκρασίας ψύχει την κυλινδροκεφαλή, τα τοιχώματα του κυλίνδρου και σε ένα ποσοστό και τον αέρα εισαγωγής μετά τον υπερσυμπιεστή πριν αυτός εισέλθει στον κύλινδρο. Το κύκλωμα χαμηλής θερμοκρασίας ψύχει κατά ένα ποσοστό τον αέρα εισαγωγής και το λάδι λίπανσης της μηχανής. Το συγκεκριμένο σύστημα συμπαραγωγής παρέχει αξιοποιήσιμη θερμότητα μέσω τριών κυκλωμάτων θερμού νερού. Το πρώτο κύκλωμα ανακτά θερμική ενέργεια από τα καυσαέρια της μηχανής σε εναλλάκτη θερμότητας που υπάρχει μέσα σε λέβητα πριν την έξοδό τους στον ατμοσφαιρικό αέρα. Το νερό θερμαίνεται στους 98 C και στη συνέχεια αξιοποιείται για τη θέρμανση ενός θερμοκηπίου στην περιοχή επιστρέφοντας στη μονάδα με μειωμένη θερμοκρασία από 40 C έως 70 C. Το δεύτερο κύκλωμα ανακτά θερμική ενέργεια από το κύκλωμα ψύξης υψηλής θερμοκρασίας της μηχανής τροφοδοτώντας με νερό 90 C τους ξηραντές υψηλής θερμοκρασίας και επιστρέφοντας πίσω σους εναλλάκτες στους 60 C. Τέλος το τρίτο κύκλωμα ανακτά θερμική ενέργεια από τον εναλλάκτη ψύξης του λαδιού λίπανσης και τροφοδοτεί τους ξηραντήρες χαμηλής θερμοκρασίας με νερό 50 C επιστρέφοντας στους εναλλάκτες νερό 38 C. Στην εικόνα 2.53 απεικονίζονται τα κυκλώματα ψύξης της μηχανής - παραγωγής θερμού νερού. [41]

112 Εικόνα 2.53: Κυκλώματα ψύξης της μηχανής diesel που χρησιμοποιεί η μονάδα Greenpower για την παραγωγή θερμού νερού Στην εικόνα 2.54 παρουσιάζεται το διάγραμμα ροής ενέργειας για τη μονάδα συμπαραγωγής Greenpower Εικόνα 2.54: Διάγραμμα ροής ενέργειας για τη μονάδα συμπαραγωγής Greenpower Πίνακας 2.34: Γεωμετρικά χαρακτηριστικά της μηχανής εσωτερικής καύσης Wartsila 20V32 [41] Mηχανή εσωτερικής καύσης Wärtsilä 20V32 Διαδρομή εμβόλου mm 400 Διάμετρος κυλίνδρων mm 320 Ταχύτητα μηχανής rpm Ταχύτητα εμβόλου m/sec 9,6-10 Μήκος mm Πλάτος mm Ύψος mm Βάρος τόνοι

113 Πίνακας 2.35: Τεχνικά χαρακτηριστικά της μηχανής εσωτερικής καύσης Wartsila 20V32 [41] Μηχανή εσωτερική καύσης Wärtsilä 20V32 750rpm (50Hz) 720rpm (60Hz) Ισχύς ηλεκτρική kw Θερμότητα kj/kwh Απόδοση ηλεκτρική % 46,2 46,2 *Περιεκτικότητα καυσαερίων σε NO x ppm-vol Κύκλωμα υψηλής θερμοκρασίας C 79/96 80/96 Είσοδος - Έξοδος Ψύξη αέρα εισαγωγής C 86/96 87/96 κύκλωματος υψηλής θερμοκρασίας Είσοδος - Έξοδος Ψύξη κυλίνδρων C 79/86 80/87 Είσοδος - Έξοδος Κύκλωμα χαμηλής θερμοκρασίας C 38/49 38/48 Είσοδος - Έξοδος Κύκλωμα λαδιού λίπανσης C 63/79 63/79 Είσοδος - Έξοδος Ψύξη αέρα εισαγωγής C 38/43 38/43 κύκλωματος χαμηλής θερμοκρασίας Είσοδος - Έξοδος Παροχή αέρα εισαγωγής kg/sec 17 16,2 Ροή καυσαερίων kg/sec 17,5 16,7 Θερμοκρασία καυσαερίων C Θερμική ενέργεια καυσαερίων kw Θερμική ενέργεια kw Κυκλώματος υψηλής θερμοκρασίας Θερμική ενέργεια από ψύξη αέρα kw εισαγωγής κυκλώματος υψηλής θερμοκρασίας Θερμική ενέργεια από ψύξη kw Κυλίνδρων Θερμική ενέργεια kw Κυκλώματος χαμηλής θερμοκρασίας Θερμική ενέργεια kw από κύκλωμα λαδιού λίπανσης Θερμική ενέργεια από ψύξη αέρα kw εισαγωγής κυκλώματος χαμηλής θερμοκρασίας Θερμικές απώλειες (ακτινοβολία) kw *Η συγκέντρωση NO x 1 ppm vol (κατ όγκο) αντιστοιχεί σε 2054 mg/m 3 ξηρού αέρα με περιεκτικότητα σε Ο 2 15% σε θερμοκρασία 0 C και πίεση kpa

114 Διαχείριση Καυσαερίων Ο κύριος αέριος ρύπος των μηχανών diesel που χρησιμοποιούνται στην ηλεκτροπαραγωγή είναι τα οξείδια του αζώτου ( NO x ). Ο περιορισμός τους ξεκινά με διάφορες μεθόδους μέσα στο θάλαμο καύσης. Έτσι ορισμένα από τα χαρακτηριστικά της μηχανής diesel 20V32 της Wärtsilä είναι: Στο θάλαμο καύσης εισάγεται ελαφρώς πλούσιο μίγμα. Τα εσωτερικά ψυκτικά κανάλια είναι έτσι σχεδιασμένα ώστε να μην φθάνει σε υψηλές θερμοκρασίες η μέση θερμοκρασία του κυλίνδρου και συνεπώς η θερμοκρασία των καυσαερίων διότι η υψηλή θερμοκρασία καυσαερίων ευνοεί το σχηματισμό NO x. Υψηλή σχέση συμπίεσης. (r= V 1 /V 2 ) Πρώιμο κλείσιμο βαλβίδας εισαγωγής (συγχρονισμός του Miller) Πέρα από αυτές τις τεχνικές στη συγκεκριμένη μονάδα χρησιμοποιείται μία μέθοδος επεξεργασίας των καυσαερίων SCR (Selective Catalytic Reduction) προκειμένου να μειωθεί περαιτέρω η περιεκτικότητα των καυσαερίων σε NO x με ποσοστό μείωσης έως και 90%. Αυτή η μέθοδος συνίσταται στη μετατροπή των οξειδίων του αζώτου NO x, με τη βοήθεια καταλύτη σε άζωτο Ν 2 και νερό Η 2 Ο. Η μείωση των NO x λαμβάνει χώρα καθώς τα καυσαέρια διέρχονται μέσα από μία κυψελοειδή δομή στο εσωτερικό ενός θαλάμου στις επιφάνειες της οποίας βρίσκονται συγκεκριμένοι καταλύτες. Πριν τα καυσαέρια εισέρθουν στο θάλαμο όπου υπάρχει αυτή η κυψελοειδή δομή εγχέεται ομοιογενώς στη ροή τους μία αέρια αναγωγική ουσία η οποία θα μπορούσε να είναι αμμωνία ή ουρία. Οι αντιδράσεις μείωσης των NO x γίνονται σε θερμοκρασία από 357 C έως 447 C αλλά μπορούν να λάβουν χώρα και σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, από 227 C, εάν αυξηθεί ο χρόνος διάρκειας των αντιδράσεων. Η κυψελοειδή δομή είναι από κεραμικό υλικό ενώ ως καταλύτες μπορούν να χρησιμοποιηθούν συγκεκριμένα οξείδια μετάλλων όπως το βανάδιο και το βολφράμιο ή ζεόλιθοι ή άλλα πολύτιμα μέταλλα ανάλογα με την κάθε περίπτωση. Ο χρόνος ζωής των συστημάτων SCR μπορεί να μειωθεί σημαντικά από μικρά σωματίδια που υπάρχουν μέσα στα καυσαέρια και τα οποία επικάθονται πάνω στους καταλύτες μειώνοντας το πορώδες τους και από διάφορες ουσίες που μπορούν να δηλητηριάσουν τους καταλύτες. Το πορώδες των καταλυτών δίνει μεγάλη επιφάνεια αντίδρασης και έχει μεγάλη σημασία για τη μείωση των NO x. Τα μικρά σωματίδια μπορούν να απομακρυνθούν με τη βοήθεια φυσητήρων αέρα ή ανεβάζοντας τη θερμοκρασία των καυσαερίων. Οι ουσίες που δηλητηριάζουν αχρηστεύουν τους καταλύτες είναι : ο φώσφορος, το χρώμιο, τα αλκαλικά μέταλλα, τα αλογόνα το αρσενικό, το αντιμόνιο, ο χαλκός και άλλα. Το σύστημα SCR έχει επίσης διάφορα συστήματα μέτρησης των NO x και ελέγχου της ροής ώστε να εξασφαλίζεται μία ομοιόμορφη ροή των καυσαερίων μέσα από τον καταλύτη, μία ομοιογενή κατανομή της αμμωνίας μέσα στα καυσαέρια όπως επίσης και η έγχυση της κατάλληλης ποσότητας αμμωνίας ανάλογα με τα επίπεδα των NO x δηλαδή ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας. Η περιεκτικότητα των καυσαερίων που αποβάλλονται σε NO x είναι μικρότερη από 500 mg/m³ για 5 % O 2. Η μέθοδος SCR εφαρμόζεται σε καύσιμα με περιεκτικότητα σε θείο κάτω από 2 %

115 Εικόνα 2.55: Το σύστημα SCR για τον περιορισμό των NOx που εφαρμόζεται στη μονάδα Greenpower Εικόνα 2.56: Γραφική αναπαράσταση της μονάδας καύσης βιοκαυσίμων Greenpower

116 Συμπερασματικά Οι μηχανές εσωτερικής καύσης αποτελούν τον πιο αποτελεσματικό τρόπο για τη θερμική επεξεργασία υγρών ή αέριων καυσίμων προς παραγωγή ενέργειας. Ο βαθμός απόδοσης των μηχανών εσωτερικής καύσης μπορεί να φθάσει το 48 % ενώ ο βαθμός απόδοσης μίας μονάδας συμπαραγωγής το 90 %. Επίσης ένα πλεονέκτημα που παρουσιάζουν οι μονάδες που αποτελούνται από μία συστοιχία μηχανών εσωτερικής καύσης είναι η δυνατότητα εύκολης προσαρμογής στο φορτίο αφού υπάρχει η δυνατότητα να σταματήσει η λειτουργία μερικών μηχανών τις περιόδους που οι ανάγκες σε ενέργεια είναι μειωμένες. Ακόμη, προκειμένου να γίνει η συντήρησή τους δεν είναι απαραίτητο να σταματήσει η λειτουργία της μονάδας καθώς όσο συντηρούνται ορισμένες μηχανές οι υπόλοιπες μπορούν να βρίσκονται σε λειτουργία. Τέλος, ένας επενδυτής έχει τη δυνατότητα κατασκευής μίας μικρής μονάδας στην αρχή και την επέκτασή της αργότερα με εύκολο τρόπο

117

118 Κεφάλαιο 3 Θερμοχημική Αεριοποίηση 3.1 Γενικά Η μετατροπή της βιομάζας μέσω αεριοποίησης σε ένα κατάλληλο για χρήση αέριο καύσιμο, αυξάνει σημαντικά τη δυνητική αξιοποίηση της βιομάζας ως ανανεώσιμη πηγή ενέργειας. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας κάνοντας χρήση τεχνολογιών αεριοποίησης βιομάζας αφορά τις αναπτυγμένες χώρες, διότι αυτή η μέθοδος συγκριτικά με την καύση ορυκτών καυσίμων (ή ακόμα και βιομάζας) είναι πιο φιλική προς το περιβάλλον, αλλά και τις αναπτυσσόμενες χώρες, φτωχές σε ορυκτά καύσιμα, διότι έτσι μπορεί να παραχθεί ηλεκτρική ενέργεια από διάφορες χαμηλού κόστους μορφές βιομάζας σε απομακρυσμένες περιοχές από μονάδες μικρής εγκατεστημένης ισχύος. Θερμοχημική αεριοποίηση ονομάζουμε τη μετατροπή της βιομάζας σε αέριο καύσιμο με θέρμανση, παρέχοντας λιγότερο οξυγόνο από το στοιχειομετρικά απαιτούμενο για την καύση της. Το αέριο που παράγεται μπορεί να τυποποιηθεί σε ποιότητα και είναι πιο εύκολο στη χρήση και την αποθήκευσή του από την αρχική μορφή βιομάζας. Ο συνολικός βαθμός απόδοσης της μετατροπής της βιομάζας σε ενέργεια χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της αεριοποίησης κυμαίνεται μεταξύ 75 % 80 %

119 3.2 Περιγραφή λειτουργίας ενός αντιδραστήρα αεριοποίησης Στους τυπικούς αντιδραστήρες αεριοποίησης λαμβάνουν χώρα οι παρακάτω διεργασίες σε συγκεκριμένες θερμοκρασίες η κάθε μία : Ξήρανση (έως 150 ο C) Πυρόλυση (150 ο C 700 ο C) Καύση (700 ο C 1500 ο C) Αεριοποίηση (800 ο C 1100 ο C) Η πρώτη, η δεύτερη και η τέταρτη διεργασία απορροφούν θερμότητα η οποία προσφέρεται από την εξώθερμη διεργασία της καύσης. Πιο αναλυτικά : Ξήρανση : Κατά τη διάρκεια της ξήρανσης αυξάνεται η θερμοκρασία της βιομάζας και αποβάλλεται η υγρασία της καθώς εκλύονται ατμοί. Πυρόλυση : Κατά τη διάρκεια της πυρόλυσης γίνεται θέρμανση της βιομάζας απουσία οξειδωτικού μέσου και επιτυγχάνεται διαχωρισμός των συστατικών του σε αέρια, υγρά και στερεά παράγωγα : Ελαφρά αέρια (H 2, CO, CO 2, H 2 O, CH 4 ), πτητικοί υδρογονάνθρακες και πίσσες σε αέρια φάση κυρίως της 1 ης και 2 ης κατηγορίας. Εξανθράκωμα : στερεό πορώδες υπόλειμμα που αποτελείται κυρίως από άνθρακα. Πίσσες σε υγρή φάση κυρίως της 3 ης και 4 ης κατηγορίας : Πολυαρωματικές ενώσεις που σχηματίζονται κατά τη θέρμανση και διάσπαση βασικών συστατικών της βιομάζας (όπως κυτταρίνη, ημικυτταρίνη και λιγνίνη ). Αποτελούνται από οργανικές και ανόργανες ουσίες με μοριακά βάρη μεγαλύτερα από το βάρος του βενζενίου (Μ.Β βενζενίου = 78). Είναι μαύρες, πηκτές, διαβρωτικές ουσίες με υψηλό σημείο βρασμού και μπορούμε να τις κατατάξουμε σε τέσσερεις κατηγορίες : 1 η Κατηγορία (μαύρη καμπύλη): μεικτές οξυγονούχες ενώσεις (όπως οργανικά οξέα, αλδεΰδες, κετόνες) που σχηματίζονται στους 400 ο C 500 ο C κατά τη διαδικασία της πυρόλυσης 2 η Κατηγορία (κόκκινη καμπύλη): φαινολικές ενώσεις που σχηματίζονται γύρω στους 600 ο C κατά τη διαδικασία της πυρόλυσης 3 η Κατηγορία (πράσινη καμπύλη): παράγωγα του μεθυλίου που σχηματίζονται στους 800 ο C κατά τη διαδικασία της αεριοποίησης 4 η Κατηγορία (μπλε καμπύλη): ενώσεις που προέρχονται από τη διάσπαση των παραγώγων του μεθυλίου της προηγούμενης κατηγορίας και σχηματίζονται γύρω στους 900 ο C κατά τη διαδικασία της αεριοποίησης

120 Στην εικόνα 3.1 παρουσιάζονται οι θερμοκρασιακές περιοχές που ευνοούν την ανάπτυξη κάθε κατηγορίας πίσσας. [44] Εικόνα 3.1: Θερμοκρασιακές περιοχές που ευνοούν την ανάπτυξη κάθε κατηγορίας πίσσας Οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για τον περιορισμό των πισσών μπορούν να χωριστούν σε τρεις κατηγορίες : 1. Διάσπαση των χημικών δεσμών των πισσών και ανασχηματισμός άλλων ενώσεων όπως CO και Η 2 ( θερμική διάσπαση, διάσπαση με πλάσμα, διάσπαση με καταλύτη ). 2. Απομάκρυνση των πισσών με μηχανικό τρόπο 3. Απομάκρυνση των πισσών με φυσικό τρόπο (ηλεκτροστατικά φίλτρα, περιστρεφόμενοι διαχωριστές σωματιδίων, κυκλώνες, φίλτρα, διατάξεις πλύσης με νερό, διατάξεις πλύσης με λάδι). Καύση : Η καύση (οξείδωση) της βιομάζας παράγει όλη τη θερμική ενέργεια που απαιτείται για τις υπόλοιπες ενδόθερμες αντιδράσεις. Τα αέρια παράγωγα της καύσης όπως φαίνεται και από τις αντιδράσεις καύσης παρακάτω είναι CO, CO 2 και H 2 O. C + O 2 CO 2 ( - 393,77 kj/mol C) C + 1/2 O2 CO (- 109 kj/mol C) Η 2 + ½ Ο 2 Η 2 Ο ( kj/mol H 2 )

121 Αεριοποίηση : Η αεριοποίηση περιλαμβάνει μία σειρά από ενδόθερμες αντιδράσεις που ενεργειακά υποστηρίζονται από τη διεργασία της καύσης. Συνεπώς η θερμοκρασία μειώνεται κατά τη διάρκεια της αεριοποίησης. Συνολικά το στερεό καύσιμο μετατρέπεται κυρίως σε σταθερά αέρια ( CO, H 2, CO 2, H 2 O και CH 4 ), άλλες ανόργανες ενώσεις με συγκεντρώσεις της τάξης των ppmv ( H 2 S, COS, HCl, NH 3, HCN), ενώσεις βαρέων υδρογονανθράκων (πίσσες), ενώ απομένει κάποιο ποσοστό στερεού εξανθρακώματος και τέφρας ( κυρίως μεταλλικά ανόργανα συστατικά). Στην αεριοποίηση προστίθεται μικρή ποσότητα οξυγόνου (περίπου % του στοιχειομετρικά απαιτούμενου αέρα για την πλήρη καύση). Η αεριοποίηση θεωρείται πλήρης (100 % μετατροπή άνθρακα) όταν όλα τα στοιχεία (εκτός των ανόργανων) είναι στην ίδια φάση, την αέρια. Οι βασικότερες αντιδράσεις αεριοποίησης βιομάζας είναι οι πρώτες δύο και ακολουθούν και άλλες : Ετερογενής αντίδραση μετατόπισης ( water gas reaction ). Μερική οξείδωση του άνθρακα με ατμό ο οποίος μπορεί να προέρχεται από υδρατμούς του αέρα εισόδου ή από τα παράγωγα της πυρόλυσης και καύσης. C + Η 2 Ο Η 2 + CO ( + 131,38 kj/mol C ) Αντίδραση boudouard ( boudouard reaction). Το διοξείδιο του άνθρακα αντιδρά με τα υπολείμματα άνθρακα για παραγωγή μονοξειδίου του άνθρακα. C + CΟ 2 2CO ( + 172,58 kj/mol C ) Αντίδραση μετατόπισης ( shift conversion ). Αυτή η αντίδραση λαμβάνει χώρα σε θερμοκρασίες άνω των 700 ο C και μετά από ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα το παραγόμενο αέριο λαμβάνει μία σύνθεση ισορροπίας. Κάτω από αυτή τη θερμοκρασία οι συγκεντρώσεις των συστατικών του παραγόμενου αερίου δε μεταβάλλονται. CΟ + Η 2 Ο Η 2 + CO 2 ( - 41,98 kj/mol CΟ ) Αντίδραση σχηματισμού μεθανίου ( methanation). C + 2Η 2 CΗ 4 ( - 74,90 kj/mol C ) Επίσης, λαμβάνουν χώρα και οι παρακάτω αντιδράσεις αλλά σε μικρότερη κλίμακα: C +2H 2 O CO 2 + 2H 2 (+ 88 kj/mol C) CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 (+ 205 kj/mol CH 4 )

122 Όλες οι παραπάνω αντιδράσεις είναι αμφίδρομες και μπορούν να εξελιχθούν είτε προς τα δεξιά είτε προς τα αριστερά ανάλογα με τις συνθήκες θερμοκρασίας, πίεσης και συγκέντρωσης αντιδρώντων στοιχείων που επικρατούν. Συνεπώς το παραγόμενο αέριο από αεριοποίηση βιομάζας αποτελείται κυρίως από ένα μίγμα CO, CO 2, CH 4, H 2 και H 2 O ( και Ν 2 αν χρησιμοποιήσουμε αέρα ως μέσο αεριοποίησης) με την τελική σύνθεση του να εξαρτάται από την πρώτη ύλη, τις συνθήκες αεριοποίησης και τη θερμοκρασία στην οποία γίνεται η διεργασία. Μία τυπική σύνθεση αερίου αεριοποίησης παρουσιάζεται στον πίνακα 3.1. Στην πρώτη περίπτωση αεριοποιούμε ξύλα με 20 % υγρασία και στη δεύτερη κάρβουνο με 7 % υγρασία. [49] Πίνακας 3.1 : Τυπική σύνθεση αερίου αεριοποίησης Συστατικό Σύνθεση % κατ όγκο Αέριο από ξύλα Αέριο από κάρβουνα Άζωτο (N 2 ) Διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) Μονοξείδιο του άνθρακα (CO) Υδρογόνο (H 2 ) Μεθάνιο (CH 4 ) Θερμογόνος δύναμη (MJ/m 3 ) 5-5,9 4,5-5,6 Αναλόγως το μέσο αεριοποίησης, τις συνθήκες και τον τρόπο αεριοποίησης που θα χρησιμοποιήσουμε μπορούμε να επιτύχουμε αέριο αεριοποίησης διαφορετικής θερμογόνου δύναμης. Όταν χρησιμοποιούμε αέρα ως μέσο αεριοποίησης τότε προκύπτει αέριο χαμηλής θερμογόνου δύναμης (4 6 MJ/Nm 3 ) λόγω του αζώτου. Όταν χρησιμοποιούμε οξυγόνο τότε προκύπτει αέριο μεγαλύτερης θερμογόνου δύναμης (10 15 MJ/Nm 3 ) ενώ μπορούμε να αυξήσουμε ακόμη περισσότερο τη θερμογόνο δύναμη αν χρησιμοποιήσουμε μείγμα οξυγόνου και ατμού (13 20 MJ/Nm 3 ). Τέλος αν χρησιμοποιήσουμε υδρογόνο λαμβάνουμε αέριο με την υψηλότερη δυνατή θερμογόνο δύναμη (40 MJ/Nm 3 ). Από όλα τα παραπάνω περισσότερο χρησιμοποιείται ο αέρας ως μέσο αεριοποίησης λόγω του σημαντικά μικρότερου κόστους. Η θερμική του όμως αξία δεν είναι αρκετά υψηλή ώστε να δικαιολογεί την κατανάλωση ενέργειας για την συμπίεσή του ή την κατασκευή ειδικών σωληνώσεων (τα οποία ελαχιστοποιούν τις διαρροές) για τη μεταφορά του, όπως του φυσικού αερίου. Η κατανάλωση δηλαδή του αερίου είναι πιο συμφέρουσα όταν γίνεται στο σημείο στο οποίο παράγεται. Εάν το αέριο αεριοποίησης που προκύπτει είναι μέσης ή υψηλής θερμογόνου δύναμης, μπορεί εκτός από καύσιμο να χρησιμοποιηθεί και για την παραγωγή χημικών ουσιών όπως το μεθάνιο και η μεθανόλη. Οι περισσότερες αντιδράσεις που συντελούνται κατά τη αεριοποίηση είναι ενδόθερμες έτσι διακρίνουμε τους αντιδραστήρες αεριοποίησης οι οποίοι παρέχουν την αναγκαία θερμότητα αποκλειστικά από την καύση των αντιδρώντων συστατικών, όπως συμβαίνει αν το οξειδωτικό μέσο είναι αέρας ή οξυγόνο και αυτούς που λαμβάνουν θερμότητα και από εξωτερική πηγή, αν χρησιμοποιούμε και ατμό. Στην πρώτη περίπτωση οι αντιδραστήρες ονομάζονται αυτοθερμικοί (πιο συνηθισμένη περίπτωση) και στη δεύτερη περίπτωση αλλοθερμικοί. [48, 49]

123 3.3 Χαρακτηριστικά καυσίμου κατάλληλου για αντιδραστήρες αεριοποίησης Υγρασία: Η περιεκτικότητα σε υγρασία της βιομάζας θα πρέπει να είναι μεταξύ 10 % - 15 % του βάρους της, πριν την αεριοποίηση. Όταν η εισαγόμενη βιομάζα περιέχει αυξημένα ποσοστά υγρασίας (π.χ άνω του 30 %) τότε παρουσιάζονται δυσκολίες κατά την ανάφλεξή της ενώ παρατηρείται και μείωση της θερμογόνου δύναμης του παραγόμενου αερίου. Αυτό οφείλεται εν μέρει στην ανάγκη να εξατμιστεί η επιπλέον υγρασία πριν την έναρξη των επόμενων διεργασιών καύσης και αεριοποίησης. Ακόμη, υψηλές περιεκτικότητες σε υγρασία μειώνουν τη θερμοκρασία που επικρατεί στη ζώνη καύσης με αποτέλεσμα να μειώνεται η έκλυση αερίων κατά τη διαδικασία της πυρόλυσης και συνεπώς η ποσότητα του CO που περιέχεται στο παραγόμενο αέριο να είναι μειωμένη. Βέβαια, υψηλές περιεκτικότητες σε υγρασία ενισχύουν την παραγωγή Η 2 σύμφωνα με την εξίσωση αεριοποίησης (3) η οποία με τη σειρά της ενισχύει την παραγωγή CH 4 σύμφωνα με την εξίσωση αεριοποίησης (4). Παρόλη όμως την αύξηση της περιεκτικότητας του παραγόμενου αερίου σε Η 2 και CH 4 η θερμογόνος δύναμή του εμφανίζεται μειωμένη με αύξηση της υγρασίας της εισαγόμενης βιομάζας. Για τους παραπάνω λόγους επιδιώκεται η μείωση της υγρασίας της εισαγόμενης βιομάζας με ξηραντές που χρησιμοποιούν την απορριπτόμενη θερμότητα από τα καυσαέρια και τα συστήματα ψύξης της μηχανής. Οι ατμοί που εκλύονται από τη βιομάζα κατά τη διάρκεια της ξήρανσης περιέχουν διάφορες πτητικές οργανικές ενώσεις, κυρίως τερπένια. Γι αυτό το λόγο είναι απαραίτητη η επεξεργασία αυτών των ατμών πριν ελευθερωθούν στην ατμόσφαιρα. Τέφρα: Ως τέφρα ορίζουμε τα στερεά μη οργανικά συστατικά της βιομάζας που παραμένουν μετά την ολοκλήρωση της καύσης. Η περιεκτικότητα σε τέφρα ποικίλει ανάλογα με το είδος της βιομάζας από 0,1 % στα ξύλα μέχρι και 15 % σε ορισμένες περιπτώσεις βιομάζας αγροτικής προέλευσης. Σε αντιδραστήρες αεριοποίησης συνιστάται να είναι λιγότερο από 5 %. Ο σχεδιασμός του αντιδραστήρα και ιδίως το σύστημα συλλογής και απομάκρυνσης της τέφρας, θα πρέπει να λαμβάνει υπόψη την περιεκτικότητα τέφρας της βιομάζας που πρόκειται να χρησιμοποιηθεί. Η χημική σύνθεση της τέφρας έχει μεγάλη σημασία διότι καθορίζει το σημείο τήξης. Αν η θερμοκρασία καύσης υπερβεί το σημείο τήξης της τέφρας τότε δημιουργούνται ανεπιθύμητες επικαθίσεις στο χώρο του αντιδραστήρα. Μέγεθος σωματιδίων εισερχόμενης βιομάζας: Το μέγεθος των σωματιδίων της βιομάζας που τροφοδοτούμε τον αντιδραστήρα αεριοποίησης συνήθως κυμαίνεται μεταξύ mm και εξαρτάται από τη διάμετρο της εστίας του αντιδραστήρα. Εάν τα σωματίδια βιομάζας είναι μεγαλύτερων διαστάσεων τότε δυσχεραίνουν το σύστημα τροφοδοσίας ενώ αν είναι μικρότερων τότε δεν επιτρέπουν τη δημιουργία απαραίτητων για τη λειτουργία του αντιδραστήρα, περασμάτων αέρα. Πυκνότητα σωματιδίων εισερχόμενης βιομάζας : Γενικά παρατηρούνται μεγάλες διακυμάνσεις πυκνότητας στα είδη βιομάζας που χρησιμοποιούνται για αεριοποίηση ( kg/m 3 ) που εξαρτάται και από τον τρόπο που διατίθεται η βιομάζα (σε τσιπς, σε δέματα, χύμα). Όταν η βιομάζα διατίθεται σε μικρή πυκνότητα τότε δημιουργούνται δυσχέρειες στην αποθήκευση, μεταφορά και γενικά στο χειρισμό της. Επίσης, βιομάζα μικρής πυκνότητας συχνά οδηγεί σε μη ολοκληρωμένη αεριοποίηση και με αυτόν τον τρόπο σε περιορισμό των δυνατοτήτων του αντιδραστήρα. Πτητικά : Βιομάζα με υψηλή περιεκτικότητα πτητικών είναι πιο δραστική και μετατρέπεται ευκολότερα σε αέρια καύσιμα, είναι δηλαδή κατάλληλη για αεριοποίηση, όμως το αέριο καύσιμο που παράγεται διακρίνεται από υψηλή περιεκτικότητα σε πίσσες που δυσχεραίνει τον καθαρισμό του. [49]

124 3.4 Είδη αντιδραστήρων αεριοποίησης βιομάζας Οι πιο συνηθισμένοι αντιδραστήρες αεριοποίησης είναι αυτοί του ενός σταδίου, δηλαδή χρησιμοποιούν αποκλειστικά ένα αντιδραστήρα για να μετατρέψουν το καύσιμο σε αέριο και είναι οι πλέον απλοί στην κατασκευή τους. Η ποιότητα όμως του αερίου που δίνουν δεν είναι ιδιαίτερα υψηλή, καθώς περιέχει αρκετές προσμίξεις και άκαυστα. Για αυτό το λόγο δημιουργήθηκαν οι αντιδραστήρες αεριοποίησης πολλαπλών σταδίων, οι οποίοι πραγματοποιούν πρώτα την πυρόλυση και στη συνέχεια σε ένα δεύτερο στάδιο πραγματοποιούν την αεριοποίηση των προϊόντων της πυρόλυσης. Οι αντιδραστήρες αυτοί μπορεί να είναι παράλληλοι ή σε σειρά. Παρακάτω περιγράφονται οι τύποι αντιδραστήρων του ενός σταδίου που εμφανίζονται στις περισσότερες εφαρμογές. Το είδος του αντιδραστήρα που πρέπει κάποιος να επιλέξει εξαρτάται από το διαθέσιμο καύσιμο και τη χρήση του παραγόμενου αερίου αεριοποίησης. 3.5 Αντιδραστήρες αεριοποίησης σταθερής κλίνης ή πυκνής μορφής (fixed bed reactors) Οι αντιδραστήρες αεριοποίησης τύπου σταθερής κλίνης ή αλλιώς πυκνής μορφής είναι οι πρώτοι που δημιουργήθηκαν. Κύριο χαρακτηριστικό τους είναι ότι η καύσιμη ύλη καλύπτει όλο σχεδόν το χώρο του αντιδραστήρα σε αντίθεση με τους αντιδραστήρες αεριοποίησης αραιής μορφής όπου το καύσιμο καλύπτει ένα μικρό μέρος μόνο του αντιδραστήρα. Οι αντιδραστήρες αυτοί είναι οι μόνοι κατάλληλοι για εγκαταστάσεις μικρής κλίμακας. Μπορούν να χωριστούν ανάλογα με τη σχετική κίνηση που ακολουθούν το καύσιμο και το μέσο αεριοποίησης. Έτσι, διακρίνουμε τους παρακάτω βασικούς τύπους:

125 3.5.1 Αντιδραστήρες αεριοποίησης τύπου ανοδικής ροής (updraft) ή αντιροής Εικόνα 3.2 : Αντιδραστήρας αεριοποίησης τύπου ανοδικής ροής και θερμοκρασιακό προφίλ Ο συγκεκριμένος τύπος αντιδραστήρα είναι ο απλούστερος αντιδραστήρας αεριοποίησης και ο πρώτος που κατασκευάστηκε. Συνήθως σε αυτούς χρησιμοποιούνται καύσιμα που παράγουν μικρές ποσότητες πίσσας, όπως κάρβουνο. Η βιομάζα εισέρχεται στον αντιδραστήρα από το άνω μέρος και μετακινείται προς το κάτω μέρος καθώς αυτή μετατρέπεται σταδιακά σε αέριο αεριοποίησης και τέφρα. Το μέσο αεριοποίησης (συνήθως ατμοσφαιρικός αέρας) εισέρχεται στον αντιδραστήρα από το κάτω μέρος και συμμετέχει στις αντιδράσεις οξείδωσης. Επειδή πολλές φορές στη βάση του αντιδραστήρα αναπτύσσεται υψηλή θερμοκρασία που μπορεί να καταστρέψει τη σχάρα, εισάγουμε ποσότητες ατμού ή CO 2 όταν θέλουμε να τη μειώσουμε. Το παραγόμενο αέριο αεριοποίησης εξέρχεται από το άνω μέρος του αντιδραστήρα. Δηλαδή η ροή της βιομάζας και αυτή του αέρα εισόδου ακολουθούν αντίθετες κατευθύνσεις (αντιδραστήρες αντιροής). Η βιομάζα καθώς μετακινείται προς το κάτω μέρος του αντιδραστήρα, διέρχεται διαδοχικά από 4 περιοχές όπου λαμβάνουν χώρα οι αντίστοιχες διεργασίες : Ξήρανση, Πυρόλυση, Αεριοποίηση και Καύση. Στην περιοχή της ξήρανσης η βιομάζα χάνει μέρος της υγρασίας της. Στη ζώνη πυρόλυσης η βιομάζα διασπάται σε διάφορα πτητικά αέρια, πίσσα και σε στερεά ανθρακούχα υπολείμματα. Η θερμότητα που απαιτείται στη ζώνη ξήρανσης, πυρόλυσης και αεριοποίησης εξασφαλίζεται κυρίως από τα θερμά ανοδικά αέρια (θέρμανση με συναγωγή) που προέρχονται από τη ζώνη καύσης. Στη ζώνη αεριοποίησης διάφορες αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα με αποτέλεσμα την παραγωγή κυρίως υδρογόνου και μονοξειδίου του άνθρακα. Τέλος στη ζώνη καύσης τα στερεά ανθρακούχα υπολείμματα καίγονται παράγοντας την απαιτούμενη θερμότητα, διοξείδιο του άνθρακα και υδρατμούς που χρειάζονται στα παραπάνω στάδια. Τα κύρια πλεονεκτήματα αυτών των αντιδραστήρων αεριοποίησης είναι η απλότητα της κατασκευής τους και ο υψηλός βαθμός απόδοσης που παρουσιάζουν λόγω του ότι η θερμοκρασία του παραγόμενου αερίου αεριοποίησης στην έξοδο δε λαμβάνει υψηλές τιμές. Επίσης στους συγκεκριμένους αντιδραστήρες μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε βιομάζα με αυξημένα ποσοστά υγρασίας (π.χ 60 %). Ακόμη οι αντιδραστήρες ανοδικής ροής επιτρέπουν μία σχετική ανομοιογένεια στο μέγεθος των σωματιδίων της εισερχόμενης βιομάζας

126 Ένα σημαντικό μειονέκτημα που παρουσιάζουν οι συγκεκριμένοι αντιδραστήρες είναι οι αυξημένες ποσότητες πίσσας στο παραγόμενο αέριο αεριοποίησης. Αυτό συμβαίνει διότι τα προϊόντα της πυρόλυσης δε διέρχονται από τη ζώνη καύσης ώστε να οξειδωθούν. Οι αυξημένες ποσότητες πίσσας αποτελούν πρόβλημα όταν το αέριο αεριοποίησης τροφοδοτεί μία μηχανή εσωτερικής καύσης. Σε αυτή την περίπτωση είναι απαραίτητη μία επεξεργασία καθαρισμού του αερίου πριν τη χρήση του. Τέλος, οι αντιδραστήρες ανοδικής ροής δε μπορούν να προσαρμοστούν γρήγορα σε αλλαγές στη ζήτηση του παραγόμενου αερίου λόγω της σχετικά μεγάλου μεγέθους ζώνης καύσης. [45,46,47,49,51]

127 3.5.2 Αντιδραστήρες αεριοποίησης τύπου καθοδικής ροής (downdraft) ή ομοροής Εικόνα 3.3: Αντιδραστήρας αεριοποίησης τύπου καθοδικής ροής και θερμοκρασιακό προφίλ Στους αντιδραστήρες καθοδικής ροής η βιομάζα εισέρχεται στον αντιδραστήρα από το άνω μέρος του ενώ ο αέρας εισάγεται χαμηλότερα από τα πλαϊνά τοιχώματά του. Συνήθως στην περιοχή εισαγωγής του αέρα διαμορφώνεται μία στένωση η οποία συμβάλει ώστε η θερμοκρασία στη ζώνη καύσης να διατηρείται σταθερή αλλά και στην κίνηση του παραγόμενου αερίου. Το παραγόμενο αέριο αεριοποίησης εξέρχεται από τη βάση του αντιδραστήρα και η ροή του έχει την ίδια κατεύθυνση με αυτή της βιομάζας (ομοροής). Οι συγκεκριμένοι αντιδραστήρες είναι οι πιο κατάλληλοι για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Ο χρόνος προσαρμογής τους σε αλλαγές του φορτίου είναι μεγαλύτερος από αυτόν ενός αντιδραστήρα διασταυρούμενης ροής αλλά μικρότερος από αυτόν ενός αντιδραστήρα ανοδικής ροής. Η βιομάζα καθώς μετακινείται προς τη βάση του αντιδραστήρα διέρχεται διαδοχικά από τη ζώνη ξήρανσης και στη συνέχεια από τη ζώνη πυρόλυσης. Αυτές περιοχές θερμαίνονται κυρίως με ακτινοβολία προερχόμενη από τη ζώνη καύσης που ακολουθεί όπου καίγεται ένα ποσοστό από τα στερεά ανθρακούχα υπολείμματα και τα παραγόμενα αέρια από τη ζώνη πυρόλυσης. Το ποσοστό των αερίων πυρόλυσης που θα καούν στη ζώνη καύσης εξαρτάται από το σχεδιασμό του αντιδραστήρα, το είδος της βιομάζας και τις ρυθμίσεις λειτουργίας από τον χειριστή. Μετά τη ζώνη καύσης τα στερεά ανθρακούχα υπολείμματα καθώς και τα παραγόμενα αέρια καύσης, διοξείδιο του άνθρακα και υδρατμοί, εισέρχονται στη ζώνη αεριοποίησης όπου και σχηματίζονται ποσότητες CO και H 2. Το κυριότερο πλεονέκτημα των αντιδραστήρων αεριοποίησης καθοδικής ροής είναι ότι το παραγόμενο αέριο αεριοποίησης έχει μικρή περιεκτικότητα σε πίσσες που το κάνει κατάλληλο για χρήση σε μηχανές εσωτερικής καύσης. Στην πράξη βέβαια, δεν είναι δυνατόν να παραχθεί ένα αέριο αεριοποίησης το οποίο να μην περιέχει καθόλου πίσσες στη σύνθεσή του. Αυτό συμβαίνει διότι πάντα υπάρχουν ορισμένες μικρές ποσότητες πίσσας οι οποίες δεν προλαβαίνουν να καούν όταν αυτές διέρχονται από τη ζώνη καύσης. Στην πλήρη φόρτιση του αντιδραστήρα όπου η θερμοκρασία είναι υψηλότερη από τη θερμοκρασία σε μερική φόρτιση, παρατηρούνται μειωμένες συγκεντρώσεις πίσσας στο παραγόμενο αέριο. Αυτού του είδους οι αντιδραστήρες αεριοποίησης χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές που κυμαίνονται από 80 μέχρι 500 kw el

128 Ένα βασικό μειονέκτημα των αντιδραστήρων αεριοποίησης καθοδικής ροής είναι η μεγάλη περιεκτικότητα του παραγόμενου αερίου σε τέφρα και σωματίδια σκόνης λόγω της διέλευσής του από τη ζώνη καύσης λίγο πριν την έξοδό του από τον αντιδραστήρα. Ακόμη, η τέφρα περιέχει σχετικά υψηλές ποσότητες άκαυστων ανθρακούχων σωματιδίων. Επίσης, στους αντιδραστήρες αυτού του τύπου το μέγεθος των σωματιδίων της εισερχόμενης βιομάζας θα πρέπει να είναι ορισμένων προδιαγραφών και να κυμαίνεται μεταξύ 4 και 10 cm έτσι ώστε να μην εμποδίζεται η ροή των αερίων πυρόλυσης προς το κάτω μέρος του αντιδραστήρα και η ροή θερμότητας από τη ζώνη καύσης προς το άνω μέρος του αντιδραστήρα. Γι αυτό το λόγο η βιομάζα συνηθίζεται να εισάγεται σε αυτούς τους αντιδραστήρες σε μορφή πέλετ ή μπρικέτας. Το περιεχόμενο σε υγρασία της εισερχόμενης βιομάζας θα πρέπει να είναι λιγότερο από 25%. Τέλος, η σχετικά υψηλή θερμοκρασία του αερίου αεριοποίησης κατά την έξοδό του από την αντιδραστήρα έχει ως αποτέλεσμα μικρότερο βαθμό απόδοσης της διαδικασίας αεριοποίησης. [45, 47, 49, 51]

129 3.5.3 Αντιδραστήρες αεριοποίησης τύπου διασταυρούμενης ροής (sidedraft) Εικόνα 3.4: Αντιδραστήρας αεριοποίησης τύπου διασταυρούμενης ροής Οι αντιδραστήρες αεριοποίησης διασταυρούμενης ροής συνήθως χρησιμοποιούνται για τη αεριοποίηση βιομάζας μικρής περιεκτικότητας σε πίσσες και πτητικά, όπως για παράδειγμα κάρβουνο και μόνο σε πολύ μικρές εγκαταστάσεις (< 10 KW el ). Η αεριοποίηση του κάρβουνου σε συνδυασμό με τη μεγάλη ταχύτητα με την οποία εισάγεται το μέσο αεριοποίησης μέσω ενός στομίου στα πλαϊνά του αντιδραστήρα, οδηγεί σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες σε μία μικρή ζώνη οξείδωσης (>1500 ο C). Παράγεται έτσι ένα αέριο αεριοποίησης χαμηλής περιεκτικότητας σε πίσσες επιτρέποντας τη χρήση του σε μία μηχανή εσωτερικής καύσης. Η βιομάζα καύσιμο και η στάχτη προσφέρουν μία θερμική μόνωση στα τοιχώματα του αντιδραστήρα επιτρέποντας την κατασκευή τους από μαλακό χάλυβα. Μόνο το στόμιο και η σχάρα θα πρέπει να είναι κατασκευασμένα από πυρίμαχα υλικά ή να έχουν κάποιο σύστημα ψύξης με αέρα ή νερό. Λόγω των υψηλών θερμοκρασιών που αναπτύσσονται το καύσιμο θα πρέπει να έχει μικρή περιεκτικότητα σε τέφρα ώστε να αποφεύγονται οι επικαθίσεις που δημιουργούνται κατά τη τήξη της. Επίσης σε αυτούς τους αντιδραστήρες πρέπει να χρησιμοποιείται υψηλής ποιότητας καύσιμο που να μην παράγει μεγάλες ποσότητες πίσσας. Το μέγεθος των σωματιδίων βιομάζας που εισάγεται μέσα στον αντιδραστήρα θα πρέπει να επιτρέπει μία ομαλή ροή της βιομάζας προς το κάτω μέρος του αντιδραστήρα. Όταν δημιουργούνται εμπόδια βιομάζας τα οποία πέφτουν απότομα στη ζώνη καύσης χωρίς να έχουν μείνει στη ζώνη πυρόλυσης όσο χρειάζεται οδηγούμαστε στιγμιαία στην παραγωγή αερίου αεριοποίησης υψηλής περιεκτικότητας σε πίσσα. Οι συγκεκριμένοι αντιδραστήρες μπορούν να προσαρμοστούν πιο γρήγορα από κάθε άλλον αντιδραστήρα σε αυξομειώσεις στη ζήτηση του παραγόμενου αερίου αεριοποίησης λόγου του μικρού σχετικά μεγέθους της ζώνης καύσης. [45, 47, 49, 51]

130 3.5.4 Αντιδραστήρες αεριοποίησης τύπου ανοιχτής κορυφής (open core) Εικόνα 3.5 : Αντιδραστήρας αεριοποίησης τύπου ανοιχτής κορυφής Οι αντιδραστήρες αεριοποίησης τύπου ανοιχτής κορυφής είναι μεταγενέστερης κατασκευής από τους προηγούμενους και χρησιμοποιούνται για αεριοποίηση βιομάζας μεγάλης περιεκτικότητας σε τέφρα. Τα σωματίδια βιομάζας που εισάγονται από το πάνω μέρος επιλέγεται να είναι μικρών διαστάσεων και με μικρή πυκνότητα. Στην πράξη, στους συγκεκριμένους αντιδραστήρες έχουν χρησιμοποιηθεί μόνο σωματίδια βιομάζας από φλοιό ρυζιού. Ο αντιδραστήρας τύπου ανοιχτής κορυφής παρουσιάζει ομοιότητες με τον αντιδραστήρα καθοδικής ροής και τα παραγόμενα αέρια πυρόλυσης οδηγούνται προς τη ζώνη καύσης. Παρόλα αυτά όμως το παραγόμενο αέριο αεριοποίησης που εξέρχεται από το κάτω μέρος του αντιδραστήρα δεν είναι τελείως απαλλαγμένο από προσμίξεις πίσσας. Συνήθως περιέχονται περίπου 0,05 κιλά πίσσας σε κάθε ένα κιλό παραγόμενου αερίου. Στο συγκεκριμένο τύπο αντιδραστήρα ο αέρας αναρροφάται από το σύνολο της διατομής του στο πάνω μέρος. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται η κατανάλωση του προσφερόμενου οξυγόνου από όλη τη διατομή κατά μήκος του αντιδραστήρα και επιτυγχάνεται μία ομοιόμορφη κατανομή της θερμοκρασίας. Δεν παρατηρούνται δηλαδή τοπικά μέγιστα της θερμοκρασίας στη ζώνη οξείδωσης όπως στους προαναφερθέντες αντιδραστήρες. Επίσης η ροή της βιομάζας προς το κάτω μέρος του αντιδραστήρα γίνεται ανεμπόδιστα διότι δεν υπάρχουν στόμια εισαγωγής αέρα που δυσχεραίνουν την κίνηση της βιομάζας ιδίως όταν τα σωματίδια της εισερχόμενης βιομάζας έχουν μικρό όγκο. Στο συγκεκριμένο αντιδραστήρα, η σχάρα είναι περιστρεφόμενη ώστε να ανακατεύεται το καύσιμο και να διευκολύνεται η ροή του. Επίσης η βάση του αντιδραστήρα αποτελείται από ένα δοχείο με νερό ώστε να παγιδεύεται και να απομακρύνεται η τέφρα. [45, 47, 49, 51]

131 3.6 Προβλήματα που ενδέχεται να παρουσιαστούν κατά τη λειτουργία των αντιδραστήρων σταθερής κλίνης Έκρηξη: Μία έκρηξη είναι δυνατό να συμβεί όταν εύφλεκτα αέρια διαρρεύσουν μέσα από το σύστημα τροφοδοσίας βιομάζας ή μέσα από το σύστημα απομάκρυνσης της τέφρας ή κάποιο άλλο σημείο διαρροής. Όταν ένας αντιδραστήρας αεριοποίησης απενεργοποιηθεί τότε διάφορα εύφλεκτα αέρια παραμένουν στο εσωτερικό του. Έτσι όταν τεθεί ξανά σε λειτουργία υπάρχει κίνδυνος να προκληθεί έκρηξη. Γι αυτό το λόγο όταν απενεργοποιείται ο αντιδραστήρας θα πρέπει να εισάγεται φρέσκος αέρας στο εσωτερικό του ώστε να απομακρύνονται τα εναπομείναντα εύφλεκτα αέρια. Διάβρωση: Οι επιφάνειες του αντιδραστήρα οι οποίες βρίσκονται σε περιοχές που επικρατούν υψηλές θερμοκρασίες διατρέχουν έντονο κίνδυνο αστοχίας λόγω διάβρωσης. Η διάβρωση των μεταλλικών επιφανειών μπορεί να προκληθεί μετά από συνέργεια διάφορων συστατικών που περιέχονται στην εισερχόμενη βιομάζα και υψηλής θερμοκρασίας. Έτσι ο σχεδιασμός του αντιδραστήρα θα πρέπει να προβλέπει ένα σύστημα ψύξης για αυτές τις επιφάνειες ή χρήση πυρίμαχων υλικών. Παρεμπόδιση ροής βιομάζας: Η παρεμπόδιση της ροή της βιομάζας μπορεί να προκληθεί από ατυχή επιλογή των χαρακτηριστικών των σωματιδίων της εισερχόμενης βιομάζας όπως η μορφολογία, το μέγεθος, η περιεκτικότητα τέφρας και άλλα. Ο σχεδιασμός του αντιδραστήρα θα πρέπει να λαμβάνει υπόψη το είδος της βιομάζας το οποίο πρόκειται να δεχτεί. Παραγωγή πίσσας: Είναι αδύνατον να παραχθεί αέριο αεριοποίησης χωρίς να περιέχει καθόλου προσμίξεις πίσσας. Στην περίπτωση που παρατηρούνται μεγαλύτερες από το συνηθισμένο προσμίξεις πίσσας αυτό μπορεί να οφείλεται σε λανθασμένη επιλογή του μεγέθους, της μορφολογίας ή της υγρασίας των σωματιδίων της εισερχόμενης βιομάζας ή ακόμη από μη ομαλή ροή της βιομάζας κατά μήκος του αντιδραστήρα. Τέλος ο αντιδραστήρας θα πρέπει να λειτουργεί σε σταθερές συνθήκες λειτουργίας και σε πλήρες φορτίο διαφορετικά εμφανίζονται επιπλέον ποσότητες πίσσας στο παραγόμενο αέριο αεριοποίησης

132 3.7 Σύγκριση αντιδραστήρων αεριοποίησης σταθερής κλίνης (fixed bed reactors) Για κάθε τύπο αντιδραστήρα σταθερής κλίνης έχουν κατασκευαστεί πολλές διαφορετικές εκδοχές που διαφέρουν σχεδιαστικά. Στον πίνακα 3.2 παρουσιάζονται ορισμένες ενδεικτικές τιμές για κάθε κατηγορία αντιδραστήρα. [49] Πίνακας 3.2 : Σύγκριση αντιδραστήρων αεριοποίησης σταθερής κλίνης Downdraft Καθοδικής ροής Updraft Ανοδικής ροής Crossdraft Διασταυρούμενης ροής Open core Ανοιχτής κορυφής Μέγιστη εγκατεστημένη 0,35 4 0,15 0,2 ισχύς (ΜW el ) Απαιτούμενος χρόνος για έναρξη λειτουργίας (min) Απαιτήσεις για καύσιμα συγκεκριμένων Υψηλές απαιτήσεις Όχι ιδιαίτερες απαιτήσεις Υψηλές απαιτήσεις Πολύ υψηλές απαιτήσεις προδιαγραφών Παραγόμενη πίσσα 0,015 με 0,5 30 με 150 0,01 με 0, (gr/nm 3 αερίου) Μέγεθος διάταξης Μικρό Μεγάλο Μικρό Μεγάλο καθαρισμού αερίου αεριοποίησης Ικανότητα προσαρμογής σε Μεγάλη Μικρή Μεγάλη Μικρή διακυμάνσεις φορτίου Χαρακτηριστικά Ξυλώδους βιομάζας Κάρβουνου Φλοιό ρυζιού Υγρασία % (υ.β) 12 έως έως έως 20 7 έως 15 Τέφρα % (ξ.β) 0,5 έως 6 1,4 έως 25 0,5 έως 1 1 έως 20 Μέγεθος mm 20 έως έως έως 20 1 έως 5 Πυκνότητα (kg/m 3 ) >500 >400 >400 >

133 Πίνακας 3.3: Σύγκριση παραγόμενου αερίου αεριοποίησης που προέρχεται από αντιδραστήρες αεριοποίησης σταθερής κλίνης Χαρακτηριστικά παραγόμενου αερίου αεριοποίησης Downdraft Καθοδικής ροής ροής Θερμογόνος δύναμη αερίου LHV (kj/nm 3 ) Θερμοκρασία παραγόμενου αερίου αεριοποίησης ( ο C) Updraft Ανοδικής Crossdraft Διασταυρούμενης ροής Open core Ανοιχτής κορυφής 4,5 έως 5 5 έως 6 4 με 4,5 5,5 έως με έως Συμπεράσματα για αντιδραστήρες αεριοποίησης σταθερής κλίνης Γενικά, οι αντιδραστήρες αεριοποίησης σταθερής κλίνης έχουν το πλεονέκτημα της απλής κατασκευής όμως το αέριο αεριοποίησης που προκύπτει έχει σχετικά μικρή θερμογόνο δύναμη ( 4-6 MJ/Nm 3 ) και υψηλές προσμίξεις πίσσας. Όταν χρησιμοποιούμε αέρα ως μέσο αεριοποίησης ο όγκος του παραγόμενου αερίου σχεδόν διπλασιάζεται με συνέπεια να αυξάνεται και το μέγεθος της διάταξης καθαρισμού του παραγόμενου αερίου. Για να αυξηθεί η θερμογόνος δύναμη του παραγόμενου αερίου όσο γίνεται περισσότερο, επιδιώκεται στον αντιδραστήρα να εισάγεται βιομάζα χαμηλής περιεκτικότητας σε υγρασία (< 15-20%). Έτσι σε πολλές εφαρμογές παρατηρούνται διατάξεις ξήρανσης της βιομάζας πριν την είσοδό της στον αντιδραστήρα που αξιοποιούν την απορριπτόμενη θερμότητα του συστήματος. Συνήθως το ενεργειακό περιεχόμενο του παραγόμενου αερίου αεριοποίησης ξεπερνά το 75 % του ενεργειακού περιεχομένου της αρχικής, εισερχόμενης βιομάζας

134 3.9 Αντιδραστήρες αεριοποίησης σταθερής κλίνης δύο σταδίων Εικόνα 3.6: Αντιδραστήρας αεριοποίησης σταθερής κλίνης δύο σταδίων Η ποιότητα του παραγόμενου αερίου αεριοποίησης μπορεί να βελτιωθεί εάν κάνουμε αεριοποίηση σε δύο στάδια δύο αντιδραστήρες. Στον 1 ο αντιδραστήρα γίνεται στην αρχή ξήρανση και μετά πυρόλυση της εισερχόμενης βιομάζας εκμεταλλευόμενοι τη θερμική ενέργεια του παραγόμενου αερίου αεριοποίησης. Ο 1 ος αντιδραστήρας τροφοδοτεί το 2 ο με τα προϊόντα της πυρόλυσης δηλαδή με στερεά εξανθρακώματα και αέρια πυρόλυσης θερμοκρασίας 600 ο C. Τα στερεά εξανθρακώματα συσσωρεύονται στη βάση του 2 ου αντιδραστήρα. Εισάγοντας το μέσο αεριοποίησης, (αέρα ή ατμό), στον 2 ο αντιδραστήρα τα αέρια πυρόλυσης υπόκεινται σε μερική οξείδωση παρέχοντας την απαιτούμενη για τη διεργασία θερμική ενέργεια και ανεβάζοντας τη θερμοκρασία κοντά στους 1100 ο C. Στη συνέχεια το μείγμα αερίων και αέρα ωθείται να περάσει διαμέσου του όγκου των εξανθρακωμάτων που υπάρχει στη βάση του αντιδραστήρα ώστε να πραγματοποιηθούν οι απαραίτητες ενδόθερμες αντιδράσεις σχηματισμού του αερίου αεριοποίησης σε ένα θερμοκρασιακό περιβάλλον κοντά στους 800 ο C. Στη συγκεκριμένη διάταξη, η περιεκτικότητα σε πίσσες των αερίων πυρόλυσης μειώνεται σημαντικά μετά τη μερική οξείδωσή τους ενώ καθώς διέρχονται από τον όγκο των εξανθρακωμάτων, ώστε να σχηματιστεί το αέριο αεριοποίησης, οι πίσσες μειώνονται ακόμη περισσότερο. Μετά από μία διαδικασία καθαρισμού από σωματίδια το αέριο αεριοποίησης θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε μία μηχανή εσωτερικής καύσης. [44, 47]

135 3.10 Αντιδραστήρες αεριοποίησης ρευστοποιημένης κλίνης ή αραιής μορφής (fluidised bed reactors) Οι αντιδραστήρες αεριοποίησης ρευστοποιημένης κλίνης αναπτύχθηκαν μεταγενέστερα σε μια προσπάθεια να ξεπεραστούν λειτουργικά προβλήματα που παρουσίαζαν οι αντιδραστήρες σταθερής κλίνης και είναι καταλληλότεροι για εγκαταστάσεις μεγαλύτερης κλίμακας. Γενικά, λειτουργούν σε χαμηλότερες θερμοκρασίες σε σχέση με τους αντιδραστήρες σταθερής κλίνης (< 900 ο C) Αντιδραστήρες αεριοποίησης τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης ( Bubbling fluidized bed ) Εικόνα 3.7: Αντιδραστήρας αεριοποίησης τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης Στους αντιδραστήρες αεριοποίησης τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης το μέσο αεριοποίησης, συνήθως πεπιεσμένος αέρας, εισέρχεται από το κάτω μέρος του αντιδραστήρα μέσω του διανομέα στο εσωτερικό του αντιδραστήρα. Προκειμένου να εισέρθει το μέσο αεριοποίησης στο εσωτερικό του αντιδραστήρα και να λάβει χώρα η ρευστοποίηση του μέσου πλήρωσης θα πρέπει να υπάρχει ένας εξωτερικός συμπιεστής αέρα. Η πίεση που πρέπει να παρέχει ο συμπιεστής στο μέσο αεριοποίησης πρέπει να είναι αρκετά μεγάλη ώστε να ξεπεραστεί το βάρος των σωματιδίων του μέσου πλήρωσης και να αρχίσουν να σχηματίζονται οι φυσαλίδες στην κατάσταση ρευστοποίησης. Εξαρτάται δηλαδή από το σχεδιασμό και το μέγεθος του αντιδραστήρα και πιο συγκεκριμένα από το βάρος της κλίνης ανά μονάδα επιφανείας και από την πτώση πίεσης του μέσου πλήρωσης καθώς διέρχεται από το διανομέα. Ο διανομέας είναι ένα στοιχείο του αντιδραστήρα ιδιαίτερα σημαντικό καθώς είναι υπεύθυνος για την ομοιόμορφη κατανομή της ροής αέρα εισαγωγής σε όλη την επιφάνεια της βάσης της κλίνης. Θα πρέπει να είναι κατασκευασμένος από πυρίμαχο υλικό, συνήθως ανοξείδωτο χάλυβα και σχεδιασμένος ώστε να επιτρέπει την είσοδο του αέρα αλλά όχι την έξοδο του μέσου πλήρωσης

136 Η είσοδος της ροής αέρα ομοιόμορφα από πολλά σημεία και ο σχηματισμός φυσαλίδων που κινούνται από τη βάση στη κορυφή της κλίνης έχουν ως συνέπεια τη συνεχή κίνηση των σωματιδίων του μέσου πλήρωσης και των σωματιδίων βιομάζας σε όλον τον όγκο της ρευστοποιημένης κλίνης. Έτσι επιτυγχάνονται πολύ μικρές διακυμάνσεις της θερμοκρασίας σε όλο το χώρο της ρευστοποιημένης κλίνης και δεν παρατηρούνται φαινόμενα παρεμπόδισης της ροής της εισερχόμενης βιομάζας. Γενικά, τα πιο βαριά σωματίδια βιομάζας βυθίζονται στη ρευστοποιημένη κλίνη, ενώ τα πιο ελαφριά παρασύρονται εκτός της κλίνης με το ανοδικό ρεύμα αέρα. Οι αντιδραστήρες αυτού του τύπου μπορούν να δεχθούν καύσιμα υψηλής περιεκτικότητας σε τέφρα. Ο χώρος που βρίσκεται πάνω από τη ρευστοποιημένη κλίνη είναι απαραίτητος διότι εκεί πραγματοποιούνται ορισμένες αντιδράσεις προς σχηματισμό του παραγόμενου αερίου αεριοποίησης. Επίσης σε αυτόν το χώρο η ταχύτητα ροής του παραγόμενου αερίου μειώνεται με αποτέλεσμα πολλά σωματίδια που έχουν παρασυρθεί να ξαναπέφτουν μέσα στην αναβράζουσα κλίνη. Τέλος, πριν την έξοδο του παραγόμενου αερίου αεριοποίησης από τον αντιδραστήρα υπάρχει ένας κυκλώνας αποχωρισμού των σωματιδίων υλικού πλήρωσης και άκαυστης βιομάζας που έχουν παρασυρθεί. Σε ορισμένες περιπτώσεις αυτά τα σωματίδια επαναφέρονται στην κλίνη. [44]

137 Αντιδραστήρες αεριοποίησης τύπου κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης ( Circulating fluidized bed ) Εικόνα 3.8: Αντιδραστήρας αεριοποίησης τύπου κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης Στους αντιδραστήρες αεριοποίησης κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης ένα ποσοστό του μέσου πλήρωσης ( τα ελαφρύτερα σωματίδια ) εξαναγκάζεται να ακολουθήσει μία κλειστή διαδρομή. Σε αυτούς τους αντιδραστήρες το μέσο αεριοποίησης, συνήθως πεπιεσμένος αέρας, εισέρχεται στην κλίνη με μεγαλύτερη ταχύτητα από τους αντιδραστήρες αναβράζουσας κλίνης ενώ και τα σωματίδια του μέσου πλήρωσης είναι μικρότερων διαστάσεων. Ο αέρας εισέρχεται από το κάτω μέρος του αντιδραστήρα διαμέσου ενός διανομέα. Λόγω της κυκλοφορίας του μέσου πλήρωσης η θερμοκρασία λαμβάνει μικρές διακυμάνσεις κατά μήκος της διαδρομής του μέσα στον αντιδραστήρα. Το μεγαλύτερο μέρος των σωματιδίων αποχωρίζεται στο διαχωριστήρα που είναι συνήθως ένας κυκλώνας. Ο κυκλώνας αποχωρισμού σωματιδίων δέχεται μεγάλες ποσότητες υλικού πλήρωσης υψηλής θερμοκρασίας και γι αυτό είναι ογκωδέστερος και μεγαλύτερης θερμικής αντοχής ενός κυκλώνα που χρησιμοποιείται σε αντιδραστήρες αναβράζουσας κλίνης. Λόγω της μεγαλύτερης παροχής αέρα αυτοί οι αντιδραστήρες χρειάζονται μικρότερο χώρο για την αεριοποίηση ίδιας ποσότητας βιομάζας σε σχέση με έναν αντιδραστήρα αναβράζουσας κλίνης. Είναι δηλαδή οικονομικότεροι στην κατασκευή τους. Γενικά, σε αυτούς τους αντιδραστήρες γίνεται καλύτερη αξιοποίηση της εισερχόμενης βιομάζας διότι το μεγαλύτερο ποσοστό των άκαυστων σωματιδίων βιομάζας που διαφεύγει από την κλίνη, επιστρέφει στη βάση του αντιδραστήρα λόγω ανακυκλοφορίας. Ακόμη σε αυτόν τον τύπο αντιδραστήρα παράγονται μικρότερες ποσότητες πίσσας από ένα αντιδραστήρα αναβράζουσας κλίνης. Τέλος ο έλεγχος της παραγόμενης ισχύος γίνεται σχετικά εύκολα με ρύθμιση της ταχύτητας ρευστοποίησης και της ποσότητας επανακυκλοφορούντος υλικού. Οι αντιδραστήρες τύπου αναβράζουσας κλίνης ανταποκρίνονται λιγότερο σε αντίστοιχες ρυθμίσεις. [44]

138 3.11 Αντιδραστήρες αεριοποίησης ρευστοποιημένης κλίνης δύο σταδίων Εικόνα 3.9: Αντιδραστήρας αεριοποίησης ρευστοποιημένης κλίνης δύο σταδίων Στην εικόνα 3.9 παρουσιάζεται μία διάταξη αεριοποίησης βιομάζας στην οποία η διεργασία της καύσης και αυτή της αεριοποίησης γίνονται σε ξεχωριστούς αντιδραστήρες η κάθε μία. Έτσι επιτυγχάνεται η παραγωγή αερίου αεριοποίησης χαμηλής περιεκτικότητας σε πίσσες. Πιο συγκεκριμένα, στον αντιδραστήρα καύσης, δεξιά εισέρχεται στη βάση του ένα μίγμα από σωματίδια υλικού πλήρωσης, εξανθρακωμένων στερεών υπολειμμάτων αεριοποίησης και τέφρας. Εκεί εισάγοντας αέρα γίνεται καύση των εξανθρακωμένων σωματιδίων σε όλο το μήκος της ρευστοποιημένης κλίνης. Η θερμότητα που παράγεται κατά την καύση μεταδίδεται στο υλικό πλήρωσης και αυξάνει τη θερμοκρασία του. Στην κορυφή του αντιδραστήρα καύσης, υπάρχει ένα κυκλώνας στον οποίο γίνεται διαχωρισμός μεταξύ των κυκλοφορούντων σωματιδίων και των αερίων που έχουν παραχθεί κατά την καύση. Τα καυσαέρια απομακρύνονται από τη διάταξη ενώ το μέσο πλήρωσης εισάγεται στον αριστερό αντιδραστήρα προκειμένου να αποδώσει την απαιτούμενη θερμότητα που χρειάζεται για να πραγματοποιηθούν οι ενδόθερμες αντιδράσεις αεριοποίησης της εισερχόμενης βιομάζας. Στον αριστερό αντιδραστήρα το μέσο πλήρωσης με τα σωματίδια εισερχόμενης βιομάζας βρίσκονται σε μία κατάσταση αναβρασμού διότι εισάγεται από τη βάση του ροή ατμού. Η επιλογή ατμού και όχι αέρα ως μέσο αεριοποίησης, έχει ως συνέπεια την παραγωγή αερίου αεριοποίησης που δεν περιέχει άζωτο και συνεπώς αυξημένης θερμογόνου δύναμης. [44]

139 3.12 Αντιδραστήρες αεριοποίησης τύπου εξαναγκασμένης ροής (entrained flow gasifier) Εικόνα 3.10: Αντιδραστήρες αεριοποίησης τύπου εξαναγκασμένης ροής Οι αντιδραστήρες αεριοποίησης εξαναγκασμένης ροής αρχικά, αναπτύχθηκαν για αεριοποίηση ορυκτού άνθρακα. Έχουν κατασκευαστεί πολλές παραλλαγές αυτού του τύπου αντιδραστήρα από εταιρίες όπως Shell, GSP, Texaco, Pernflo, Koppers- Toptzek. Η καύσιμη βιομάζα πρέπει να κονιορτοποιηθεί και να μετατραπεί σε λεπτόκοκκη σκόνη. Στη συνέχεια τα μικρά σωματίδια βιομάζας αναμιγνύονται με νερό και ο πολτός που σχηματίζεται εγχέεται σε μορφή σπρέι μέσα στον αντιδραστήρα ( αν και υπάρχουν ορισμένοι αντιδραστήρες στους οποίους τα σωματίδια βιομάζας και το νερό εισάγονται ξεχωριστά ). Στη συνέχεια εισάγεται το μέσο αεριοποίησης (αέρας ή καθαρό οξυγόνο) και μαζί με το σπρέι βιομάζας, αναφλέγονται με χρήση φλόγιστρου. Στους συγκεκριμένους αντιδραστήρες αναπτύσσονται πολύ υψηλές θερμοκρασίες, κοντά στους 1450 ο C και η λειτουργία τους βασίζεται στην καύση ενός ποσοστού της εισερχόμενης κονιορτοποιημένης βιομάζας και στην αεριοποίηση του υπόλοιπου ποσοστού. Λόγω των πολύ υψηλών θερμοκρασιών που αναπτύσσονται, το παραγόμενο αέριο αεριοποίησης έχει πολύ μικρές προσμίξεις πίσσας και άκαυστων υδρογονανθράκων με αποτέλεσμα να μην έχει ιδιαίτερες απαιτήσεις καθαρισμού. Επίσης οι πολύ υψηλές θερμοκρασίες λιώνουν τις παραγόμενες ποσότητες τέφρας. Είναι απαραίτητο λοιπόν για την κατασκευή αυτών των αντιδραστήρων να χρησιμοποιούνται πυρίμαχα υλικά και πιθανόν διάφορες διατάξεις ψύξης. Σε πολλούς αντιδραστήρες τα τοιχία του αντιδραστήρα είναι τύπου μεμβράνης για την ψύξη των οποίων στο εσωτερικό τους ρέει ατμός. Τα τοιχία τύπου μεμβράνης μπορούν να αντέξουν τις θερμικές καταπονήσεις από τις μάζες λιωμένης τέφρας που ρέουν πάνω τους. Αυτή η αντοχή οφείλεται στο σχηματισμό θερμομονωτικών στερεών επικαλύψεων υλικού τέφρας που σχηματίζονται πάνω στα χαμηλότερης θερμοκρασίας τοιχία

140 Στην εικόνα 3.10 Α παρουσιάζεται ένας αντιδραστήρας εξαναγκασμένης ροής στον οποίο η αεριοποίηση λαμβάνει χώρα στον πρώτο θάλαμο και η τέφρα που σχηματίζεται βρίσκεται σε αέρια κατάσταση ή σε μορφή σταγονιδίων. Όταν το παραγόμενο αέριο αεριοποίησης εισέρχεται στο δεύτερο θάλαμο, ψύχεται με νερό που εγχέεται μέσα στον αντιδραστήρα οπότε η τέφρα στερεοποιείται και μετατρέπεται σε κόκκους που πέφτουν στη βάση του αντιδραστήρα. Στη συνέχεια από εκεί το μείγμα νερού και τέφρας οδηγείται προς την έξοδο του αντιδραστήρα. [44] Στην εικόνα 3.10 Β παρουσιάζεται ένας αντιδραστήρας εξαναγκασμένης ροής στον οποίο η αεριοποίηση λαμβάνει χώρα μόνο σε ένα θάλαμο. Εδώ οι αέριες ποσότητες τέφρας που παράγονται συμπυκνώνονται πάνω στα τοιχία τύπου μεμβράνης και ρέουν προς το κάτω μέρος του αντιδραστήρα. Εκεί οι υγρές μάζες τέφρας ψύχονται απότομα με νερό και μετατρέπονται, μετά από θερμικό σοκ που υφίστανται σε στερεά συσσωματώματα τέφρας όπου και απομακρύνονται από τον αντιδραστήρα. [44] Γενικά, οι αντιδραστήρες αεριοποίησης εξαναγκασμένης ροής παρουσιάζουν μεγάλη δυσκολία προσαρμογής σε αυξομειώσεις του φορτίου και χρησιμοποιούνται σε εγκαταστάσεις μεγάλης παραγόμενης ισχύος. Στην εικόνα 3.11 απεικονίζεται ένας αντιδραστήρας αεριοποίησης εξαναγκασμένης ροής τύπου κυκλώνα. Η βιομάζα σε μορφή πολύ λεπτόκοκκων σωματιδίων, εισέρχεται στον αντιδραστήρα μαζί με τον αέρα. Μέσα στον αντιδραστήρα οι κόκκοι βιομάζας υπόκεινται σε μερική οξείδωση και αεριοποίηση καθώς στροβιλίζονται. Η θερμοκρασία που επικρατεί μέσα στον αντιδραστήρα κυμαίνεται μεταξύ 900 ο C 1000 ο C. [44] Εικόνα 3.11: Αντιδραστήρας αεριοποίησης εξαναγκασμένης ροής τύπου κυκλώνα

141 3.13 Διάταξη αεριοποίησης υψηλής ποιότητας παραγόμενου αερίου Εικόνα 3.12: Διάταξη αεριοποίησης υψηλής ποιότητας παραγόμενου αερίου Στη συγκεκριμένη διάταξη οι διεργασίες της ξήρανσης, της πυρόλυσης, της καύσης και της αεριοποίησης της βιομάζας γίνονται σε ξεχωριστούς χώρους η κάθε μία. Αρχικά, η βιομάζα εισέρχεται σε έναν περιστρεφόμενο κυλινδρικό αντιδραστήρα (τύμπανο) για να λάβει χώρα η ξήρανσή της ενώ στη συνέχεια μεταφέρεται σε ένα δεύτερο παρόμοιο περιστρεφόμενο κυλινδρικό αντιδραστήρα προκειμένου να γίνει η πυρόλυσή της. Το αέριο πυρόλυσης που παράγεται από τη ξήρανση και την πυρόλυση οδηγείται σε μία συστοιχία μικρών καυστήρων όπου και καίγεται. Οι συγκεκριμένοι καυστήρες αποδίδουν μεγάλα ποσά θερμότητας μέσω ακτινοβολίας στο χώρο όπου είναι τοποθετημένοι. Τα καυσαέρια που προκύπτουν από την καύση χρησιμοποιούνται για να παρέχουν την απαιτούμενη θερμότητα στις διεργασίες της ξήρανσης και της πυρόλυσης. [44] Τα στερεά εξανθρακώματα που έχουν παραχθεί από τη διαδικασία της πυρόλυσης οδηγούνται σε έναν άλλο αντιδραστήρα για να λάβει χώρα η διεργασία της αεριοποίησης. Σε αυτόν τον αντιδραστήρα εισάγεται και ατμός ως μέσο αεριοποίησης που σε συνδυασμό με την πολύ υψηλή θερμοκρασία που αναπτύσσεται στο χώρο, λόγω της παρουσίας της συστοιχίας των μικρών καυστήρων, τα εξανθρακώματα βιομάζας αεριοποιούνται και παράγουν υψηλής ποιότητας αέριο αεριοποίησης. Τέλος στη συγκεκριμένη διάταξη γίνεται αξιοποίηση της θερμότητας του παραγόμενου αερίου αεριοποίησης προκειμένου να παραχθεί ο απαιτούμενος ατμός. Η υψηλή ποιότητα του αερίου αεριοποίησης οφείλεται στο γεγονός του ότι η καύση και η πυρόλυση γίνονται σε διαφορετικό χώρο από την αεριοποίηση της βιομάζας. Έτσι το παραγόμενο αέριο είναι τελείως απαλλαγμένο από πίσσες και ανεπιθύμητες προσμίξεις. Επίσης το γεγονός ότι χρησιμοποιούμε ατμό ως μέσο αεριοποίησης έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή αερίου υψηλής θερμογόνου δύναμης. Έχει ήδη κατασκευαστεί μία εγκατάσταση αεριοποίησης αυτού του τύπου, παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος 150 kw el ενώ μία άλλη ηλεκτρικής ισχύος 500 kw el είναι υπό κατασκευή. Στο σχήμα 3.13 παρουσιάζεται ο τύπος καυστήρα που χρησιμοποιείται σε αυτή την εφαρμογή. [44]

142 Εικόνα 3.13: Θάλαμος καύσης της διάταξης αεριοποίησης υψηλής ποιότητας παραγόμενου αερίου

143 3.14 Αντιδραστήρες αεριοποίησης τύπου πλάσματος Το πλάσμα είναι γνωστό ως η τέταρτη κατάσταση της ύλης, συνέχεια των υπολοίπων φάσεων : της στερεάς, της υγρής και της αέριας. Ο συνήθης τρόπος δημιουργίας πλάσματος είναι η παροχή ηλεκτρικού ρεύματος σε δύο αντίθετα φορτισμένα ηλεκτρόδια και ταυτόχρονη διέλευση κάποιου αερίου μέσου, μέσω αυτών. Οι υψηλές θερμοκρασίες που αναπτύσσονται προκαλούν τη διάσπαση των μορίων του αερίου σε ελεύθερα άτομα και έπειτα τον ιονισμό των ατόμων σε θετικά φορτισμένα ιόντα και σε αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια. Η κατάσταση αυτή ιονισμού είναι η φάση του πλάσματος και αναλόγως με την ηλεκτρική ενέργεια που προσδίδεται επιτυγχάνεται και διαφορετικός βαθμός ιονισμού και άρα διαφορετικής ποιότητας πλάσμα. Στις σύγχρονες εφαρμογές χρησιμοποιούνται πυρσοί πλάσματος, συσκευές οι οποίες μεταδίδουν ηλεκτρικό ρεύμα σε αέριο μέσο, μέσω ηλεκτρικών εκκενώσεων που οφείλονται στη διαφορά δυναμικού δύο ηλεκτροδίων ανόδου καθόδου. Δημιουργείται έτσι τόξο πλάσματος ( plasma arc) και μετατρέπεται το αέριο σε πλάσμα. Ανάλογα με τη διάταξη των ηλεκτροδίων οι πυρσοί πλάσματος διαχωρίζονται στους πυρσούς μεταβίβασης και στους πυρσούς μη μεταβίβασης. Αναλόγως την εφαρμογή μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε ο ένας είτε ο άλλος τύπος. Στην εικόνα 3.14 αριστερά (a) παρουσιάζεται ένας πυρσός μη μεταβίβασης και δεξιά (b) παρουσιάζεται ένας πυρσός μεταβίβασης. Εικόνα 3.14: Πυρσός μη μεταβίβασης και πυρσός μεταβίβασης Στους πυρσούς μη μεταβίβασης (a) το τόξο πλάσματος δημιουργείται εντός του πυρσού αφού τα ηλεκτρόδια ( άνοδος κάθοδος ) βρίσκονται μέσα σε αυτόν. Το αέριο εισέρχεται στον πυρσό μέσω του θαλάμου εισαγωγής. Στον πυρσό βρίσκονται δύο κυλινδρικά ηλεκτρόδια ανάμεσα στα οποία πραγματοποιούνται εκκενώσεις. Το αέριο μέσο διέρχεται μέσα από το ηλεκτρικό πεδίο και γίνεται πλάσμα εντός του πυρσού. Έπειτα εισέρχεται στον αντιδραστήρα. Τα ηλεκτρόδια ψύχονται με νερό το οποίο κινείται στα εξωτερικά τοιχώματα του πυρσού. Γι αυτό το λόγο οι πυρσοί μη μεταβίβασης έχουν ενεργειακές απώλειες και δεν πραγματοποιείται 100 % μετατροπή του ηλεκτρικού ρεύματος σε χρήσιμη θερμική ενέργεια. Η απόδοση του πυρσού κυμαίνεται από 75 έως 95 %. Στην εικόνα 3.15 παρουσιάζεται ένας πυρσός μη μεταβίβασης

144 Ηλεκτρικό πεδίο Αέρας εισαγωγής Πλάσμα Εικόνα 3.15: Πυρσός μη μεταβίβασης Στους πυρσούς μεταβίβασης (b) αναπτύσσεται διαφορά δυναμικού ανάμεσα στο ηλεκτρόδιο εσωτερικά του πυρσού και σε κάποιο άλλο αγώγιμο υλικό εκτός πυρσού. Το υλικό αυτό βρίσκεται εκ κατασκευής στα τοιχώματα του αντιδραστήρα πλάσματος. Το τόξο πλάσματος δημιουργείται εντός του αντιδραστήρα και το αέριο που καταλαμβάνει το χώρο ανάμεσα στα ηλεκτρόδια περνάει στη φάση του πλάσματος. Ως αέριο μέσο μπορεί να χρησιμοποιηθεί καθαρό οξυγόνο, ήλιο, αργό και άλλα αέρια αλλά προτιμάται ο αέρας λόγω χαμηλού κόστους. Ως ηλεκτρόδιο συνήθως χρησιμοποιείται γραφίτης εντός του αντιδραστήρα το οποίο πρέπει να αντικαθίσταται επειδή καταναλώνεται λόγω του χημικού περιβάλλοντος του αντιδραστήρα. Γενικότερα όμως, οι πυρσοί μεταβίβασης έχουν λιγότερες απαιτήσεις σε συντήρηση από τους πυρσούς μη μεταβίβασης. Εικόνα 3.16: Αντιδραστήρας αεριοποίησης με πυρσούς πλάσματος

145 Στην εικόνα 3.16 παρουσιάζεται ένας αντιδραστήρας αεριοποίησης με πυρσούς πλάσματος. Μόλις το καύσιμο (στις περισσότερες εφαρμογές ο αντιδραστήρας τροφοδοτείται με αστικά στερεά απορρίμματα) έρθει σε επαφή με το πλάσμα, το οργανικό μέρος του συμμετέχει σε ενδόθερμες αντιδράσεις αεριοποίησης σε θερμοκρασία 1000 ο C προς παραγωγή αερίου σύνθεσης ενώ το ανόργανο μέρος τήκεται και υαλοποιείται. Οι ποσότητες νερού που απαιτούνται για την αεριοποίηση εισέρχονται με την υγρασία των καυσίμων. Από την κορυφή του αντιδραστήρα εξέρχεται το αέριο σύνθεσης ενώ από τον πυθμένα το τηγμένο ανόργανο υλικό. Το παραγόμενο αέριο σύνθεσης στη συνέχεια οδηγείται σε κυκλώνα για την απομάκρυνση στερεών σωματιδίων και στη συνέχεια εισέρχεται σε εναλλάκτη θερμότητας όπου και ψύχεται. Τέλος πριν χρησιμοποιηθεί από μία μηχανή εσωτερικής καύσης προς παραγωγή ηλεκτρισμού διέρχεται από συστήματα καθαρισμού για την απομάκρυνση των όξινων αερίων. Η θερμογόνος δύναμη του αερίου που προκύπτει είναι ίση με το 1/3 αυτής του φυσικού αερίου. Τόσο η αεριοποίηση όσο και η υαλοποίηση απαιτούν ενέργεια για να πραγματοποιηθούν. Η ενέργεια αυτή παρέχεται με τη μορφή ηλεκτρισμού μέσω των πυρσών πλάσματος. Από τους πυρσούς διέρχεται συνήθως ατμοσφαιρικός αέρας. Λόγω των ηλεκτρικών εκκενώσεων, που οφείλονται στη διαφορά δυναμικού ανόδου καθόδου του πυρσού, ο αέρας ιονίζεται και γίνεται πλάσμα σε θερμοκρασίες που τοπικά μέσα στον πυρσό υπερβαίνουν τους 7000 ο C. Οι υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας που μπορούν να επιτευχθούν συμβάλλουν θετικά στην όλη διεργασία περιβαλλοντικά όσο και ενεργειακά. Γενικά, η αεριοποίηση με πυρσούς πλάσματος είναι μία πολλά υποσχόμενη τεχνολογία που βρίσκεται υπό ανάπτυξη. Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα της είναι ότι μπορεί να δεχθεί πολλών ειδών καύσιμα όπως όλα τα είδη βιομάζας δασικής γεωργικής προέλευσης, αστικά στερεά απορρίμματα, νοσοκομειακά απορρίμματα, ελαστικά κ.ά. Μειονέκτημα της αεριοποίησης πλάσματος μπορεί να θεωρηθεί η κατανάλωση υψηλής ποιότητας ενέργειας (ηλεκτρική ενέργεια) για τη διεξαγωγή των επιτελούμενων αντιδράσεων. [52]

146 3.15 Παραδείγματα σύγχρονων ηλεκτροπαραγωγών μονάδων αεριοποίησης βιομάζας

147 Πειραματική Μονάδα Συμπαραγωγής Ηλεκτρισμού - Θερμότητας : Viking Πίνακας 3.4: Γενικά χαρακτηριστικά μονάδας αεριοποίησηςviking Χώρα εγκατάστασης Δανία (Lyngby) Έτος έναρξης λειτουργίας 2002 Μέθοδος ενεργειακής αξιοποίησης Θερμοχημική αεριοποίηση 2 σταδίων Μηχανή παραγωγής ισχύος Μ.Ε.Κ Φτωχής καύσης Otto Ισχύς ηλεκτρική 20 kw el Ισχύς θερμική 65 kw th (σε μορφή θερμού νερού) Βαθμός απόδοσης 80 % Ηλεκτρικός βαθμός απόδοσης 25 % Καύσιμο Ξυλώδης βιομάζα σε μορφή τσιπς Ιδιοκτήτης Πολυτεχνείο Δανίας DTU Κόστος κατασκευής - Επιδότηση - Ανάδοχος έργου Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Πολυτεχνείο Δανίας DTU

148 Λειτουργία μονάδας αεριοποίησης Ανάπτυξη συστημάτων θερμοχημικής αεριοποίησης βιομάζας γίνεται εδώ και πολλά χρόνια. Ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα που χαρακτηρίζει γενικώς τα συστήματα αεριοποίησης είναι η παρουσία αυξημένων ποσοτήτων πίσσας στο παραγόμενο αέριο. Οι πίσσες προκαλούν φθορές στις μηχανές εσωτερικής καύσης, στους αεριοστρόβιλους και σε άλλα μηχανικά μέρη. Γι αυτό το λόγο εκτενής έρευνα έχει πραγματοποιηθεί τα τελευταία χρόνια πάνω στο τομέα του καθαρισμού του παραγόμενου αερίου και της μείωσης των ποσοτήτων πίσσας που παράγονται. Συστήματα αεριοποίησης που παράγουν μειωμένες ποσότητες πίσσας έχουν σημαντικές προοπτικές για την περαιτέρω εμπορική αξιοποίησή τους. Έχοντας ως δεδομένα τα παραπάνω, το τμήμα των Μηχανολόγων Μηχανικών του Πολυτεχνείου της Δανίας που είναι εγκατεστημένο στην πόλη Lyngby 15 χλμ βόρεια της Κοπεγχάγης, το 2002 ολοκλήρωσε την κατασκευή μίας πλήρως αυτοματοποιημένης πειραματικής μονάδας αεριοποίησης βιομάζας δύο σταδίων, που ονομάστηκε Viking. Μέχρι τον Οκτώβριο του 2003 η μικρής κλίμακας μονάδα, είχε συμπληρώσει 5 δοκιμαστικές περιόδους συνεχούς λειτουργίας των 450 ωρών η κάθε μία, χρησιμοποιώντας ως βιομάζα τσιπς ξύλου. Μετά το τέλος κάθε περιόδου η μονάδα αποσυναρμολογούταν και επιθεωρούταν. Ο συνολικός βαθμός απόδοσης της μονάδας είναι 80 % και με παροχή βιομάζας θερμικής ισχύος 80 kw th μπορεί να αποδώσει 65 kw th θερμική ισχύ σε μορφή θερμού νερού και 20 kw el ηλεκτρική. Ο συνολικός ηλεκτρικός βαθμός απόδοσης της μονάδας είναι 25 %. Προκειμένου να εξομοιωθεί το δίκτυο τηλεθέρμανσης χρησιμοποιείται μηχανή ψύξης του παραγόμενου θερμού νερού. Το νερό εισέρχεται στους εναλλάκτες της διάταξης στη θερμοκρασία των 35 ο C και εξέρχεται στη θερμοκρασία των 75 ο C. Η πειραματική μονάδα αεριοποίησης Viking έχει εμπορευματοποιηθεί από την εταιρία Weiss A/S σε τρία διαφορετικά μεγέθη : 200, 500 και 1000 kw el. Έχουν κατασκευαστεί από την εταιρία δύο μονάδες, μία ισχύος 200 kw el στην πόλη Hadsund (n el 30%) και μία δεύτερη ισχύος 500 kw el στην πόλη Hillerod (n el 33 %). [44, 50, 53] Καύσιμο Η μονάδα χρησιμοποιεί ως βιομάζα τσιπς ακατέργαστου ξύλου διαστάσεων 3 5 cm και με υγρασία %

149 Παραγωγή ενέργειας Εικόνα 3.17: Διάταξη αεριοποίησης σταθερής κλίνης δύο σταδίων που χρησιμοποιείται από την πειραματική μονάδα Viking Η πειραματική μονάδα Viking χρησιμοποιεί μία διάταξη αεριοποίησης σταθερής κλίνης δύο σταδίων που σημαίνει ότι η διαδικασία της πυρόλυσης και αυτή της αεριοποίησης λαμβάνουν χώρα σε δύο διαφορετικούς αντιδραστήρες η κάθε μία. Η βιομάζα που βρίσκεται σε μορφή τσιπς μέσα σε μία δεξαμενή αποθήκευσης, εισέρχεται μέσα στη διάταξη αεριοποίησης στην αρχή ενός ατέρμονα κοχλία. Ο ατέρμων κοχλίας θερμαίνεται με ακτινοβολία καθώς στην περιφέρειά του και σε όλο το μήκος του περικλείεται από ένα χώρο μέσα στον οποίο οδηγούνται τα θερμά καυσαέρια από την έξοδο της μηχανής εσωτερικής καύσης. Καθώς η βιομάζα προωθείται η θερμοκρασία της αυξάνεται σε ένα περιβάλλον απουσία οξυγόνου μέχρι τους 600 ο C. Έτσι κατά μήκος του κοχλία γίνεται ξήρανση και στη συνέχεια πυρόλυση της βιομάζας. Τα στερεά εξανθρακώματα που παράγονται κατά την πυρόλυση τελικά καταλήγουν στη βάση του δεύτερου αντιδραστήρα όπου και σχηματίζουν μία σταθερή κλίνη. Στη μέση του δεύτερου αντιδραστήρα παρατηρούμε ότι εγχέεται προθερμασμένος αέρας στο εσωτερικό του. Αυτό γίνεται διότι εκεί λαμβάνει χώρα μερική οξείδωση των αερίων πυρόλυσης που αποτελούνται κυρίως από πίσσες. Η θερμοκρασία ανεβαίνει στους 1100 ο C και τα θερμά αέρια οδηγούνται να διέρθουν μέσα από τη σταθερή κλίνη των εξανθρακωμάτων ώστε να γίνουν οι αντιδράσεις αεριοποίησης και να σχηματισθεί το παραγόμενο αέριο. Το αέριο αεριοποίησης φεύγει από τον αντιδραστήρα με μία θερμοκρασία των 750 ο C διότι οι αντιδράσεις αεριοποίησης είναι ενδόθερμες ( απορροφούν θερμική ενέργεια ) και η τέφρα από τη διαδικασία της αεριοποίησης απομακρύνεται. Παρατηρούμε επίσης την κατασκευαστική λεπτομέρεια στη μέση του αντιδραστήρα που διευκολύνει την καθοδική ροή των αερίων. Ο βαθμός απόδοσης της συνολικής διαδικασίας αεριοποίησης της βιομάζας είναι 93 %

150 Καθώς τα αέρια πυρόλυσης εισέρχονται μέσα στο δεύτερο αντιδραστήρα περιέχουν μεγάλες ποσότητες πίσσας περίπου mg/nm 3. Στο στάδιο όμως της μερικής οξείδωσης που ακολουθεί οι ποσότητες πίσσας που περιέχονται μειώνονται σε 500 mg/nm 3 ενώ μετά το στάδιο της αεριοποίησης των εξανθρακωμάτων το παραγόμενο αέριο έχει 25 mg/nm 3 περιεκτικότητα σε πίσσες. Στη συνέχεια το αέριο περνά μέσα από διάφορούς εναλλάκτες θερμότητας όπου και αποδίδει θερμότητα διαδοχικά, στα καυσαέρια της μηχανής που θερμαίνουν τον αντιδραστήρα πυρόλυσης, στον αέρα που εισάγεται στον αντιδραστήρα και στο νερό του δικτύου θέρμανσης. Έτσι αφού η θερμοκρασία του αερίου έχει μειωθεί σημαντικά στους 90 ο C διέρχεται μέσα από ένα φίλτρο όπου απομακρύνονται ανεπιθύμητα σωματίδια και η περιεκτικότητα σε πίσσες, που σε αυτή τη θερμοκρασία οι πίσσες έχουν στερεοποιηθεί, μειώνεται ακόμη περισσότερο σε κάτω από 1 mg/nm 3. Οι υδρατμοί που περιέχονται στο αέριο συμπυκνώνονται ώστε να αυξηθεί η θερμογόνος δύναμη του αερίου που κυμαίνεται μεταξύ 4 και 5 MJ/Nm 3 (Κ.Θ.Δ.). Η τοξικότητα του συμπυκνώματος που προκύπτει βρίσκεται σε επιτρεπτά όρια, επιτρέποντας τη περεταίρω διάθεσή του στο βιολογικό καθαρισμό της πόλης. Το παραγόμενο αέριο αεριοποίησης οδηγείται σε μία κοινή μηχανή εσωτερικής καύσης Deutz τύπου Diesel που χρησιμοποιείται στα φορτηγά, η οποία έχει μετατραπεί σε μηχανή φτωχής καύσης τύπου Otto. Η μηχανή έχει 3 κυλίνδρους διατεταγμένους σε σειρά με συνολικό όγκο εμβολισμού κ.εκ. ενώ λειτουργεί στις 1500 rpm. Ο βαθμός απόδοσής της είναι 32 %. Το παραχθέν αέριο αεριοποίησης εισάγεται στον ατμοσφαιρικό κινητήρα χρησιμοποιώντας ένα φυσητήρα. Η γεννήτρια που χρησιμοποιείται είναι της MWM. Τα βασικά χαρακτηριστικά της μηχανής παρουσιάζονται στον πίνακα 3.5. [44] Πίνακας 3.5: Λειτουργικά χαρακτηριστικά της μηχανής εσωτερικής καύσης που χρησιμοποιείται στην πειραματική μονάδα Viking Πειραματική μονάδα Viking Μηχανή Εσωτερικής Καύσης Deutz Έτος κατασκευής - Διαμόρφωση Ι3 Βαλβίδες ανά κύλινδρο 2 Κύκλος Miller Όχι Διάμετρος κυλίνδρου (mm) 105 Διαδρομή εμβόλου (mm) 120 Όγκος εμβολισμού (lit) 3,1 Συνολικός Λόγος συμπίεσης - Ταχύτητα (rpm) 1500 Ισχύς εξόδου 17,5 kw Μέθοδος καύσης Φτωχής καύσης Otto Υπερπλήρωση Όχι Διάφορες μετρήσεις από τη λειτουργία της μονάδας εισέρχονται με τη μορφή σημάτων (αναλογικών ή ψηφιακών) σε μία συσκευή PLC στην οποία υπάρχει εγκατεστημένο το λογισμικό για τη λειτουργία της. Η συσκευή PLC ελέγχει τη μονάδα στέλνοντας τα κατάλληλα σήματα εντολές αναλόγως με τα σήματα που δέχεται. Η ανθρώπινη παρουσία στη λειτουργία της μονάδας περιορίζεται μόνο στην επισκόπηση των δεδομένων που συγκεντρώνονται και καταγράφονται μέσα στη συσκευή PLC. Η σύνθεση του αερίου που παράγεται διατηρείται σχετικά σταθερή διευκολύνοντας έτσι τη λειτουργία της μηχανής εσωτερικής καύσης

151 Πίνακες 3.6: Σύνθεση και προσμίξεις του παραγόμενου αερίου αεριοποίησης της μονάδας Viking Σύνθεση παραγόμενου αερίου Ν 2 33,3 %κ.ό. Η 2 30,5 %κ.ό. CO 19,6 %κ.ό. CO 2 15,4 %κ.ό. CH 4 1,2 %κ.ό. O 2 0,1 %κ.ό. Κ.Θ.Δ 5,6 MJ/Nm 3 Α.Θ.Δ 6,2 MJ/Nm 3 Παροχή αερίου 37,1 Nm 3 /h Προσμίξεις Πίσσες Δεν ανιχνεύονται (<0,1) mg/nm 3 Σωματίδια < 5 mg/nm 3 Αμμωνία mg/nm 3 Η 2 S <2 ppm COS 0,93 ppm Κατά την επιθεώρηση της μονάδας μετά το πέρας και των πέντε δοκιμαστικών περιόδων των 450 ωρών η κάθε μία, διαπιστώθηκαν τα παρακάτω : [53] Στα μεταλλικά κελύφη του 2 ου αντιδραστήρα κυρίως στη βάση του αλλά και στα πλαϊνά τοιχώματα εμφανίζεται επιφανειακή διάβρωση. Το πάνω μέρος του αντιδραστήρα είναι κατασκευασμένο από κεραμικό υλικό και εμφανίζει μόνο μια μικρή διείσδυση αλκαλίων σε ένα βάθος 1-2 mm. Στα στόμια έγχυσης θερμού αέρα για τη μερική οξείδωση των αερίων πυρόλυσης στον 2 ο αντιδραστήρα, επικάθονται ποσότητες λειωμένης τέφρας εμποδίζοντας τη ροή αέρα. Στη σχάρα του 2 ο αντιδραστήρα πάνω στην οποία βρίσκεται η σταθερή κλίνη των εξανθρακωμάτων εμφανίζονται συμπαγής όγκοι τέφρας οι οποίοι δεν μπορούν να διαπεράσουν τη σχάρα. Η συσσώρευσή τους προφανώς μετά από κάποιο διάστημα οδηγεί στη διακοπή λειτουργίας του αντιδραστήρα. Η δημιουργία αυτών των όγκων αποφεύγεται με την προσθήκη ορισμένων χημικών ουσιών μαζί με την εισαγόμενη βιομάζα. Στους εναλλάκτες θερμότητας που οδηγείται το παραγόμενο αέριο ώστε να αποδώσει θερμότητα, παρατηρούνται επικαθίσεις μικρών ποσοτήτων τέφρας και άκαυστων σωματιδίων που συσσωματώνονται με την πάροδο του χρόνου και έχουν ως αποτέλεσμα την παρεμπόδιση της ροής του αερίου και την πτώση πίεσης. Γι αυτό έχει τοποθετηθεί ένα σύστημα με σύρμα που προωθείται μέσα στους σωλήνες του εναλλάκτη όταν χρειάζεται, ώστε οι διατομές τους να παραμένουν ανοιχτές. Το πρόβλημα αυτό δεν υφίσταται στον εναλλάκτη που βρίσκεται μετά το φίλτρο απομάκρυνσης σωματιδίων. Τα εσωτερικά μέρη της μηχανής εσωτερικής καύσης δεν παρουσίασαν καμία απολύτως ένδειξη φθοράς, διάβρωσης ή επικαθίσεων

152 Διαχείριση Καυσαερίων Τα καυσαέρια που απορρίπτονται στο περιβάλλον έχουν περιεκτικότητα σε πίσσες μικρότερη από 1mg/Nm 3 ενώ και η περιεκτικότητά τους σε αιωρούμενα σωματίδια σκόνης είναι μικρότερη από 5 mg/nm 3. Έτσι δεν προβλέπεται κάποια διάταξη καθαρισμού των καυσαερίων. Συμπερασματικά Το κύριο πλεονέκτημα της αεριοποίησης βιομάζας σε δύο στάδια είναι οι σημαντικά μικρότερες ποσότητες πίσσας που περιέχονται στο παραγόμενο αέριο, σε σχέση με τις υπόλοιπες μεθόδους, κάνοντάς το κατάλληλο για χρήση σε μηχανές εσωτερικής καύσης. Ενώ το βασικότερο μειονέκτημα της μεθόδου είναι η αναποτελεσματικότητά της όταν χρησιμοποιείται καύσιμο διαφορετικό από τσιπς ξύλου. Σύμφωνα με την ομάδα των μηχανικών που κατασκεύασε τη μονάδα Viking παρόμοια συστήματα θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν στις Σκανδιναβικές χώρες για παροχή θερμού νερού στα δίκτυα τηλεθέρμανσης παράγοντας ταυτόχρονα ηλεκτρισμό από βιομάζα. Επίσης, παρόμοιες εφαρμογές θα μπορούσαν να κατασκευαστούν σε αναπτυσσόμενες χώρες όπως η Ινδία για παραγωγή ηλεκτρισμού από υπολείμματα βιομάζας των αγροτικών καλλιεργειών

153 Αναβάθμιση της μονάδας αεριοποίησης Viking για αύξηση της παραγόμενης ισχύος Γενικά, στη διεθνή αγορά της ενέργειας, υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον για μέσης και μεγάλης κλίμακας μονάδες αεριοποίησης βιομάζας για συμπαραγωγή θερμότητας και ηλεκτρισμού. Οι υπάρχουσες τεχνολογίες ατμοσφαιρικής αεριοποίησης μέσης και μεγάλης κλίμακας εμφανίζουν πολυπλοκότητα στη διαδικασία του καθαρισμού του παραγόμενου αερίου από πίσσες και χαρακτηρίζονται από σχετικά χαμηλούς βαθμούς απόδοσης. Στη αεριοποίηση δύο σταδίων η πυρόλυση και η αεριοποίηση γίνονται σε δύο διαφορετικούς αντιδραστήρες. Τα παραγόμενα αέρια πυρόλυσης προτού περάσουν από το στάδιο της αεριοποίησης διέρχονται από μία περιοχή όπου λαμβάνει χώρα η μερική οξείδωσή τους. Με αυτόν τον τρόπο οι πίσσες διασπώνται σε διάφορα αέρια. Επίσης προκειμένου να επιτευχθεί υψηλός βαθμός απόδοσης γίνεται αξιοποίηση της θερμικής ενέργειας του παραγόμενου αερίου αεριοποίησης και των καυσαερίων στις διαδικασίες της ξήρανσης και της πυρόλυσης. Ο λόγος για τον οποίο επιχειρείται η αναβάθμιση της μονάδας και η αύξηση της παραγόμενης ισχύος σε 1 MW el είναι η επίτευξη επενδυτικής ελκυστικότητας. Ο ηλεκτρικός βαθμός απόδοσης μίας τέτοιας μονάδας μπορεί να φθάσει το 35 %. Η αναβάθμιση της μονάδας γίνεται με ορισμένες τροποποιήσεις στο βασικό σχεδιασμό ώστε η ξήρανση και η πυρόλυση της βιομάζας να γίνονται με υπέρθερμο ατμό ενώ ως μέσο αεριοποίησης να χρησιμοποιείται ατμός. Στην εικόνα 3.19 παρουσιάζεται το λειτουργικό διάγραμμα της αναβαθμισμένης μονάδας αεριοποίησης Viking. [54] Ξήρανση και πυρόλυση με υπέρθερμο ατμό: Η ξήρανση με υπέρθερμο ατμό προϋποθέτει μία εξωτερική πηγή θερμότητας. Στη συγκεκριμένη περίπτωση είναι τα καυσαέρια της μηχανής εσωτερικής καύσης τα οποία αφού οδηγηθούν σε έναν εναλλάκτη θερμότητας μεταδίδουν μέρος της θερμότητάς τους στο διερχόμενο ατμό. Ο ατμός αφού γίνει υπέρθερμος οδηγείται στο ξηραντήριο. Καθώς η θερμοκρασία της βιομάζας αυξάνεται οι ποσότητες νερού που περιέχονται στη μάζα της αρχίζουν να βράζουν. Η θερμοκρασία της βιομάζας θα πρέπει να γίνει τέτοια (συνήθως λίγο πάνω από 100 ο C) ώστε αναλόγως και με την πίεση που επικρατεί μέσα στο ξηραντήρα οι ποσότητες νερού να ξεπερνούν το σημείο βρασμού τους. Το φαινόμενο του βρασμού οδηγεί σε αύξηση της πίεσης στο εσωτερικό της βιομάζας η οποία επιταχύνει τη μεταφορά της υγρασίας από τον πυρήνα της βιομάζας προς τις εξωτερικές επιφάνειές της αυξάνοντας έτσι το ρυθμό ξήρανσης. Ο συγκεκριμένος τρόπος ξήρανσης είναι σχετικά οικονομικός και γρήγορος. Επίσης, είναι φιλικός προς το περιβάλλον και δεν ενέχει κινδύνους ανάφλεξης της βιομάζας. Η πίεση που επικρατεί στο σύστημα διατηρείται σταθερή και κοντά στην ατμοσφαιρική. Οι νέες ποσότητες ατμού που προστίθενται στο κύκλωμα κατά τη διάρκεια της ξήρανσης οδηγούνται στον επόμενο αντιδραστήρα όπου και συμμετέχουν στη διεργασία της πυρόλυσης. Ο αντιδραστήρας πυρόλυσης λαμβάνει θερμότητα άμεσα από τον εισερχόμενο ατμό και έμμεσα από το παραγόμενο αέριο αεριοποίησης. Έτσι η ροή βιομάζας διαμέσου του αντιδραστήρα μπορεί να είναι μεγαλύτερη. Η συγκεκριμένη μέθοδος όπου χρησιμοποιείται ατμός για τη ξήρανση και πυρόλυση, συνιστάται για περιπτώσεις βιομάζας με υψηλή περιεκτικότητα σε υγρασία, έως και 60 %. Στην εικόνα 3.18 παρουσιάζεται η μέθοδος ξήρανσης με υπέρθερμο ατμό. [54] Εικόνα 3.18: Μέθοδος ξήρανσης με υπέρθερμο ατμό

154 Αεριοποίηση με υπέρθερμο ατμό: Χρησιμοποιώντας υπέρθερμο ατμό ως μέσο αεριοποίησης γενικά επιτυγχάνονται μεγαλύτερες ταχύτητες εξέλιξης των αντιδράσεων και έχουν διαπιστωθεί τα παρακάτω πλεονεκτήματα εν συγκρίσει με την αεριοποίηση με αέρα : 1. Το παραγόμενο αέριο αεριοποίησης έχει υψηλότερη θερμογόνο δύναμη 2. Επιτυγχάνεται μείωση της θερμοκρασίας έως και 200 ο C στη ζώνη της μερικής οξείδωσης. 3. Διαπιστώνεται μικρότερη παραγωγή αιθάλης (καπνιάς). Αυτό οφείλεται στις μειωμένες θερμοκρασίες και στην υψηλότερη συγκέντρωση ριζών υδροξυλίου (ΟΗ) οι οποίες μειώνουν την παραγωγή αιθάλης. 4. Η σύνθεση του παραγόμενου αερίου αεριοποίησης είναι διαφορετική. Η περιεκτικότητα σε Η 2 είναι αυξημένη ενώ η περιεκτικότητα σε CO μειωμένη. Αυτό έχει ως συνέπεια γρηγορότερη καύση του αερίου και μικρότερες εκπομπές σε CO και NO x. Εικόνα 3.19: Αναβαθμισμένη μονάδα αεριοποίησης Viking

155 Μονάδα Συμπαραγωγής Ηλεκτρισμού - Θερμότητας πρότυπης κοινότητας Gussing Πίνακας 3.7: Γενικά χαρακτηριστικά μονάδας αεριοποίησης στην κοινότητα Gussing Χώρα εγκατάστασης Αυστρία (Gussing, Burgenland) Έτος έναρξης λειτουργίας 2002 Μέθοδος ενεργειακής αξιοποίησης Θερμοχημική αεριοποίηση δύο σταδίων σε αντιδραστήρες ρευστοποιημένης κλίνης Μηχανή παραγωγής ισχύος Μ.Ε.Κ Φτωχής καύσης Otto Ισχύς ηλεκτρική 2 ΜW el Ισχύς θερμική 4,5 MW th (σε μορφή θερμού νερού) Βαθμός απόδοσης 81 % Ηλεκτρικός βαθμός απόδοσης 25 % Καύσιμο Ξυλώδης βιομάζα σε μορφή τσιπς Ιδιοκτήτης Biomass Power Station Gussing Association Κόστος κατασκευής Επιδότηση (Ευρωπαϊκά και Εθνικά κονδύλια) Ανάδοχος έργου Ortner Anlangenbau, Repotec, Jenbacher AG

156 Η πόλη Gussing των κατοίκων βρίσκεται στο νότο της περιφέρειας Burgenland ανατολικά της Αυστρίας. Η περιοχή στα νότια της περιφέρειας Burgenland που αριθμεί κατοίκους υπήρξε η πρώτη κοινότητα στην Ευρωπαϊκή Ένωση η οποία κάλυψε το σύνολο των ενεργειακών της αναγκών (θέρμανση, ηλεκτρισμός, καύσιμα) από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας που βρίσκονται στην περιοχή. Το 1992 η οικονομία της πόλη Gussing περιοριζόταν στο εμπόριο καλαμποκιού, ηλιέλαιου και ξυλείας ενώ το συγκεκριμένο έτος οι κάτοικοι της πόλης δαπάνησαν για αγορά πετρελαίου, ηλεκτρισμού και καυσίμων προκειμένου να καλύψουν τις ενεργειακές τους ανάγκες. Από το 1992 ξεκίνησε μία προσπάθεια ενεργειακής αξιοποίησης της βιομάζας που παράγεται στις μεγάλες δασικές εκτάσεις της περιοχής. Σήμερα γύρω από την πόλη Gussing υπάρχουν 27 μονάδες που παράγουν μερικές μόνο θερμό νερό για το δίκτυο τηλεθέρμανσης, άλλες ηλεκτρισμό και θερμό νερό και άλλες βιοκαύσιμα τροφοδοτούμενες με βιομάζα μόνο από τις γύρω δασικές εκτάσεις. Ως αποτέλεσμα αυτής της στροφής προς την παραγωγή ενέργειας από βιομάζα, η πόλη Gussing έγινε ενεργειακά ανεξάρτητη, 50 νέες εταιρίες εγκαταστάθηκαν στην περιοχή προσφέροντας 1000 νέες θέσεις εργασίας στην πόλη ενώ ακόμη και ο τουρισμός αυξήθηκε, για παράδειγμα επισκέπτες ήρθαν στην πόλη το 2007 προκειμένου να δουν από κοντά μία πόλη που στηρίζεται ενεργειακά μόνο στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (eco-tourism). Η περιοχή γύρω από την πόλη Gussing έχει γίνει ένα μεγάλο ερευνητικό κέντρο που προσελκύει πολλούς επιστήμονες και μελετούνται διάφορες τεχνολογίες αξιοποίησης βιομάζας για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών μίας πόλης σε πραγματικές συνθήκες. Στην εικόνα 3.20 φαίνεται το ποσοστό συμμετοχής των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στη συνολική κατανάλωση ενέργειας (ηλεκτρισμός, θέρμανση, καύσιμα) για κάθε περίπτωση.[56] Εικόνα 3.20: Ποσοστό συμμετοχής των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στη συνολική κατανάλωση ενέργειας

157 Λειτουργία μονάδας αεριοποίησης Μία από τις μονάδες παραγωγής ενέργειας που βρίσκεται στην περιοχή γύρω από την πόλη Gussing είναι μία μονάδα αεριοποίησης ξυλώδους βιομάζας σε μορφή τσιπς για συμπαραγωγή ηλεκτρισμού ισχύος 2 MW el και θερμότητας ισχύος 4,5 MW th στη μορφή θερμού νερού θερμοκρασίας 80 ο C, η οποία κατασκευάστηκε μέσα σε δύο χρόνια ( ) από τις εταιρίες Ortner Anlangenbau και Repotec. Η κατασκευή της που κόστισε χρηματοδοτήθηκε με από Ευρωπαϊκά και Εθνικά ταμεία και με από ιδιώτες επενδυτές. Η συγκεκριμένη μονάδα αποτελεί μία εφαρμογή τεχνολογιών που αναπτύχθηκαν στο Πολυτεχνείο της Βιέννης. Η μονάδα εκτός από μία κερδοσκοπική επιχείρηση λειτουργεί και ως ερευνητικό κέντρο που επικεντρώνεται στις τεχνολογίες αεριοποίησης και για αυτό το λόγο η μονάδα δεν είναι αυτοματοποιημένη αλλά για τη λειτουργία της απαιτεί συγκεκριμένο ανθρώπινο δυναμικό, που φυσικά ανεβάζει το κόστος λειτουργίας της. Οι επόμενες μονάδες που κατασκευάστηκαν είναι μόνο κερδοσκοπικές με περισσότερους αυτοματισμούς και μικρότερο κόστος λειτουργίας. Επίσης στη μονάδα Gussing γίνεται έρευνα πάνω σε τεχνολογίες όπως τα κελιά καυσίμου στερεού οξειδίου (SOFC), η παραγωγή μεθανόλης και η παραγωγή υγρών υδρογονανθράκων μέσω σύνθεσης F-T (Fischer Tropsch). [44, 50, 55, 57] Καύσιμο Ως καύσιμο χρησιμοποιείται ξυλώδη βιομάζα σε μορφή τσιπς με περιεχόμενη υγρασία 20 % έως 30 %. Η μονάδα από την έναρξη της λειτουργίας της έχει υπογράψει δεκαετή συμβόλαια προμήθειας της απαιτούμενης για τη λειτουργία της βιομάζας. Πιο συγκεκριμένα : Το 60 % προέρχεται από τον τοπικό συνεταιρισμό παραγωγών ξυλείας που αξιοποιεί χωρίς να καταστρέφει τις δασικές εκτάσεις της περιοχής. Η ξυλεία αφού συγκεντρωθεί, εκτίθεται στο περιβάλλον για περίπου 1 χρόνο προκειμένου η υγρασία να μειωθεί στο 25%. Τα τσιπς πωλούνται στη μονάδα στην τιμή των / τόνο. Το κόστος της παραγόμενης ενέργειας ανέρχεται σε 0,016 / kwh. Το 40 % προέρχεται από υπολείμματα ξυλείας προερχόμενα από βιοτεχνίες επεξεργασίας ξύλου που βρίσκονται στην περιοχή. Το κόστος της παραγόμενης ενέργειας ανέρχεται σε 0,007 / kwh

158 Παραγωγή ενέργειας Εικόνα 3.21: Διάταξη αεριοποίησης δύο σταδίων σε ρευστοποιημένες κλίνες που είναι εγκατεστημένη στη μονάδα της κοινότητας Gussing Στη συγκεκριμένη μονάδα γίνεται εφαρμογή της τεχνολογίας αεριοποίησης με κυκλοφορούσα ρευστοποιημένη κλίνη δύο συνεργαζόμενων αντιδραστήρων ( FICFB gasification system, Fast Internal Circulating Fluidised Bed ). Η βιομάζα που βρίσκεται σε μορφή τσιπς εισέρχεται με τη βοήθεια ενός ατέρμονα κοχλία στον αριστερό αντιδραστήρα ρευστοποιημένης κλίνης. Από τη βάση του αντιδραστήρα εισάγεται και ισοκατανέμεται ατμός ο οποίος είναι ταυτόχρονα το μέσο ρευστοποίησης αλλά και το μέσο αεριοποίησης. Μέσα στον αντιδραστήρα επικρατεί μία θερμοκρασία μεταξύ 800 ο C και 900 ο C. Στο πάνω μέρος του όπου αυξάνεται και η διατομή του, πραγματοποιούνται οι αντιδράσεις σχηματισμού του αερίου αεριοποίησης ενώ στο κάτω μέρος του βρίσκεται το υλικό πλήρωσης και τσιπς βιομάζας σχηματίζοντας μια αναβράζουσα ρευστοποιημένη κλίνη. Μέσω ενός αγωγού μεταφέρεται μέρος του υλικού πλήρωσης και της βιομάζας από τον αριστερό αντιδραστήρα στο δεξιό. Στο δεξιό αντιδραστήρα εισάγεται αέρας ο οποίος παρασύρει τα σωματίδια υλικού πλήρωσης - βιομάζας προς το πάνω μέρος του ενώ παράλληλα πραγματοποιείται καύση των σωματιδίων βιομάζας. Η θερμότητα που εκλύεται κατά την καύση απορροφάται από το μέσο πλήρωσης το οποίο οδηγείται στον αριστερό αντιδραστήρα για να πραγματοποιηθούν οι ενδόθερμες αντιδράσεις αεριοποίησης. Δηλαδή, ένα μέρος της εισερχόμενης βιομάζας αεριοποιείται στον αριστερό αντιδραστήρα και το υπόλοιπο καίγεται στο δεξιό αντιδραστήρα τροφοδοτώντας με θερμική ενέργεια τη διεργασία. Τα καυσαέρια της καύσης αφού διαχωριστούν μέσω ενός κυκλώνα οδηγούνται σε ένα τρίτο αντιδραστήρα έτσι ώστε να ολοκληρωθεί η καύση τυχών άκαυστων σωματιδίων βιομάζας και πίσσας. Στη συνέχεια τα καυσαέρια (κόκκινη γραμμή) οδηγούνται σε έναν εναλλάκτη θερμότητας ώστε να μειωθεί η θερμοκρασία τους, μετά σε ένα υφασμάτινο φίλτρο αέρος για την απομάκρυνση σωματιδίων που έχουν παρασυρθεί και τέλος απελευθερώνονται στην ατμόσφαιρα

159 Το παραχθέν αέριο μετά την έξοδό του από τον αντιδραστήρα οδηγείται σε έναν εναλλάκτη θερμότητας προκειμένου να μειωθεί η θερμοκρασία του από τους 800 ο C στους 160 ο C 180 ο C και στη συνέχεια σε δύο διαδοχικά στάδια καθαρισμού. Αρχικά διέρχεται μέσα από ένα υφασμάτινο φίλτρο αέρος για την απομάκρυνση σωματιδίων τα οποία επιστρέφονται στο δεξιό αντιδραστήρα (αντιδραστήρα καύσης) και έπειτα μέσα από μία διάταξη πλύσης με συγκεκριμένα οργανικά έλαια που παγιδεύουν αιωρούμενα σωματίδια και αφού η θερμοκρασία μειώνεται στους 40 ο C, συμπυκνώνονται όλες οι αέριες ποσότητες πίσσας και ατμού που δεν έχουν συμπυκνωθεί. Το αέριο αεριοποίησης μετά τον καθαρισμό του οδηγείται στη μηχανή εσωτερικής καύσης. Στην περίπτωση που δε θέλουμε να παράγουμε ηλεκτρικό ρεύμα αλλά μόνο θερμό νερό θα μπορούσαμε να τοποθετήσουμε ένα boiler για την καύση του αερίου αεριοποίησης που έχει παραχθεί. Παρατηρείται ότι υπάρχει μία επανακυκλοφορία των οργανικών ελαίων που χρησιμοποιούνται στη διάταξη πλύσης. Οι ποσότητες που έχουν γίνει παχύρευστες λόγω συγκέντρωσης πίσσας και σωματιδίων απομακρύνονται από τη συσκευή καθαρισμού (μπλε γραμμή) και αφού θερμανθούν οδηγούνται σε ένα δοχείο όπου γίνεται διαχωρισμός υγρής και αέριας φάσης. Οι ποσότητες που βρίσκονται σε αέρια φάση (ατμοί και πίσσες) οδηγούνται στο θάλαμο καύσης των καυσαερίων του αντιδραστήρα αεριοποίησης και οι ποσότητες που βρίσκονται σε υγρή φάση (πίσσες και οργανικά έλαια) οδηγούνται στο δεξιό μέρος του αντιδραστήρα αεριοποίησης προκειμένου να καούν. Η συγκεκριμένη μονάδα είναι η πρώτη που κατασκευάστηκε από τις εταιρίες Ortner Anlangenbau και Repotec. Στη συνέχεια κατασκευάστηκαν και άλλες μονάδες συμπαραγωγής με τις ίδιες ακριβώς αρχές λειτουργίας, όπως παρουσιάζεται στον παρακάτω πίνακα. Στις μονάδες που κατασκευάστηκαν στις πόλεις Oberwart και Ulm παράλληλα με τις μηχανές εσωτερικής καύσης εγκαταστάθηκαν και συστήματα που κάνουν χρήση του οργανικού κύκλου Rankine (ORC). Γενικά, όπως φαίνεται και από αυτές τις δύο περιπτώσεις, έχουμε αύξηση της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος κατά 20 % με 30 % όταν κάνουμε ταυτόχρονη χρήση συστημάτων ORC. Πίνακας 3.8: Μονάδες αεριοποίησης δύο σταδίων σε ρευστοποιημένες κλίνες, που κατασκευάστηκαν από τις εταιρίες Ortner Anlangenbau και Repotec Τόπος Ισχύς εισόδου Ισχύς εξόδου Έτος έναρξης λειτουργίας Εγκατάστασης (MW th ) (MW el ) Αυστρία Gussing Oberwart 8,5 2,8* 2008 Villach 15 3, Klagenfurt 25 5, Γερμανία Ulm 15 5,3* 2010 Η θερμική ενέργεια που παράγεται από τη μονάδα αξιοποιείται από ένα δίκτυο τηλεθέρμανσης μήκους 27 χλμ. το οποίο καλύπτει τις θερμικές ανάγκες από 300 ιδιωτικές κατοικίες, 50 δημόσια κτήρια και 10 ξηραντήρων βιομηχανικής κλίμακας. Η τιμή της προσφερόμενης από τη μονάδα ενέργειας είναι 0,02 για κάθε kwh θερμικής ενέργειας και 0,16 για κάθε kwh ηλεκτρικής ενέργειας όταν το εθνικό δίκτυο πωλεί στους καταναλωτές την ηλεκτρική ενέργεια 0,04 για κάθε kwh

160 Το παραγόμενο αέριο που προκύπτει έχει τη σύνθεση που παρουσιάζεται στους παρακάτω πίνακες. Λόγω του ότι ως μέσο αεριοποίησης χρησιμοποιούμε ατμό το αέριο αεριοποίησης που προκύπτει, έχει χαμηλή περιεκτικότητα σε Ν 2 και υψηλή σε Η 2 με αποτέλεσμα η θερμογόνος δύναμή του να είναι υψηλή. [58] Πίνακες 3.9: Σύνθεση και προσμίξεις του παραγόμενου αερίου αεριοποίησης στη μονάδα της κοινότητας Gussing Σύνθεση παραγόμενου αερίου μονάδας Gussing Ν %κ.ό. Η %κ.ό. CO %κ.ό. CO %κ.ό. CH %κ.ό. C 2 H 6 2 %κ.ό. Κ.Θ.Δ 12 MJ/Nm 3 Προσμίξεις Πίσσες mgr/nm 3 Σωματίδια <5 mgr/nm 3 Αμμωνία <400 ppm Ενώσεις Θείου ppm Η μηχανή εσωτερικής καύσης μαζί με τη γεννήτρια που χρησιμοποιείται στη μονάδα είναι μία κατασκευή της εταιρίας Jenbacher. Η μηχανή έχει 20 κυλίνδρους σε διάταξη V και συνολικό όγκο εμβολισμού 125 λίτρα ενώ η ισχύς εξόδου είναι 2 MW el με έναν ηλεκτρικό βαθμό απόδοσης 39 %. Είναι φτωχής καύσης τύπου Otto ενώ το αέριο αεριοποίησης πριν εισέρθει στο θάλαμο καύσης συμπιέζεται μέσω ενός στροβιλοσυμπιεστή (turbocharger) και στη συνέχεια ψύχεται μέσω ενός ενδιάμεσου ψύκτη (intercooler). Το αέριο αεριοποίησης έχει μία θερμοκρασία πάνω από 50 ο C όταν εισέρχεται στον στροβιλοσυμπιεστή ώστε να αποφευχθεί η συμπύκνωση των μικρών ποσοτήτων πίσσας που εξακολουθούν να υπάρχουν. Πίνακας 3.10: Λειτουργικά χαρακτηριστικά της μηχανής εσωτερικής καύσης που χρησιμοποιείται από τη μονάδα αεριοποίησης στην κοινότητα Gussing Mονάδα Gussing Μηχανή Εσωτερικής Καύσης GE s Jenbacher J620 GS Έτος κατασκευής 2001 Διαμόρφωση V20 Βαλβίδες ανά κύλινδρο 4 Κύκλος Miller - Διάμετρος κυλίνδρου (mm) 190 Διαδρομή εμβόλου (mm) 220 Όγκος εμβολισμού (λίτρα) 124,8 Συνολικός Λόγος συμπίεσης 12 Ταχύτητα (στρ/λεπτό) 1500 Ισχύς εξόδου 2 MW el Μέθοδος καύσης Φτωχής καύσης Otto Υπερπλήρωση Στροβιλοσυμπιεστής με ενδιάμεσο ψύκτη

161 Διαχείριση Καυσαερίων Τα καυσαέρια αμέσως μετά την έξοδο της μηχανής εσωτερικής καύσης, οδηγούνται σε έναν καταλυτικό μετατροπέα οξείδωσης για τη μετατροπή των παραγόμενων ποσοτήτων CO σε CO 2. Πιο συγκεκριμένα, οι εκπομπές CO μειώνονται από την αρχική ποσότητα των 3000 ppm ppm σε λιγότερο από 400 ppm όταν το επιτρεπόμενο όριο είναι 650 ppm. Η απόδοση του καταλύτη παραμένει σταθερή για ένα διάστημα μερικών χιλιάδων ωρών λειτουργίας και στη συνέχεια μειώνεται σταδιακά επειδή συσσωρεύονται επικαθίσεις και συμπυκνώματα. Στη συνέχεια τα καυσαέρια διέρχονται μέσα από έναν εναλλάκτη θερμότητας όπου και μειώνεται η θερμοκρασία τους και έπειτα οδηγούνται στην καπνοδόχο για να απελευθερωθούν στην ατμόσφαιρα. Πίνακας 3.11: Εκλυόμενοι ρύποι στα καυσαέρια της μονάδας αεριοποίησης της κοινότητας Gussing Ποσότητες ρύπων στα καυσαέρια μονάδας Gussing CO (mg/nm 3 ) Πριν τον καταλύτη Μετά τον καταλύτη NO x (mg/nm 3 ) Σωματίδια σκόνης (mg/nm 3 ) < 20 Η μονάδα δεν παράγει εκπομπές σε υγρή μορφή ενώ τα μόνα στερεά υπολείμματα από τη λειτουργία της είναι η τέφρα από την καύση της βιομάζας στο δεξιό αντιδραστήρα. Το περιεχόμενο σε άκαυστο άνθρακα της συγκεκριμένης τέφρας είναι πολύ χαμηλό (< 0,5% κ.β.) γεγονός που διευκολύνει τη μετέπειτα διάθεσή της

162 Συμπερασματικά Το κύριο πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι η συμπαγή κατασκευή της και η παραγωγή ενός αερίου αεριοποίησης με σταθερή θερμογόνο δύναμη 12 MJ/Nm 3. Μετά από βελτιστοποίηση του συστήματος ελέγχου της διάταξης μπορεί να επιτευχθεί μία ομαλή σταθερή λειτουργία του αντιδραστήρα αεριοποίησης και των συστημάτων καθαρισμού του παραχθέντος αερίου που ακολουθούν. Αυτή η ομαλότητα στη λειτουργία του αντιδραστήρα επιτυγχάνεται σχετικά εύκολα χωρίς πολλές ρυθμίσεις, διότι λαμβάνει χώρα μία ισορροπία μεταξύ των αντιδράσεων αεριοποίησης στον ένα αντιδραστήρα και των αντιδράσεων καύσης στον άλλο. Όπως έχει ήδη αναφερθεί οι αντιδράσεις αεριοποίησης είναι ενδόθερμες. Όταν η θερμοκρασία στον αντιδραστήρα αεριοποίησης πέφτει, λιγότερο καύσιμο αεριοποιείται και αυτό έχει ως αποτέλεσμα την είσοδο μεγαλύτερης ποσότητας βιομάζας που δεν έχει οξειδωθεί, στον αντιδραστήρα καύσης. Η μεγαλύτερη ποσότητα εισερχόμενης βιομάζας στον αντιδραστήρα καύσης έχει ως συνέπεια την απελευθέρωση περισσότερης θερμικής ενέργειας και την περαιτέρω αύξηση της θερμοκρασίας του υλικού πλήρωσης που οδηγείται πάλι πίσω στον αντιδραστήρα αεριοποίησης. Έτσι επικρατεί μία θερμοκρασιακή ισορροπία μεταξύ των δύο αντιδραστήρων. Ακόμη, η θερμοκρασία στον αντιδραστήρα καύσης μπορεί να ελεγχθεί εύκολα με ρύθμιση της ροής του παραγόμενου αερίου αεριοποίησης. Τέλος, το γεγονός ότι χρησιμοποιούμε ατμό ως μέσο αεριοποίησης και όχι αέρα έχει ως αποτέλεσμα τη μικρότερη περιεκτικότητα σε πίσσες του παραγόμενου αερίου. Γενικά η μονάδα Gussing έχει αυξημένα έξοδα λειτουργίας, μεταξύ και ετησίως δηλαδή μεταξύ 10 % και 15 % του αρχικού κόστους κατασκευής. Αυτό το κόστος περιλαμβάνει τους μισθούς των υπαλλήλων, τα έξοδα συντήρησης, τα υλικά που χρειάζονται για τη λειτουργία του όπως για παράδειγμα υλικό πλήρωσης για τους αντιδραστήρες ρευστοποιημένης κλίνης και οργανικά έλαια για το σύστημα καθαρισμού και φυσικά το κόστος αγοράς της απαιτούμενης βιομάζας. Οι επόμενες μονάδες που κατασκευάστηκαν ήταν οικονομικότερες στην κατασκευή τους κατά 25 % λόγω της τεχνογνωσίας που έχει αποκτηθεί από την πρώτη μονάδα και εμφανίζουν μικρότερα κόστη λειτουργίας λόγω διάφορων αυτοματισμών και βελτιστοποιήσεων. Τέλος η λειτουργία της μονάδας υποστηρίζεται οικονομικά και από την Αυστριακή νομοθεσία που επιβάλει υψηλότερη κοστολόγηση του ηλεκτρισμού (0,16 / kwh) όταν προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (green electricity). Εικόνα 3.22: Μονάδα συμπαραγωγής μέσω θερμοχημικής αεριοποίησης βιομάζας στην κοινότητα Gussing

163 Μονάδα Συμπαραγωγής Ηλεκτρισμού - Θερμότητας: Skive Πίνακας 3.12: Γενικά χαρακτηριστικά μονάδας αεριοποίησης Skive Χώρα εγκατάστασης Δανία (Skive) Έτος έναρξης λειτουργίας 2008 Μέθοδος ενεργειακής αξιοποίησης Θερμοχημική αεριοποίηση με αναβράζουσα ρευστοποιημένη κλίνη Μηχανή παραγωγής ισχύος Μ.Ε.Κ Φτωχής καύσης Otto Ισχύς ηλεκτρική 5,5 ΜW el Ισχύς θερμική 11,5 MW th (σε μορφή θερμού νερού) Βαθμός απόδοσης 90 % Ηλεκτρικός βαθμός απόδοσης 31 % Καύσιμο Ξυλώδης βιομάζα σε μορφή πέλλετ και τσιπς Ιδιοκτήτης I/S Skive Fjernvarme Κόστος κατασκευής - Επιδότηση Ευρωπαϊκή Ένωση Danish Energy Agency (DEA) US Department of Energy Ανάδοχος έργου Carbona / Andritz

164 Λειτουργία μονάδας αεριοποίησης Στην πόλη Skive των κατοίκων της Δανίας βρίσκεται σε λειτουργία μία πρότυπη πλήρως αυτοματοποιημένη μονάδα συμπαραγωγής θερμότητας ηλεκτρισμού. Άρχισε να κατασκευάζεται το 2005 και το καλοκαίρι του 2008 είχε τεθεί σε λειτουργία. Η μονάδα ανήκει στην τοπική εταιρία τηλεθέρμανσης I/S Skive Fjernvarme η οποία είχε και την επίβλεψη της κατασκευής της. Η μονάδα έχει μέγιστη παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ 6 ΜW el και μετά από μία εσωτερική κατανάλωση μπορεί να τροφοδοτεί το δίκτυο με 5,5 ΜW el. Επίσης έχει παραγόμενη θερμική ισχύ 11,5 MW th με την οποία καλύπτεται το 70 % των αναγκών του δικτύου τηλεθέρμανσης της πόλης. Το θερμό νερό εξέρχεται της μονάδας στους 94 ο C και επιστρέφει στους 50 ο C. Σε ετήσια βάση μπορεί να δουλέψει 8000 ώρες παράγοντας 40 GWh ηλεκτρισμού. Κατά τους θερινούς μήνες η μονάδα αεριοποίησης διακόπτει τη λειτουργία της καθώς οι θερμικές ανάγκες του δικτύου τηλεθέρμανσης είναι μειωμένες και καλύπτονται από μία άλλη μικρότερη μονάδα καύσης βιομάζας για παραγωγή θερμού νερού. Γενικά, η μονάδα προσαρμόζει την παραγωγή της σε θερμότητα και ηλεκτρισμό ανάλογα με την εποχιακή ζήτηση θερμότητας. Η μονάδα εξοπλίστηκε από την εταιρία Carbona μία θυγατρική της Andritz Oy. Η εταιρία Carbona παρείχε το σύστημα τροφοδοσίας του αντιδραστήρα, τον αντιδραστήρα αεριοποίησης, το σύστημα καθαρισμού του αερίου, το σύστημα ψύξης του αερίου και άλλο υποστηρικτικό εξοπλισμό. Η εταιρία Jenbacher AG/Austria παρείχε τρεις μηχανές εσωτερικής καύσης ( J620 GS ) ειδικά σχεδιασμένες για καύση αερίου χαμηλής θερμογόνου δύναμης. Τέλος το ερευνητικό κέντρο VTT της Φιλανδίας ανέπτυξε την τεχνολογία για τον καθαρισμό του αερίου από τις πίσσες. [44, 59, 62] Καύσιμο Ο αντιδραστήρας της μονάδας είναι σχεδιασμένος να χρησιμοποιεί ως καύσιμο ξυλώδη βιομάζα σε μορφή πέλλετ αλλά μπορεί να χρησιμοποιεί και τσιπς ή ακόμη και μείγμα αυτών των δύο. Το περιεχόμενο σε υγρασία των πέλλετ που χρησιμοποιεί η μονάδα κυμαίνεται γύρω στο 9,5 % ενώ στα τσιπς είναι γύρω στο 30 %. Η καύσιμη βιομάζα πέλλετ αποθηκεύεται μέσα σε κτήριο δίπλα από τη μονάδα αεριοποίησης. Για συνδυασμένη παραγωγή 6 MW el και 11,5 MW th η μονάδα καταναλώνει 100 τόνους πέλλετ μέσα σε μία ημέρα που αντιστοιχούν σε μία θερμική ισχύ 28 MW th. [59, 62]

165 Παραγωγή ενέργειας Εικόνα 3.23: Αντιδραστήρας αεριοποίησης τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης που χρησιμοποιείται στη μονάδα Skive Ο αντιδραστήρας αεριοποίησης που χρησιμοποιείται είναι τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης χαμηλής πίεσης. Παρατηρούμε ότι τα πέλλετ συγκεντρώνονται σε δύο χοάνες (μικρές δεξαμενές ) μεταξύ των οποίων η κυκλοφορία των πέλλετ ελέγχεται με βάνες. Στη συνέχεια με δύο διαδοχικούς ατέρμονες κοχλίες εισάγονται τα πέλλετ ακριβώς πάνω από το διανομέα στα χαμηλότερα επίπεδα της ρευστοποιημένης κλίνης. Ως μέσο αεριοποίησης χρησιμοποιείται αέρας μαζί με ατμό που εισέρχονται μέσω του διανομέα στο εσωτερικό του αντιδραστήρα και προκαλούν τον αναβρασμό του υλικού πλήρωσης και των πέλλετ. Η υπερπίεση του αέρα εισαγωγής ρυθμίζεται και μπορεί να λάβει διακυμάνσεις από 0,5 bar έως 2 bar. Ως υλικό πλήρωσης χρησιμοποιείται δολομίτης προσδίδοντας στον αντιδραστήρα μία ικανότητα περιορισμού των παραγόμενων πισσών. Ο δολομίτης σε υψηλές θερμοκρασίες διασπάται σε οξείδιο ασβεστίου μαγνησίου το οποίο είναι και το ενεργό συστατικό σύμφωνα με την αντίδραση : CaMgO CO 2 CaMg(CO 3 ) 2. Όμως η αντίδραση είναι αμφίδρομη, με αποτέλεσμα όταν η μερική πίεση του CO 2 αυξηθεί τότε το οξείδιο ασβεστίου μαγνησίου να σχηματίζει εκ νέου τον αδρανή δολομίτη πράγμα ανεπιθύμητο. Γι αυτό και γίνονται έρευνες προκειμένου να βρεθούν καλύτερα υλικά πλήρωσης. Οι ποσότητες αμμωνίας (NH 3 ) που παράγονται μέσα στον αντιδραστήρα δεν μπορούν να ελεγχθούν και εξαρτώνται από την περιεκτικότητα σε Ν 2 της βιομάζας που χρησιμοποιείται. Όπως φαίνεται και στην εικόνα 3.23 η ρευστοποιημένη κλίνη δεν καταλαμβάνει όλο το χώρο του αντιδραστήρα αλλά αφήνει ένα χώρο στον οποίο πραγματοποιούνται οι ενδόθερμες αντιδράσεις σχηματισμού του αερίου αεριοποίησης. Το παραχθέν αέριο αφού διέρθει μέσα από ένα κυκλώνα εγκαταλείπει τον αντιδραστήρα στη θερμοκρασία των 950 ο C. Η θερμοκρασία εξόδου έχει μεγάλη σημασία καθώς σε υψηλότερες θερμοκρασίες παρατηρείται λιώσιμο της τέφρας ενώ σε χαμηλότερες παρατηρούνται συμπυκνώματα πίσσας. Γενικότερα, όταν η θερμοκρασία μέσα στον αντιδραστήρα είναι πολύ χαμηλότερη από τους 1000 ο C διαπιστώνεται αυξημένη παραγωγή πισσών. Τα σωματίδια που αποχωρίζονται μέσα στον κυκλώνα επαναφέρονται μέσα στον αντιδραστήρα ενώ η παραγόμενη τέφρα απομακρύνεται από τον αντιδραστήρα μέσω ενός περιστρεφόμενου ατέρμονα κοχλία. [59, 60, 61]

166 Εικόνα 3.24: Εξωτερική άποψη του αντιδραστήρα αεριοποίησης στη μονάδα Skive Στην εικόνα 3.24 παρουσιάζεται ο αντιδραστήρας αεριοποίησης τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης της πρότυπης μονάδας Skive. Το παραχθέν αέριο μετά την έξοδό του από τον αντιδραστήρα εισέρχεται με θερμοκρασία περίπου 950 ο C στο πρώτο στάδιο καθαρισμού, έναν καταλυτικό μετατροπέα που μετασχηματίζει διάφορες ενώσεις πίσσας καθώς και μεθάνιο σε υδρογόνο και μονοξείδιο του άνθρακα και εξέρχεται από αυτόν στους 850 ο C. Με αυτόν τον τρόπο επιτρέπεται η περεταίρω επεξεργασία του αερίου χωρίς τα προβλήματα που δημιουργούνται από τη συμπύκνωση των πισσών όταν μειώνεται η θερμοκρασία. Ο καταλυτικός μετατροπέας που χρησιμοποιείται εκμεταλλεύεται την υψηλή θερμοκρασία των καυσαερίων προκειμένου να λάβουν χώρα ορισμένες αντιδράσεις μετασχηματισμού των πισσών. Στην εικόνα 3.25 απεικονίζεται ένας αγωγός - κύλινδρος μέσα από τον οποίο διέρχεται το αέριο στους 950 ο C ερχόμενο σε επαφή με το ενεργό υλικό καταλύτη που είναι επικαλυμμένο στις λεπτές κεραμικές επιφάνειες. Ο καταλυτικός μετατροπέας είναι ένας κύλινδρος αντιδραστήρας μεγάλης διαμέτρου και μεγάλου μήκους που στο εσωτερικό του αποτελείται από πολλούς (600) κυλίνδρους μικρότερης διαμέτρου και μικρότερου μήκους όπως αυτός της φωτογραφίας και που ονομάζονται μονόλιθοι. Ο συγκεκριμένος καταλυτικός μετατροπέας μπορεί να ανταπεξέρθει ικανοποιητικά ακόμα και όταν η ροή του αερίου παρασέρνει μικροποσότητες τέφρας σκόνης. [63] Εικόνα 3.25: Στοιχείο του καταλυτικού μετατροπέα που χρησιμοποιείται ως πρώτο στάδιο καθαρισμού του αερίου αεριοποίησης στη μονάδα Skive

167 Γενικότερα η επεξεργασία των πισσών με καταλυτικό μετατροπέα έχει το πολύ σημαντικό πλεονέκτημα ότι δεν απαιτεί επιπλέον ενέργεια, συνδράμοντας έτσι σε ένα καλό συνολικό βαθμό απόδοσης. Ακόμη, δεν παράγονται ουσίες από τη διεργασία που να πρέπει να κατεργαστούν περισσότερο πριν απομακρυνθούν. Η πτώση πίεσης διαμέσου του καταλυτικού μετατροπέα παραμένει σταθερή, δε σχηματίζεται καπνιά ενώ για τον καθαρισμό του εμφυσείται μετά από καθορισμένες ώρες λειτουργίας άζωτο ή ατμός με φορά αντίθετη αυτής της κανονικής λειτουργίας του. Ο καταλυτικός μετατροπέας που αποτελείται από <<μονόλιθους>> κατασκευάστηκε από την εταιρία Haldor Topso A/S και ως καταλύτης χρησιμοποιείται κάποιο οξείδιο του νικελίου (σπινέλιο). Ο συγκεκριμένος καταλύτης χρησιμοποιείται από πολλούς κατασκευαστές διότι παρουσιάζει ως πλεονεκτήματα την υψηλή αντιδραστικότητά του, την αύξηση των παραγόμενων CO και H 2 και την υψηλή αποτελεσματικότητα στη μείωση των ποσοτήτων πίσσας αφού έχει τη δυνατότητα να μειώσει τις ποσότητες πισσών κατά 90 %. Η υψηλή αποτελεσματικότητα του όμως μειώνεται έως και 70 % με την πάροδο του χρόνου. Ως μειονέκτημα παρουσιάζει το υψηλό κόστος του, την ευαισθησία του στο θείο (δηλητηρίαση) όταν η θερμοκρασία του αερίου πέφτει σημαντικά χαμηλότερα από τους 900 ο C και η σχετικά μικρή διάρκεια της έντονης αντιδραστικότητάς τους. Επίσης παρουσιάζουν ευαισθησία στις ενώσεις χλωρίου και στα αλκάλια. Μέσα στον καταλυτικό μετατροπέα πραγματοποιούνται οι ακόλουθες ενδόθερμες αντιδράσεις : H 2 O + CO H 2 + CO 2 H 2 O + COS H 2 S + CO 2 CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 C n H 2n + H 2 nch 4 Πίσσες + H 2 mch 4 2NH 3 N 2 + 3H 2 Μετά τον καταλυτικό μετατροπέα το παραχθέν αέριο οδηγείται μέσα σε εναλλάκτες θερμότητας οι οποίοι ψύχουν το αέριο από τους 850 ο C στους 200 ο C παράγοντας ατμό και αξιοποιώντας την αποκτούμενη θερμότητα στο δίκτυο τηλεθέρμανσης. Στη συνέχεια το αέριο στους 200 ο C διέρχεται μέσα από ένα υφασμάτινο φίλτρο για την απομάκρυνση των μικρών σωματιδίων που έχουν παρασυρθεί αυτό είναι το δεύτερο στάδιο καθαρισμού. Τέλος, το αέριο διέρχεται μέσα από δύο διατάξεις πλύσης με νερό τρίτο στάδιο καθαρισμού. Η θερμοκρασία του αερίου μειώνεται στους 30 ο C χρησιμοποιώντας τη θερμότητα που ανακτάται στο δίκτυο τηλεθέρμανσης ενώ το αέριο καθαρίζεται ακόμη περισσότερο από διάφορες προσμίξεις όπως NH 3 και HCN. Επίσης από το 2 ο και 3 ο στάδιο το αέριο καθαρίζεται από ποσότητες αλκαλίων (Να, Κ) και από διάφορα χλωρίδια ασβεστίου από το υλικό πλήρωσης και χλωρίδια αλκαλίων που σχηματίζονται από το ΗCl που δημιουργείται μέσα στον αντιδραστήρα αεριοποίησης από το περιεχόμενο χλώριο της βιομάζας. Μετά από αυτά τα τρία στάδια καθαρισμού το παραχθέν αέριο οδηγείται σε μία δεξαμενή συγκέντρωσης και στη συνέχεια σε τρείς μηχανές εσωτερικής καύσης των 2 MW el με έναν ηλεκτρικό βαθμό απόδοσης 41 % η κάθε μία. Η μονάδα βέβαια έχει τη δυνατότητα να στείλει το σύνολο του παραχθέντος αερίου σε δύο λέβητες για θέρμανση νερού, που ο κάθε ένας έχει μέγιστη δυνατότητα παραγωγής θερμικής ισχύος 10 MW th. Με αυτόν τον τρόπο παρέχεται μία επιχειρησιακή ευελιξία στη μονάδα όταν οι μηχανές εσωτερικής καύσης διακόπτουν τη λειτουργία τους για λόγους συντήρησης. Η θερμότητα που ανακτάται μέσω εναλλακτών από το σύστημα ψύξης των μηχανών και την ψύξη των καυσαερίων πριν οδηγηθούν στην καπνοδόχο αξιοποιείται από το δίκτυο τηλεθέρμανσης. [61]

168 Εικόνα 3.26: Διάταξη αεριοποίησης και παραγωγής ενέργειας της μονάδας Skive Πίνακας 3.13 : Σύνθεση παραγόμενου αερίου αεριοποίησης της μονάδας Skive Σύνθεση παραγόμενου αερίου αεριοποίησης μονάδας Skive Ν 2 42 % κ.ό. Η 2 20 % κ.ό. CO 22 % κ.ό. CO 2 12 % κ.ό. CH 4 4 % κ.ό. NH 3 + HCN 0,005 % κ.ό. H 2 S + COS 0,008 % κ.ό HCl 0,003 % κ.ό Κ.Θ.Δ 4,8 5,2 MJ/Nm 3 Πίνακας 3.14 : Απαιτούμενη ποιότητα αερίου αεριοποίησης προς χρήση στις μηχανές Jenbacher J620 GS Προδιαγραφές ως προς την ποιότητα του αερίου αεριοποίησης προς χρήση στις μηχανές Jenbacher J620 GS Θερμοκρασία < 40 ο C Πίεση > 150 mbar Σχετική υγρασία < 80 % Περιεχόμενο σε σωματίδια < 50 mg / 10 kwh Περιεχόμενο σε θείο < 2000 mg H 2 S / 10 kwh Περιεχόμενο σε αλογόνα < 100 mg / 10 kwh Περιεχόμενο σε αμμωνία < 55 mgnh 3 / 10 kwh Περιεχόμενο σε πίσσες < 5 mg / 10 kwh

169 Πίνακας 3.15: Λειτουργικά χαρακτηριστικά της μηχανής εσωτερικής καύσης που χρησιμοποιείται από τη μονάδα αεριοποίησης Skive Διαχείριση Καυσαερίων Μονάδα Skive Μηχανή Εσωτερικής Καύσης 3 * Jenbacher J620 GS Έτος κατασκευής 2008 Διαμόρφωση V20 Βαλβίδες ανά κύλινδρο 4 Κύκλος Miller - Διάμετρος κυλίνδρου (mm) 190 Διαδρομή εμβόλου (mm) 220 Όγκος εμβολισμού (λίτρα) 124,8 Συνολικός Λόγος συμπίεσης 12 Ταχύτητα (στρ/λεπτό) 1500 Ισχύς εξόδου 3 * 1,97 MW el Μέθοδος καύσης Φτωχής καύσης Otto Υπερπλήρωση Στροβιλοσυμπιεστής με ενδιάμεσο ψύκτη Τα καυσαέρια που προκύπτουν από τις μηχανές εσωτερικής καύσης οδηγούνται στην καπνοδόχο και απορρίπτονται στη ατμόσφαιρα χωρίς άλλη επεξεργασία ενώ τα καυσαέρια που προκύπτουν από τους λέβητες διέρχονται από φίλτρα πριν οδηγηθούν στην καπνοδόχο. Συμπερασματικά Το εργοστάσιο συμπαραγωγής στην πόλη του Skive εφαρμόζοντας αεριοποίηση βιομάζας με αναβράζουσα ρευστοποιημένη κλίνη έχει τη δυνατότητα να παράγει 30 % περισσότερο ηλεκτρισμό από ένα συμβατικό εργοστάσιο καύσης βιομάζας. Όλα αυτά χρησιμοποιώντας την ίδια ποσότητα βιομάζας, με λιγότερους ρύπους και χωρίς το αρχικό κεφάλαιο κατασκευής να διαφέρει σημαντικά. [60] Εικόνα 3.27: Σχηματική απεικόνιση της μονάδας συμπαραγωγής Skive

170 Μονάδα Συμπαραγωγής Ηλεκτρισμού Θερμότητας : Vølund Πίνακας 3.16: Γενικά χαρακτηριστικά μονάδας αεριοποίησης Volund Χώρα εγκατάστασης Δανία (Harboøre) Έτος έναρξης λειτουργίας 2003 Μέθοδος ενεργειακής αξιοποίησης Θερμοχημική αεριοποίηση σε αντιδραστήρα ανοδικής ροής ( Updraft gasifier ) Μηχανή παραγωγής ισχύος Μ.Ε.Κ Φτωχής καύσης Otto Ισχύς ηλεκτρική 1,4 ΜW el Ισχύς θερμική 3,4 MW th (σε μορφή θερμού νερού) Βαθμός απόδοσης 93 % Ηλεκτρικός βαθμός απόδοσης 28 % Καύσιμο Ξυλώδης βιομάζα σε μορφή τσιπς Ιδιοκτήτης Babcock & Wilcox (Vølund) Κόστος κατασκευής Επιδότηση Danish Energy Agency Ανάδοχος έργου Babcock & Wilcox (Vølund)

171 Λειτουργία μονάδας αεριοποίησης Ένα χιλιόμετρο μακριά από τη μικρή πόλη Harboøre των κατοίκων στη Δανία το Δεκέμβριο του 1993 έγινε η εγκατάσταση μία μονάδας αεριοποίησης ξυλώδους βιομάζας σε μορφή τσιπς για θέρμανση νερού σε λέβητα προκειμένου να τροφοδοτηθεί το τοπικό δίκτυο τηλεθέρμανσης. Για περίπου 3 χρόνια πραγματοποιήθηκαν δοκιμές και βελτιώσεις της διεργασίας με αποτέλεσμα στις αρχές του 1997 η διάταξη να αρχίσει την κανονική λειτουργία της. Παράλληλα, επειδή χρησιμοποιείται αντιδραστήρας αεριοποίησης ανοδικής ροής, πραγματοποιήθηκε έρευνα προκειμένου να αναπτυχθεί μία αποτελεσματική μέθοδος περιορισμού των περιεχόμενων ποσοτήτων πίσσας στο παραγόμενο αέριο έτσι ώστε να μπορεί να οδηγηθεί σε μηχανές εσωτερικής καύσης. Αποδείχθηκε ότι ο καθαρισμός του αερίου από πίσσες όταν χρησιμοποιείται αντιδραστήρας ανοδικής ροής δεν ήταν μία εύκολη υπόθεση και δοκιμάστηκαν διάφοροι μέθοδοι. Τελικά το σύστημα καθαρισμού που αναπτύχθηκε από την Babcock & Wilcox είναι αρκετά αποδοτικό και ονομάστηκε Tarwatc. H μονάδα του Harboøre άρχισε να λειτουργεί ως μονάδα συμπαραγωγής θερμότητας ηλεκτρισμού το τέλος του 2003 έχοντας τη δυνατότητα να παράγει θερμική ισχύ 3,4 MW th και ηλεκτρική ισχύ 1,4 ΜW el με συνολική απόδοση 93 % και με ικανότητα λειτουργίας 8000 ωρών το χρόνο. Το συνολικό μήκος του δικτύου τηλεθέρμανσης που τροφοδοτεί είναι 10 χλμ ενώ εξυπηρετούνται 900 καταναλωτές - ιδιωτικές κατοικίες και δημόσια κτήρια της πόλης. Το νερό του δικτύου φεύγει από τη μονάδα στους 90 ο C και επιστρέφει στους 40 ο C. Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται πωλείται στο εθνικό δίκτυο προς 0,08 /kwh ενώ και η θερμική ενέργεια πωλείται στους καταναλωτές περίπου στην ίδια τιμή. Η μονάδα κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού όπου υπάρχουν μειωμένες θερμικές ανάγκες μειώνει αντίστοιχα και την παραγωγή της σε θερμότητα και ηλεκτρισμό. Ιδιοκτήτρια εταιρία της μονάδας και παράλληλα υπεύθυνη για τη λειτουργία της είναι η Vølund (BWV), μία θυγατρική της αμερικανικής εταιρίας Babcock & Wilcox. Στη μονάδα εργάζονται μόνο δύο υπάλληλοι που είναι υπεύθυνοι και για το δίκτυο τηλεθέρμανσης. Η μονάδα η οποία αποτελεί πρότυπο μοντέλο, κόστισε για να ολοκληρωθεί όμως μία παρόμοια μονάδα υπολογίζεται ότι κοστίζει περίπου για να κατασκευαστεί σύμφωνα με τα δεδομένα του Η μονάδα υποστηρίζεται νομικά και πολιτικά από τον οργανισμό Danish Energy Authority ενώ κατά τη διάρκεια της αρχικών σταδίων ανάπτυξης της μονάδας ο συγκεκριμένος οργανισμός είχε συνδράμει και οικονομικά. Η εταιρία BWV έχει κατασκευάσει και άλλες παρόμοιες μονάδες όπως φαίνεται και στον πίνακα Η μονάδα στην πόλη Ansanger δουλεύει με μηχανή Stirling. [67, 69, 70] Πίνακας 3.17: Μονάδες αεριοποίησης βιομάζας με αντιδραστήρα ανοδικής ροής που κατασκευάστηκαν από την εταιρία BWV Τόπος Εγκατάστασης Ισχύς εισόδου (MW th ) Ισχύς εξόδου (MW el ) Έτος έναρξης λειτουργίας Δανία Harboore 5,2 1, Ansanger 0,2 0,035 * 2006 Ιαπωνία Yamagata Ishikawa 9 2, Kani

172 Καύσιμο Αρχικά η εταιρία Babcock & Wilcox κατά τη διάρκεια της φάσης σχεδιασμού της μονάδας αεριοποίησης σκόπευε ως καύσιμο να χρησιμοποιεί άχυρο που είναι η πιο άφθονη μορφή βιομάζας στην Ευρώπη. Τελικά οι χαμηλές θερμοκρασίες τήξης της τέφρας του άχυρου οδήγησαν στη χρησιμοποίηση ξυλώδους βιομάζας σε μορφή τσιπς. Η απαιτούμενη ξυλεία συλλέγεται από καλλιέργειες δέντρων για αυτό το σκοπό και από δασικές εκτάσεις που βρίσκονται σε μια ακτίνα χλμ. από τη μονάδα. Λόγω του ότι χρησιμοποιείται αντιδραστήρας αεριοποίησης ανοδικής ροής δεν υπάρχουν υψηλές απαιτήσεις ως προς την υγρασία που κυμαίνεται από 35 % έως 55 %. Το προαναφερθέν όριο συνίστανται όταν γενικά χρησιμοποιούμε μηχανές εσωτερικής καύσης, όπως στην περίπτωσή μας, έτσι ώστε να αποφεύγονται επικαθίσεις ακαθαρσιών στο σύστημα καθαρισμού του αερίου. Ο αντιδραστήρας φυσικά μπορεί να δεχθεί και καύσιμα με περιεχόμενη υγρασία έως και 0 % (δεν έχει δηλαδή κάτω όριο). Η μονάδα δε χρειάζεται λοιπόν εξωτερική διάταξη ξήρανσης. Για την ομοιομορφία των τσιπς επίσης δεν υπάρχουν υψηλές απαιτήσεις. Το τυπικό μέγεθος των τσιπς κυμαίνεται από 10 έως 80 mm όμως το σύστημα τροφοδοσίας της μονάδας μπορεί να τροποποιηθεί και να δεχθεί τεμάχια μεγαλύτερων διαστάσεων. Η τροφοδοσία της μονάδας ελέγχεται μέσω ενός υπολογιστή κάνοντας χρήση ενός γερανού ο οποίος παραλαμβάνει ποσότητες τσιπς (1 m 3 κάθε φορά) από ένα συγκεντρωμένο σωρό με τσιπς στο εξωτερικό της μονάδας και τις εναποθέτει στο εσωτερικό μίας δεξαμενής με χωρητικότητα που επιτρέπει μία αυτονομία 4 ημερών. Στη συνέχεια ένα σύστημα από 3 διαδοχικούς περιστρεφόμενους ατέρμονες κοχλίες εισάγει τα τσιπς στο εσωτερικό του αντιδραστήρα αποτρέποντας την παράλληλη εισαγωγή αέρα. Πέρα από τα τσιπς ξύλου που χρησιμοποιεί η μονάδα έχουν δοκιμαστεί επιτυχώς σε πειραματική βάση και άλλα καύσιμα όπως υπολείμματα κατεργασίας ξύλου και κομματάκια από φλοιούς δέντρων. Η μονάδα προμηθεύεται την απαιτούμενη ξυλεία με κόστος 50 / τόνο. Ο θρυμματισμός της και η μετατροπή της σε τσιπς γίνεται στους χώρους της μονάδας. [69] Πίνακας 3.18: Χημική σύνθεση ξυλώδους βιομάζας (τσιπς) που χρησιμοποιεί η μονάδα Volund ως καύσιμο Χημική σύνθεση καυσίμου (τσιπς) σε ξηρή βάση C 50 % H 2 6,17 % O 2 42,67 % N 2 0,17 % Τέφρα 1 %

173 Παραγωγή ενέργειας Εικόνα 3.28: Αντιδραστήρας αεριοποίησης ανοδικής ροής της μονάδας συμπαραγωγής Volund Ο αντιδραστήρας ατμοσφαιρικής αεριοποίησης είναι τύπου ανοδικής ροής. Έχει ύψος 8 m (μαζί με τις συμπληρωματικές διατάξεις 12 m) και διάμετρο 2,5 m. Στα εσωτερικά τοιχώματα του αντιδραστήρα υπάρχει μόνωση από κεραμικό υλικό ενώ στη βάση του υπάρχει μία περιστρεφόμενη σχάρα για την εξαγωγή της τέφρας και την οδήγησή της σε μία δεξαμενή νερού για την εύκολη συλλογή της. Διαμέσου της περιστρεφόμενης σχάρας εισέρχεται στο εσωτερικό του αντιδραστήρα θερμός αέρας μαζί με ατμό στους 150 ο C. Το οξυγόνο του αέρα χρησιμοποιείται στη ζώνη καύσης ενώ ο ατμός στη ζώνη αεριοποίησης. Ο αντιδραστήρας τροφοδοτείται συνεχώς με τσιπς βιομάζας με δυνατότητα μέγιστης παροχής 1880 kg/h (θερμικής ισχύος 5,2 MW th ) από το πάνω μέρος του. Στα πλαίσια μιας σταθερής λειτουργίας της μονάδας, η θερμική ισχύς της εισαγόμενης βιομάζας μπορεί να μεταβληθεί από 0,5 MW th έως 5,2 MW th μέσα σε λίγα λεπτά. Στο πάνω μέρος είναι προσαρμοσμένος ένας μηχανισμός ο οποίος περιστρέφει αργά μία μεταλλική επίπεδη επιφάνεια με σκοπό την ισοκατανομή των τσιπς σε όλη τη διατομή του αντιδραστήρα. Ακόμη μέσω αυτού του μηχανισμού μπορεί να ελεγχθεί η ποσότητα βιομάζας που βρίσκεται μέσα στον αντιδραστήρα και αναλόγως να προσαρμοστεί η παροχή της εισερχόμενης βιομάζας. Η βιομάζα καθώς προωθείται προς το κάτω μέρος του αντιδραστήρα διέρχεται διαδοχικά από τα στάδια της ξήρανσης, της πυρόλυσης, της αεριοποίησης και της καύσης για να μετατραπεί τελικά σε τέφρα όπου συλλέγεται από το κάτω μέρος και σε αέριο αεριοποίησης όπου εξέρχεται από το πάνω μέρος του αντιδραστήρα στη θερμοκρασία των 75 ο C. Η σύνθεση του αερίου που παράγεται δεδομένου του καυσίμου, εξαρτάται κυρίως από τη διακύμανση της θερμοκρασίας και της πίεσης σε κάθε ζώνη του αντιδραστήρα όπως επίσης και από το χρόνο παραμονής του αερίου καθώς σχηματίζεται, σε κάθε μία από αυτές τις ζώνες αντιδράσεων. Στους πίνακες 3.19 παρουσιάζεται η σύνθεση του παραγόμενου αερίου μαζί με τις προσμίξεις του. [66, 69]

174 Πίνακες 3.19: Σύνθεση και προσμίξεις του παραγόμενου αερίου αεριοποίησης της μονάδας Volund Σύνθεση παραγόμενου αερίου μονάδας Vølund Ν 2 41 %κ.ό. Η 2 19 %κ.ό. CO 23 %κ.ό. CO 2 12 %κ.ό. CH 4 5 %κ.ό. Κ.Θ.Δ 5,6 MJ/Nm 3 Προσμίξεις Πίσσες Πριν τον καθαρισμό mgr/nm 3 Μετά τον καθαρισμό <2 mgr/nm 3 Σωματίδια μετά τον καθαρισμό 6 mgr/nm 3 Όταν το αέριο εγκαταλείπει τον αντιδραστήρα τότε στέλνεται για καθαρισμό και στη συνέχεια για καύση στις 2 μηχανές εσωτερικής καύσης της μονάδας για συνδυασμένη παραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας. Η μονάδα πάντως, έχει τη δυνατότητα να στείλει το σύνολο του παραγόμενου αερίου για καύση στο λέβητα παράγοντας 4,2 MW th. Στην πράξη, στέλνονται κάποιες περιορισμένες ποσότητες αερίου στο λέβητα για αποκλειστική παραγωγή θερμότητας μόνο ορισμένους μήνες το χρόνο. Η ποσότητα αερίου που παράγεται από τον αντιδραστήρα αεριοποίησης προσαρμόζεται στις θερμικές ανάγκες που πρέπει να καλυφθούν κάθε εποχή όπως φαίνεται και στην εικόνα Αντίστοιχα προσαρμόζεται και η παραγωγή ηλεκτρισμού. Η προτεραιότητα της μονάδας είναι δηλαδή η κάλυψη των θερμικών αναγκών της πόλης ενώ η παραγωγή ηλεκτρισμού εμφανίζεται ως δευτερεύων σκοπός. Εικόνα 3.29: Διακύμανση της παραγωγής θερμότητας σε ετήσια βάση από τη μονάδα συμπαραγωγής Volund

175 Από την εικόνα 3.29 διαπιστώνεται ότι η μονάδα παράγει θερμότητα με τέσσερεις τρόπους. Το μεγαλύτερο μέρος της παραγόμενης θερμότητας (μωβ χρώμα) προέρχεται από την εκμετάλλευση της θερμότητας των καυσαερίων των μηχανών εσωτερικής καύσης και από τη ψύξη τους, από τη θερμότητα που εκλύεται κατά την καύση των πισσών μικρής πυκνότητας κατά τη διαδικασία Tarwatc και από τη συμπύκνωση των πισσών στο πρώτο στάδιο καθαρισμού του παραχθέντος αερίου. Είναι δηλαδή η θερμότητα που προκύπτει από τη διαδικασία παραγωγής ηλεκτρισμού. Ένα μικρό ποσοστό της παραγόμενης θερμότητας (γαλάζιο χρώμα) οφείλεται στην απευθείας καύση του παραγόμενου αερίου στο λέβητα για αποκλειστική παραγωγή θερμότητας. Επίσης παράγεται θερμότητα από την καύση των πισσών μεγάλης πυκνότητας στο λέβητα (βεραμάν χρώμα). Τέλος η μονάδα είναι εξοπλισμένη με δύο εφεδρικούς λέβητες καύσης πετρελαίου και φυσικού αερίου (σκούρο μωβ χρώμα) οι οποίοι μπαίνουν σε λειτουργία πολύ σπάνια για να καλύψουν αυξημένες θερμικές ανάγκες του δικτύου τηλεθέρμανσης. [68] Εικόνα 3.30: Διάταξη αεριοποίησης τύπου ανοδικής ροής της μονάδας συμπαραγωγής Volund Στο σχήμα 3.30 παρουσιάζεται η διάταξη αεριοποίησης τύπου σταθερής κλίνης ανοδικής ροής της πρότυπης μονάδας Vølund. Όσο αναφορά τα καυσαέρια από την καύση του αερίου στο λέβητα, οδηγούνται σε ένα συμπυκνωτή όπου αποδίδουν θερμότητα στο δίκτυο τηλεθέρμανσης και παράλληλα συμπυκνώνονται οι αυξημένες ποσότητες υγρασίας που περιέχουν. Στη συνέχεια έχοντας μία θερμοκρασία 100 ο C οδηγούνται στην καπνοδόχο ύψους 20 m για να απελευθερωθούν στην ατμόσφαιρα. [65] Η ποσότητα του παραχθέντος αερίου που προορίζεται για τις μηχανές εσωτερικής καύσης οδηγείται σε ένα συμπυκνωτή μέσα στον οποίο γίνεται διαχωρισμός του παραχθέντος αερίου από τις πίσσες και τους υδρατμούς. Η θερμότητα που ανακτάται χρησιμοποιείται από το δίκτυο τηλεθέρμανσης. Στη συνέχεια το αέριο οδηγείται σε ένα υγρό ηλεκτροστατικό φίλτρο (Wet ESP) για την απομάκρυνση σταγονιδίων πίσσας - νερού και σωματιδίων βιομάζας. Μετά από αυτά τα δύο στάδια καθαρισμού το αέριο στέλνεται στις δύο μηχανές εσωτερικής καύσης στη θερμοκρασία των 45 ο C. [65]

176 Το μείγμα πισσών και νερού που συγκεντρώνεται από τα δύο προαναφερθέντα στάδια καθαρισμού και βρίσκεται σε υγρή φάση χωρίζεται σε δύο μέρη με κλασματοποίηση. Οι ποσότητες που αποτελούνται από πίσσες μεγάλης πυκνότητας (100 kg/h) μη διαλυτές στο νερό, αποθηκεύονται σε μία θερμαινόμενη δεξαμενή 150 m 3 και στέλνονται για καύση στο λέβητα σε περιόδους υψηλών θερμικών αναγκών, έχοντας μία θερμογόνο δύναμη 27 MJ/kg. Οι ποσότητες που αποτελούνται από οξυγονούχες πίσσες χαμηλής πυκνότητας (όπως οξείδια, αλκοόλες και αλδεΰδες ) μερικώς διαλυμένες στο νερό (1100 kg/h) σχηματίζουν ένα μείγμα με περίπου 10 gr/lit φαινόλες και συνολικό περιεχόμενο σε οργανικές ενώσεις 45 gr/lit με ένα PH ίσο με 2. Περίπου το 18 % αυτού του διαλύματος αποτελείται από πίσσες και διάφορα οργανικά οξείδια. Αυτό το διάλυμα στη συνέχεια επεξεργάζεται θερμικά με τη μέθοδο Tarwatc. Αρχικά, προσδίδεται θερμική ενέργεια (που λαμβάνεται από τα καυσαέρια των μηχανών εσωτερικής καύσης μέσω ενός κλειστού κυκλώματος) με αποτέλεσμα το μείγμα να χωριστεί σε πίσσες χαμηλής πυκνότητας θερμογόνου δύναμης 14 MJ/kg και σε ατμό. Οι πίσσες οδηγούνται σε έναν αντιδραστήρα όπου και καίγονται ενώ η θερμότητα που εκλύεται προσδίδεται μέσω εναλλακτών στον ατμό ανεβάζοντας περεταίρω τη θερμοκρασία του. Οι μικρές ποσότητες πίσσας που εξακολουθούν να υπάρχουν στον ατμό όταν η θερμοκρασία αυξάνεται αυτές διασπώνται. Ο ατμός στη συνέχεια οδηγείται σε ένα συμπυκνωτή όπου και αποδίδει τη θερμότητα που έχει στο δίκτυο τηλεθέρμανσης και μετατρέπεται σε νερό. Το νερό που προκύπτει είναι αρκετά καθαρό με περιεκτικότητα σε φαινόλες 15 mg/l, σε οργανικές ενώσεις 0,15 mg/l ενώ το PH κυμαίνεται μεταξύ 6,9 και 7,1. Όπως βλέπουμε και από το διάγραμμα αυτή η ποσότητα νερού οδηγείται σε μία διάταξη η οποία δέχεται μία ποσότητα αέρα από το εξωτερικό περιβάλλον, μία δεύτερη ποσότητα αέρα η οποία έχει προθερμανθεί από τα καυσαέρια των μηχανών εσωτερικής καύσης ( κόκκινη γραμμή) και τροφοδοτεί τον αντιδραστήρα ανοδικής ροής με μείγμα ατμού και αέρα. [65] Στη μονάδα χρησιμοποιούνται δύο μηχανές εσωτερικής καύσης και δύο γεννήτριες της αυστριακής εταιρίας Jenbacher παράγοντας συνολικά μία ηλεκτρική ισχύ 1,4 MW el με μία απόδοση 40 % ενώ η συνολική ηλεκτρική απόδοση της μονάδας είναι 28 %. Κάθε μηχανή έχει συνολικό όγκο εμβολισμού cm 3. και 20 κυλίνδρους σε διάταξη V ενώ είναι φτωχής καύσης τύπου Otto. Το μείγμα αερίου αεριοποίησης και ατμοσφαιρικού αέρα πριν εισέρθει στο θάλαμο καύσης της μηχανής συμπιέζεται μέσω ενός στροβιλοσυμπιεστή (turbocharger) και στη συνέχεια ψύχεται μέσω ενός ενδιάμεσου ψύκτη (intercooler). Πίνακας 3.20 : Λειτουργικά χαρακτηριστικά της μηχανής εσωτερικής καύσης που χρησιμοποιείται από τη μονάδα αεριοποίησης Volund Μονάδα Volund Μηχανή Εσωτερικής Καύσης 2 * Jenbacher 320 GS Έτος κατασκευής 2000 Διαμόρφωση V20 70 o Βαλβίδες ανά κύλινδρο - Κύκλος Miller - Διάμετρος κυλίνδρου (mm) 130 Διαδρομή εμβόλου (mm) 170 Όγκος εμβολισμού (λίτρα) 48,7 Συνολικός Λόγος συμπίεσης - Ταχύτητα (στρ/λεπτό) - Ισχύς εξόδου 2* 760 kw el Μέθοδος καύσης Φτωχής καύσης Otto Υπερπλήρωση Στροβιλοσυμπιεστής με ενδιάμεσο ψύκτη

177 Διαχείριση Καυσαερίων Τα καυσαέρια αμέσως μετά την έξοδο των μηχανών εσωτερικής καύσης, οδηγούνται σε έναν καταλυτικό μετατροπέα οξείδωσης για τη μετατροπή των παραγόμενων ποσοτήτων CO σε CO 2. Μετά τον καταλύτη είναι τοποθετημένος ένας εναλλάκτης θερμότητας ο οποίος μειώνει τη θερμοκρασία των καυσαερίων στους 100 ο C θερμαίνοντας το νερό του δικτύου τηλεθέρμανσης. Τέλος τα καυσαέρια οδηγούνται σε μία καμινάδα ύψους 40 m όπου και απελευθερώνονται στην ατμόσφαιρα. Στην ίδια καμινάδα οδηγούνται και τα καυσαέρια από την καύση των πισσών μικρής πυκνότητας κατά την διεργασία Tarwatc. Πίνακας 3.21: Εκλυόμενοι ρύποι στα καυσαέρια της μονάδας αεριοποίησης Volund Ποσότητες ρύπων στα καυσαέρια tης μονάδας Volund CO (mg/nm 3 ) Πριν τον καταλύτη Μετά τον καταλύτη NO x (mg/nm 3 ) HC (mg C/Nm 3 ) Ναφθαλίνη (μg/nm 3 ) 3-5 Όσο αναφορά την τέφρα, τα τσιπς που χρησιμοποιούνται περιέχουν στη μάζα τους ένα ποσοστό της τάξεως του 0,6 %. Η τέφρα που απομακρύνεται από τον αντιδραστήρα μετά από ανάλυση διαπιστώθηκε ότι περιέχει περίπου 2 3 % άκαυστη βιομάζα ( σε ξηρή βάση ) και βρέθηκε αρνητική σε διοξίνες. Οι ποσότητες τέφρας που παράγονται μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως λίπασμα στις καλλιέργειες δέντρων που τροφοδοτούν τη μονάδα με βιομάζα. Όσο αναφορά τις πίσσες μεγάλης πυκνότητας που προκύπτουν από τον καθαρισμό του αερίου και στη συγκεκριμένη μονάδα καίγονται προκειμένου να καλύψουν θερμικά φορτία αιχμής, θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν αποδοτικότερα. Ένας τρόπος είναι να οδηγούνται για καύση στον αντιδραστήρα αεριοποίησης προκειμένου να παρέχουν τις απαιτούμενες για τη λειτουργία του ποσότητες θερμότητας. Ένας ακόμη τρόπος αποδοτικής αξιοποίησης τους θα ήταν η αεριοποίηση αυτών των ποσοτήτων. Με αυτούς τους τρόπους θα μπορούσε να αυξηθεί περαιτέρω ο ηλεκτρικός βαθμός απόδοσης της μονάδας κατά 3 %. [65]

178 Συμπερασματικά Η αεριοποίηση βιομάζας χρησιμοποιώντας αντιδραστήρα ανοδικής ροής παρουσιάζει τα εξής σημαντικά πλεονεκτήματα : Οι συγκεκριμένοι αντιδραστήρες έχουν χρησιμοποιηθεί σε πολλές εφαρμογές ( ακόμη και για αεριοποίηση τύρφης και άνθρακα ). Είναι λοιπόν μια δοκιμασμένη τεχνολογία και έχει αποκτηθεί σημαντική πείρα όσο αναφορά το σχεδιασμό των αντιδραστήρων και τα λειτουργικά χαρακτηριστικά τους. Στους συγκεκριμένους αντιδραστήρες αεριοποίησης μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφορα καύσιμα με μεγάλο εύρος μεγέθους και υγρασίας (ακόμη και μείγμα καυσίμων). Οι αντιδραστήρες ανοδικής ροής παρουσιάζουν υψηλό βαθμό απόδοσης της αεριοποίησης καθώς διαφεύγουν πολύ μικρές ποσότητες βιομάζας που δεν έχουν αεριοποιηθεί και το αέριο αεριοποίησης εγκαταλείπει τον αντιδραστήρα σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Οι αντιδραστήρες ανοδικής ροής μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μεγάλες μονάδες αεριοποίησης με εισαγόμενη θερμική ισχύ καυσίμου έως και 20 MW th. Εικόνα 3.31: Μονάδα αεριοποίησης βιομάζας Volund

179 Πιλοτική και Εργοστασιακή Μονάδα Συμπαραγωγής Ηλεκτρισμού Θερμότητας : Meva Innovation Πίνακας 3.22: Γενικά χαρακτηριστικά μονάδων αεριοποίησης Meva Innovation Πιλοτική Μονάδα Εργοστασιακή Μονάδα Χώρα εγκατάστασης Σουηδία (Hοrtlax, Pitea) Σουηδία (Hοrtlax, Pitea) Έτος έναρξης λειτουργίας Μέθοδος ενεργειακής αξιοποίησης Θερμοχημική αεριοποίηση εξαναγκασμένης ροής Θερμοχημική αεριοποίηση εξαναγκασμένης ροής Μηχανή παραγωγής ισχύος Μ.Ε.Κ Φτωχής καύσης Otto Μ.Ε.Κ Φτωχής καύσης Otto Ισχύς ηλεκτρική 150 kw el 1,2 MW el Ισχύς θερμική - kw th (σε μορφή θερμού νερού) 2,2 MW th (σε μορφή θερμού νερού) Βαθμός απόδοσης - 85 % Ηλεκτρικός βαθμός 30 % 34 % απόδοσης Καύσιμο Ξυλώδης βιομάζα σε μορφή πέλλετ Ξυλώδης βιομάζα σε μορφή τσιπς Ιδιοκτήτης Meva Innovation Pitea Energy Κόστος κατασκευής - $ Επιδότηση - - Ανάδοχος έργου ETC ETC / Meva Innovation

180 Λειτουργία μονάδας αεριοποίησης Η ανάπτυξη της τεχνολογίας αεριοποίησης βιομάζας σε αντιδραστήρες εξαναγκασμένης ροής τύπου κυκλώνα ξεκίνησε από το τμήμα τεχνολογιών παραγωγής ενέργειας του πολυτεχνείου Lulea (Lulea Technical University LTU) της Σουηδίας μέσα στο Η πρώτη πιλοτική μονάδα που εφαρμόζει την τεχνολογία VIPP Vortex Intensive Power Process κατασκευάστηκε από το ερευνητικό κέντρο ETC ( Energy Technology Centre) που βρίσκεται στη μικρή πόλη Hortlax κοντά στην πόλη Pitea της Σουηδίας. Στη συνέχεια η τεχνολογία αγοράστηκε από την εταιρία Meva Innovation (MI) η οποία συνέχισε περαιτέρω την έρευνα σε συνεργασία με το ερευνητικό κέντρο ETC προκειμένου να κατασκευάσει μία μεγαλύτερη μονάδα συμπαραγωγής ( 7 φορές μεγαλύτερης ισχύος ) ώστε να είναι επενδυτικά ενδιαφέρουσα και που αναμένεται να τεθεί σε λειτουργία την άνοιξη του 2012 επίσης στην πόλη Hortlax. Η εργοστασιακή μονάδα, όπως και η πιλοτική, είναι πλήρως αυτοματοποιημένη και δεν απαιτεί ανθρώπινο δυναμικό κατά τη λειτουργία της. Υπολογίζεται ότι για την περίπτωση της εργοστασιακής μονάδας ο χρόνος απόσβεσης είναι 3 με 5 χρόνια. [44, 71, 72, 73] Καύσιμο Στο συγκεκριμένο αντιδραστήρα τύπου κυκλώνα είναι απαραίτητο η βιομάζα να κονιορτοποιηθεί σε μικρούς κόκκους. Πέρα από αυτήν την απαίτηση, μπορούν να χρησιμοποιηθούν πολλά είδη βιομάζας όπως κλαδιά, φλοιοί και ρίζες δέντρων, άχυρο, φλοιοί ρυζιού και άλλα. Αυτό συμβαίνει διότι η θερμοκρασία μέσα στον αντιδραστήρα είναι σχετικά χαμηλή (850 ο C 900 ο C) και αποτρέπεται η τήξη της παραγόμενης τέφρας. Ακόμη, ο τύπος του αντιδραστήρα και οι κυκλώνες που ακολουθούν επιτρέπουν τη χρήση ειδών βιομάζας που παράγουν υψηλές ποσότητες τέφρας. Στην πιλοτική μονάδα ως βιομάζα χρησιμοποιούνται πέλλετ τα οποία αφού θρυμματιστούν προωθούνται στον αντιδραστήρα, ενώ στην εργοστασιακή μονάδα μόλις τεθεί σε λειτουργία, θα χρησιμοποιούνται τσιπς ακατέργαστης ξυλείας

181 Παραγωγή ενέργειας Εικόνα 3.32: Αντιδραστήρας αεριοποίησης εξαναγκασμένης ροής τύπου κυκλώνα της μονάδας Meva Innovation Στην εικόνα 3.32 παρουσιάζεται ο αντιδραστήρας αεριοποίησης εξαναγκασμένης ροής τύπου κυκλώνα της Meva Innovation. Η βιομάζα που είναι στη μορφή μικρών κόκκων εισέρχεται με τη βοήθεια ροής αέρα (πίεσης 0,3-0,6 bar) στον αντιδραστήρα τύπου κυκλώνα. Ο αέρας είναι ταυτόχρονα το μέσο μεταφοράς αλλά και το μέσο αεριοποίησης της βιομάζας. Οι κόκκοι βιομάζας καθώς στροβιλίζονται μέσα στον αντιδραστήρα οξειδώνονται μερικώς στο άνω μέρος του αντιδραστήρα και στη συνέχεια αεριοποιούνται. Ο λόγος αέρα καυσίμου (λ) μέσα στον αντιδραστήρα παίρνει τιμές από 0,2 έως 0,4. Η εξαναγκασμένη ροή εξασφαλίζει υψηλό συντελεστή μετάδοσης θερμότητας μεταξύ των σωματιδίων και των παραγόμενων αερίων. Η τέφρα που παράγεται απομακρύνεται από το κάτω μέρος του αντιδραστήρα ενώ το παραγόμενο αέριο αεριοποίησης εξέρχεται από το άνω μέρος του προς περαιτέρω επεξεργασία του. Στην εικόνα 3.33 παρουσιάζεται η διάταξη αεριοποίησης της μονάδας. [74] Εικόνα 3.33: Διάταξη αεριοποίησης βιομάζας της μονάδας συμπαραγωγής Meva Innovation

182 Το αέριο αεριοποίησης αφού εξέρθει του αντιδραστήρα βρίσκεται στη θερμοκρασία των 850 ο C. Προκειμένου να ψυχθεί οδηγείται σε έναν εναλλάκτη θερμότητας όπως φαίνεται και στην εικόνα 3.33, όπου και αποδίδει μέρος της θερμότητάς του για τη θέρμανση νερού ενδεχομένως ενός δικτύου τηλεθέρμανσης. Όταν αεριοποιούμε ξυλώδη βιομάζα με λόγο αέρα καυσίμου 0,25 τότε το παραχθέν αέριο, όταν ψυχθεί, έχει μία περιεκτικότητα σε σωματίδια πίσσας περίπου 7 gr/nm 3. Έτσι, το αέριο που έχει παραχθεί έχοντας μία θερμοκρασία περίπου 450 ο C οδηγείται στο πρώτο στάδιο καθαρισμού που αποτελείται από μία αλληλουχία διαχωριστών σωματιδίων τύπου κυκλώνα που είναι τοποθετημένοι στη σειρά, ο ένας μετά τον άλλο. Με αυτόν τον τρόπο μειώνεται η περιεκτικότητά του παραγόμενου αερίου σε αιωρούμενα σωματίδια πίσσας και τέφρας που έχουν παρασυρθεί από τον αντιδραστήρα σε λιγότερο από 300 mg/nm 3. Όπως παρατηρείται και στην εικόνα 3.34 ο κυκλώνας βρίσκεται μέσα σε ένα κλειστό χώρο διότι λειτουργεί και ως εναλλάκτης θερμότητας. Ο αέρας αεριοποίησης πριν εισέρθει στον αντιδραστήρα αεριοποίησης εισέρχεται μέσα σε αυτούς τους χώρους όπου και θερμαίνεται ερχόμενος σε επαφή με τα εξωτερικά, θερμά τοιχώματα των κυκλώνων. [73] Εικόνα 3.34: Διαχωριστής σωματιδίων τύπου κυκλώνα με δυνατότητα παράλληλης λειτουργίας ως εναλλάκτη θερμότητας για την προθέρμανση του αέρα αεριοποίησης Στη συνέχεια το αέριο διέρχεται από το δεύτερο στάδιο καθαρισμού που είναι μία διάταξη πλύσης του αερίου με συγκεκριμένα οργανικά έλαια (RME) τα οποία συμπυκνώνουν τις αέριες ποσότητες πίσσας που δεν έχουν συμπυκνωθεί και παγιδεύουν αιωρούμενα σωματίδια. Μέσα στη διάταξη πλύσης γίνεται επανακυκλοφορία των οργανικών ελαίων και όσο χρησιμοποιούνται επειδή δεσμεύουν ποσότητες πίσσας και σωματιδίων, γίνονται όλο και πιο παχύρευστα. Στο τέλος τα παχύρευστα οργανικά έλαια οδηγούνται πίσω στον κυκλώνα αεριοποίησης για να αεριοποιηθούν. Μετά από το δεύτερο στάδιο καθαρισμού το αέριο αεριοποίησης έχει μία περιεκτικότητα σε σωματίδια μικρότερη από 75 mg/nm3. Στις εικόνες 3.35 φαίνεται η διάταξη πλύσης με οργανικά έλαια που έχει κατασκευαστεί στην εργοστασιακή μονάδα στο Hοrtlax

183 Εικόνες 3.35: Διάταξη πλύσης με οργανικά έλαια του παραχθέντος αερίου αεριοποίησης στη μονάδα Meva Innovation Το τρίτο και τελευταίο στάδιο καθαρισμού είναι ένα υγρό ηλεκτροστατικό φίλτρο (Wet ESP). Το ηλεκτροστατικό φίλτρο έχει τη δυνατότητα να μειώσει την περιεκτικότητα σε σωματίδια του αερίου σε περίπου 3 mg/nm 3 (όταν η αποδεχόμενη τιμή από τη μηχανή εσωτερικής καύσης έχει οριοθετηθεί από τους κατασκευαστές σε 5 mg/nm 3 ) καθώς επίσης και να απομακρύνει τα σταγονίδια ελαίου που έχουν παρασυρθεί από την προηγούμενη διάταξη καθαρισμού. Η θερμοκρασία του παραγόμενου αερίου μετά τη διαδικασία καθαρισμού του έχει μειωθεί στους 50 ο C. Στην εικόνα 3.36 παρουσιάζεται ο τρόπος λειτουργίας ενός υγρού ηλεκτροστατικού φίλτρου. Το παραχθέν αέριο εισέρχεται από το κάτω μέρος του σωλήνα και εξέρχεται από το πάνω. Τα σωματίδια πίσσας και τέφρας φορτίζονται αρνητικά με τη βοήθεια ηλεκτροδίων υψηλής τάσης που βρίσκονται στο μέσω των σωλήνων. Τα αρνητικά φορτισμένα σωματίδια κατευθύνονται προς τα γειωμένα (θετικά φορτισμένα) τοιχώματα των σωλήνων. Πάνω στα τοιχώματα των σωλήνων ρέει ένας υμένας από οργανικά έλαια όπου και παρασύρει τα σωματίδια τέφρας και σκόνης. Στην εικόνα 3.36 δεξιά, φαίνεται μία συναρμολογημένη διάταξη που αποτελείται από μία συστοιχία τέτοιων σωλήνων. [73] Εικόνα 3.36: Υγρό ηλεκτροσττικό φίλτρο Τρόπος λειτουργίας και συναρμολογημένη διάταξη

184 Η σύνθεση του παραγόμενου αερίου αεριοποίησης στην περίπτωση της πιλοτικής μονάδας, χρησιμοποιώντας ως καύσιμο πέλλετς, παρουσιάζεται στον παρακάτω πίνακα. Επειδή η εργοστασιακή μονάδα δεν έχει τεθεί ακόμη σε λειτουργία δεν έχουν γίνει και οι αντίστοιχες μετρήσεις. Πίνακες 3.23: Σύνθεση και προσμίξεις του παραγόμενου αερίου αεριοποίησης της πιλοτικής μονάδας Meva Innovation Σύνθεση παραγόμενου αερίου πιλοτικής μονάδας Meva Innovation Ν 2 57 %κ.ό. Η 2 8,1 %κ.ό. CO 15,9 %κ.ό. CO 2 12,5 %κ.ό. CH 4 2,4 %κ.ό. Κ.Θ.Δ 4,6 MJ/Nm 3 Προσμίξεις Πίσσες 3 mg/nm 3 Σωματίδια 0,06 mg/nm 3 Αλκάλια <0,06 mg/nm 3 Ενώσεις Θείου 4,4 mg/nm 3 Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά της μηχανής εσωτερικής καύσης στην οποία οδηγείται το παραχθέν αέριο για την περίπτωση της πιλοτικής και της εργοστασιακής μονάδας. H πιλοτική μονάδα έχοντας έναν ηλεκτρικό βαθμό απόδοσης 30 % είναι σχεδιασμένη να δέχεται καύσιμο θερμικής ισχύος 500 kw th και να αποδίδει ηλεκτρική ισχύ 150 kw el. Όμως, στη συγκεκριμένη περίπτωση έχει τοποθετηθεί μία μηχανή εσωτερικής καύσης ισχύος 50 kw el η οποία δεν είναι συνδεδεμένη με κάποια γεννήτρια αλλά με ένα είδος φρένου και συνεπώς δεν παράγεται ρεύμα. Η μηχανή είναι τύπου Diesel η οποία έχει μετατραπεί σε φτωχής καύσης Otto, φυσικής αναρρόφησης. Η περίσσεια αερίου καυσίμου που παράγεται και που δεν οδηγείται στη μηχανή απλά καίγεται. Όσο αναφορά την εργοστασιακή μονάδα είναι σχεδιασμένη να δέχεται βιομάζα θερμικής ισχύος 4 MW th για να αποδίδει ηλεκτρική ισχύ 1,2 ΜW el και θερμική ισχύ 2,2 MW th σε μορφή θερμού νερού. Η μηχανή είναι της Cummins Power Generation, 18 κυλίνδρων σε διάταξη V, φτωχής καύσης τύπου Otto με όγκο εμβολισμού 91,6 lit. Το μείγμα αερίου αεριοποίησης και ατμοσφαιρικού αέρα πριν εισέρθει στο θάλαμο καύσης της μηχανής συμπιέζεται μέσω ενός στροβιλοσυμπιεστή (turbocharger) και στη συνέχεια ψύχεται μέσω ενός ενδιάμεσου ψύκτη (intercooler). Πίνακας 3.24: Λειτουργικά χαρακτηριστικά των μηχανών εσωτερικής καύσης που χρησιμοποιούνται από τις μονάδες Meva Innovation Πιλοτική μονάδα Εργοστασιακή μονάδα Μηχανή Εσωτερικής Καύσης Cummins 4BTA 3,9 - G Cummins QSV91 Έτος κατασκευής Διαμόρφωση Ι4 V18 Βαλβίδες ανά κύλινδρο 2 4 Κύκλος Miller Όχι - Διάμετρος κυλίνδρου (mm) Διαδρομή εμβόλου (mm) Όγκος εμβολισμού (λίτρα) 3,9 91,6 Συνολικός Λόγος συμπίεσης 12:1 12:1 Ταχύτητα (στρ/λεπτό) Ισχύς εξόδου 50 kw el 1,2 MW el Μέθοδος καύσης Φτωχής καύσης Otto Φτωχής καύσης Otto Υπερπλήρωση Όχι Στροβιλοσυμπιεστής με ενδιάμεσο ψύκτη

185 Διαχείριση Καυσαερίων Τα καυσαέρια που προκύπτουν από την καύση του παραγόμενου αερίου στη μηχανή εσωτερικής καύσης απορρίπτονται στο περιβάλλον στην περίπτωση της πιλοτικής μονάδας ενώ και για την περίπτωση της εργοστασιακής μονάδας δεν προβλέπεται κάποια διάταξη για την επεξεργασία τους. Συμπερασματικά Γενικά, η αεριοποίηση βιομάζας σε μονάδες συμπαραγωγής μικρής κλίμακας είναι ασύμφορη λόγω του σχετικά μεγάλου κόστους καθαρισμού του αερίου πριν την καύση του σε μία μηχανή εσωτερικής καύσης ή σε ένα αεριοστρόβιλο. Η εταιρία Meva Innovation είναι από τις λίγες εταιρίες που διαθέτουν στην αγορά ολοκληρωμένα συστήματα συμπαραγωγής μικρής κλίμακας με αεριοποίηση βιομάζας. Η συγκεκριμένη διάταξη αεριοποίησης με αντιδραστήρα εξαναγκασμένης ροής τύπου κυκλώνα παρουσιάζει ως πλεονεκτήματα την απλή και σχετικά φθηνή κατασκευή, την αξιόπιστη λειτουργία της και το γεγονός ότι μπορεί να ανταπεξέλθει εύκολα σε αυξομειώσεις του φορτίου. Η τεχνολογία VIPP-VORTEX προς το παρών μπορεί να εφαρμοσθεί σε μονάδες συμπαραγωγής ισχύος από 1 MW el έως 5 MW el και από 2 MW th έως 10 MW th αντίστοιχα. Τέτοιες διατάξεις θα μπορούσαν να υποστηρίζουν μικρά δίκτυα τηλεθέρμανσης ή να εγκατασταθούν σε περιφερειακά σημεία ενός μεγάλου δικτύου τηλεθέρμανσης όπως αυτά που υπάρχουν στις χώρες της Βόρειας Ευρώπης αποφεύγοντας έτσι το κόστος ενός μεγάλου δικτύου αγωγών. Θα μπορούσαν ακόμη να αντικαταστήσουν τις παλαιότερες μονάδες αξιοποίησης βιομάζας που παράγουν μόνο θερμότητα. Επίσης τέτοια συστήματα συμπαραγωγής είναι ιδανικά για απομακρυσμένες περιοχές όπως ορισμένα χωριά στον Καναδά ή ορισμένες αγροτικές περιοχές στο Βιετνάμ όπου μεγάλες ποσότητες βιομάζας (φλοιοί ρυζιού) κάθε χρόνο παραμένουν αναξιοποίητες

186 Μονάδα Συμπαραγωγής Ηλεκτρισμού και Υδρογόνου: Blue Tower Πίνακας 3.25: Γενικά χαρακτηριστικά μονάδας αεριοποίησης Blue Tower Χώρα εγκατάστασης Γερμανία ( Herten ) Έτος έναρξης λειτουργίας Υπό κατασκευή Μέθοδος ενεργειακής αξιοποίησης Θερμοχημική αεριοποίηση με χωρισμένα τα επιμέρους στάδια της πυρόλυσης και της αεριοποίησης Μηχανή παραγωγής ισχύος Κυψέλες καυσίμου Ισχύς ηλεκτρική 4,5 ΜW el Παραγωγή υδρογόνου 150 m 3 /hour Ηλεκτρικός βαθμός απόδοσης 37 % Καύσιμο Ξυλώδης βιομάζα από τον καθαρισμό των δρόμων και των δασών της περιοχής Ιδιοκτήτης Solar Millennium AG (όχι πια) Κόστος κατασκευής Επιδότηση ( από το κρατίδιο της Βόρειας Ρηνανίας-Βεστφαλίας) Ανάδοχος έργου Concord blue

187 Λειτουργία μονάδας αεριοποίησης Εικόνα 3.37: Πιλοτική μονάδα αεριοποίησης blue tower στην πόλη Herten Η εταιρία Concord blue ( Γερμανικών και Ινδικών συμφερόντων) είναι η ιδιοκτήτρια εταιρία μίας φιλικής προς το περιβάλλον και οικονομικά βιώσιμης τεχνολογίας αεριοποίησης πολλαπλών ειδών βιομάζας. Η εταιρία ιδρύθηκε το 1998 και τα κεντρικά γραφεία της βρίσκονται στο Dusseldorf της Γερμανίας. Η εφαρμογή της τεχνολογίας αεριοποίησης της Concord blue καλύπτει όλους τους περιβαλλοντικούς κανονισμούς (Διεθνής Ευρωπαϊκούς) και λέγεται ότι είναι η πιο συμφέρουσα λύση για τη διάθεση των στερεών αστικών αποβλήτων και της ιλύος από τους βιολογικούς καθαρισμούς. Η βιώσιμη λειτουργία μίας τέτοιας μονάδας προϋποθέτει μακροχρόνιες συμβάσεις για την τροφοδοσία της με βιομάζα και τη διάθεση της ενέργειας που παράγεται αξιοποιώντας τους ευνοϊκούς νόμους για την αγορά ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας που προέρχονται από ανανεώσιμες πηγές. Η πρώτη εφαρμογή της τεχνολογίας Concord blue υπήρξε μία πιλοτική μονάδα αεριοποίησης στην πόλη Herten των κατοίκων στη Δυτική Γερμανία. Η μονάδα ονομάστηκε blue tower, κόστισε συνολικά ( το 49 % των οποίων ήταν επιδότηση του κρατιδίου της Βόρειας Ρηνανίας-Βεστφαλίας ) και ο σκοπός της κατασκευής της ήταν η απόκτηση τεχνογνωσίας από τη λειτουργία της ώστε να γίνουν βελτιστοποιήσεις πάνω στην τεχνολογία. Η πιλοτική μονάδα άρχισε τη λειτουργία της το 2001 όμως η πειραματική λειτουργία της έχει πλέον σταματήσει και η μονάδα σχεδιάζεται να αποσυναρμολογηθεί. Το εξωτερικό περίβλημα της μονάδας αποτελείται από ένα μεταλλικό πλαίσιο γύρω από το οποίο έχει τυλιχθεί ένα είδος πλαστικού υφάσματος. Με παρόμοιο τρόπο, αλλά με πιο ενισχυμένο σκελετό, θα κατασκευαστεί και το εξωτερικό περίβλημα της νέας μονάδας. Η μονάδα έχει ύψος 23 m και καλύπτει ένα χώρο 100 m 2 ενώ ο συνολικός χώρος της εγκατάστασης είναι 1000 m 2. Είχε τη δυνατότητα να δεχθεί 200 kg βιομάζας / ώρα (αποξηραμένη και τεμαχισμένη, έτοιμη προς χρήση) όταν βρισκόταν σε λειτουργία, που αντιστοιχεί σε 1 MW th. Ως καύσιμο χρησιμοποιήθηκαν διάφορα είδη βιομάζας ώστε να μελετηθεί η συμπεριφορά της μονάδας. [75, 79, 80]

188 Εικόνα 3.38: Πιλοτική μονάδα αεριοποίησης blue tower στην πόλη Herten Η κατασκευή της νέας μονάδας συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και υδρογόνου blue tower έχει ξεκινήσει από το Μάρτιο του 2009 στο ερευνητικό κέντρο H 2 Competence Centre που βρίσκεται έξω από την πόλη Herten. Το συγκεκριμένο ερευνητικό κέντρο, η δημιουργία του οποίου υποστηρίχθηκε οικονομικά και από την Ευρωπαϊκή Ένωση, άρχισε τη λειτουργία του το φθινόπωρο του 2009 και εστιάζεται στην ανάπτυξη τεχνολογιών αξιοποίησης των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας για την παραγωγή υδρογόνου. Η νέα μονάδα blue tower που ακόμη κατασκευάζεται, αρχικά προβλεπόταν να είναι ιδιοκτησία της εταιρίας Solar Millennium AG η οποία δραστηριοποιείται στην εγκατάσταση μονάδων αξιοποίησης της ηλιακής ενέργειας για παραγωγή ηλεκτρισμού αλλά τελικά η εταιρία φαλίρισε. Το ύψος της νέας μονάδας θα είναι 40 m, ο συνολικός χώρος της εγκατάστασης θα είναι 5000 m 2 και αναμένεται να δέχεται τόνους βιομάζας το χρόνο ( όχι επεξεργασμένης, αλλά η ξήρανση και ο τεμαχισμός της θα γίνεται στους χώρους της μονάδας ). Θα χρειάζεται 4 άτομα ως προσωπικό παρόλο που είναι πλήρως αυτοματοποιημένη. Η θερμική ισχύς της βιομάζας που θα δέχεται η μονάδα υπολογίζεται σε 13 MW th ενώ η μονάδα θα έχει τη δυνατότητα να παράγει 4,5 MW el με μία συνολική απόδοση 37 % δηλαδή MWh el ανά έτος ενέργεια αρκετή για την ετήσια τροφοδότηση νοικοκυριών. Η θερμότητα που παράγεται από τη διεργασία αξιοποιείται για τη ξήρανση της βιομάζας σε ειδικά διαμορφωμένους χώρους πριν αυτή εισέρθει στη διάταξη αεριοποίησης. Το πλούσιο σε υδρογόνο αέριο αεριοποίησης που θα παράγει η νέα μονάδα blue tower θα διέρχεται από διατάξεις για το χωρισμό του υδρογόνου από τα υπόλοιπα αέρια συστατικά του. Στη συνέχεια οι ποσότητες υδρογόνου που προκύπτουν, συμπιέζονται και αποθηκεύονται σε ειδικές δεξαμενές. Το μεγαλύτερο μέρος των παραχθέντων ποσοτήτων υδρογόνου οδηγούνται σε μία διάταξη από κυψέλες καυσίμου ώστε να παραχθεί συνεχές ρεύμα (DC) το οποίο με τη βοήθεια ενός μετατροπέα inverter μετατρέπεται σε εναλλασσόμενο (AC). Επίσης, το κέντρο ερευνών θα έχει τη δυνατότητα να τροφοδοτεί με υδρογόνο ( με μία παροχή 150 m 3 /h ) ειδικές δεξαμενές που με τη σειρά τους θα τροφοδοτούν ειδικά διαμορφωμένα οχήματα. Το κέντρο H 2 Competence Centre παράγει επίσης ηλεκτρισμό μέσω μίας ανεμογεννήτριας ενώ στο μέλλον θα κατασκευαστούν συστήματα εκμετάλλευσης ηλιακής ενέργειας για παραγωγή ηλεκτρισμού. Όπως παρατηρούμε στο παρακάτω σχήμα υπάρχει η δυνατότητα μετατροπής της ηλεκτρικής ενέργειας σε υδρογόνο με ηλεκτρόλυση και η μετέπειτα αποθήκευσή του σε ειδικές δεξαμενές, επιτρέποντας με αυτόν τον τρόπο μία προσαρμοστικότητα του κέντρου στις διακυμάνσεις του φορτίου. Η τιμή στην οποία πωλείται το ηλεκτρικό ρεύμα στους καταναλωτές της Γερμανίας όταν προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι 0,16 / kwh el. Στην εικόνα 3.39 φαίνεται σε γενικές γραμμές ο τρόπος διαχείρισης των ποσοτήτων υδρογόνου που παράγονται στο ερευνητικό κέντρο H 2 Competence Centre. [81]

189 Εικόνα 3.39: Διάγραμμα διαχείρισης της παραγόμενης ενέργειας στο ερευνητικό κέντρο H 2 Competence Centre Γενικά το παραγόμενο αέριο αεριοποίησης από μία μονάδα blue tower έχει τη δυνατότητα : Να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή υδρογόνου όπως γίνεται στο ερευνητικό κέντρο H 2 Competence Centre. Να τροφοδοτεί απευθείας μηχανές εσωτερικής καύσης ή και κυψέλες καυσίμου με σκοπό τη συνδυασμένη παραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας. Μονάδες αεριοποίησης τύπου blue tower έχουν κατασκευαστεί ή βρίσκονται υπό κατασκευή σε διάφορες χώρες. Μερικές από αυτές παρουσιάζονται στον πίνακα Πίνακας 3.26: Μονάδες αεριοποίησης τύπου blue tower Χώρα Πόλη Έτος έναρξης λειτουργίας Παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς ( MW el ) Θερμική ισχύς καυσίμου (MW th ) Γερμανία Herten ,1 (εκτός λειτουργίας) 1 Γερμανία Herten ,1 - Ιαπωνία Anan Ιαπωνία Izumo Ινδία Mumbai ,33 - Ινδία Mumbai ,15 - Ινδία Pune Υπό κατασκευή - 12 Ινδία Mahad Η.Π.Α New York Υπό κατασκευή - 3 Γερμανία Ennigerloh Υπό κατασκευή - 10 Γερμανία Herten Υπό κατασκευή 4,

190 Τον Ιανουάριο του 2011 πραγματοποιήθηκε μία έρευνα από μηχανικούς του αμερικανικού πανεπιστημίου University of Georgia και εξετάστηκε σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας η μονάδα blue tower που βρίσκεται στην πόλη Mumbai της Ινδίας. Πιο συγκεκριμένα, κατά τη διάρκεια της έρευνας η μονάδα δέχθηκε στερεά αστικά απόβλητα και νοσοκομειακά απόβλητα για παραγωγή αερίου αεριοποίησης με σκοπό την παραγωγή ηλεκτρισμού μέσω μίας μηχανής εσωτερικής καύσης. Έγιναν αναλύσεις πάνω στη σύνθεση της χρησιμοποιούμενης βιομάζας, του παραχθέντος αερίου αεριοποίησης και των καυσαερίων που εκλύονται. Ο σκοπός αυτής της έρευνας ήταν να εξακριβωθεί η ικανότητα αυτής της τεχνολογίας στην αξιοποίηση αποβλήτων για την παραγωγή ηλεκτρισμού. Ακόμη έρευνα πραγματοποιήθηκε και από το ιαπωνικό πανεπιστήμιο Tokyo University of Science πάνω στην πειραματική μονάδα blue tower που βρίσκεται στην πόλη Izumo. Παρακάτω, θα παρουσιάζονται γενικές πληροφορίες γύρω από τη συγκεκριμένη τεχνολογία και θα αναφέρονται επιπρόσθετα τα αποτελέσματα αυτών των ερευνών. Καύσιμο Η μονάδα της Concord blue μπορεί να χρησιμοποιήσει οποιοδήποτε συνδυασμό από τα παρακάτω είδη βιομάζας ενώ χρησιμοποιεί και φυσικό αέριο ως βοηθητικό καύσιμο για να ξεκινήσει η λειτουργία της μονάδας όποτε χρειάζεται να σταματήσει για λόγους συντήρησης. Γενικά, μπορεί να χρησιμοποιήσει οποιοδήποτε υλικό που περιέχει άνθρακα στη χημική του σύνθεση και που σε συνθήκες πυρόλυσης, να έχει τη δυνατότητα να αποδώσει το μεγαλύτερο μέρος της μάζας του σε συστατικά του αερίου αεριοποίησης. Βέβαια ανάλογα με τη βιομάζα που χρησιμοποιείται προκύπτει και ο αντίστοιχος βαθμός απόδοσης της μονάδας και οι αντίστοιχοι εκλυόμενοι αέριοι ρύποι. Παρακάτω αναφέρονται τα είδη βιομάζας που μπορούν να γίνουν δεκτά από τη μονάδα: [75] Οποιαδήποτε μορφή ξυλώδους βιομάζας ( υπολείμματα από τον καθαρισμό δασών καλλιεργειών, φύλλωμα, σανό, άχυρο, υπολείμματα ξυλείας από βιοτεχνίες επεξεργασίας ακόμη και με το φορτίο των ρύπων ) Αστικά στερεά απόβλητα και απορρίμματα τροφίμων από εστιατόρια Λυματολάσπη από βιολογικούς καθαρισμούς Κοπριά και άλλα ζωικά απόβλητα από σφαγεία και αλιεία Φυτικά υπολείμματα από γεωργικές καλλιέργειες Υπολείμματα από τη βιομηχανία χαρτιού Πλαστικά υπολείμματα Νοσοκομειακά απόβλητα Βιομάζα από ενεργειακές καλλιέργειες Ζάχαρη από ζαχαροκάλαμο Επιπλέοντα απορρίμματα όπως φύκια και ξύλινα συντρίμμια Επεξεργασμένα στερεά αστικά απόβλητα

191 Στην περίπτωση που η μονάδα καλείται να διαχειρισθεί στερεά αστικά απόβλητα, τότε εγκαθίστανται πλησίον της μονάδας ένα αυτόματο σύστημα διαλογής για το διαχωρισμό της βιομάζας από διάφορα αδρανή υλικά όπως πέτρες, γυαλιά, μέταλλα, μπάζα κ.ά. Συνήθως, η εκάστοτε τοπική αυτοδιοίκηση είναι υπεύθυνη για τη τροφοδοσία της μονάδας με τέτοιου είδους βιομάζα. Όσο αναφορά τη μονάδα στο Mumbai κατά τη διάρκεια της έρευνας που έγινε από το πανεπιστήμιο University of Georgia, χρησιμοποιήθηκε ως βιομάζα στερεά αστικά απόβλητα και νοσοκομειακά απόβλητα προερχόμενα από τις γύρω περιοχές. Οι ποσότητες βιομάζας προτού χρησιμοποιηθούν από τη μονάδα, καθαριζόταν από διάφορα αδρανή υλικά όπως γυαλιά, πέτρες, κ.ά. Ο καθαρισμός γινόταν με το χέρι από εργάτες ενώ στη συνέχεια τεμαχιζόταν σε μικρά κομματάκια μέσου μεγέθους ¼ ίντσας (6,35 mm) με τη βοήθεια ενός θρυμματιστή της εταιρίας Transmax Industries Vasai, India. Στη συνέχεια διερχόταν από μία διάταξη για τον περιορισμό της υγρασίας τους. Η παροχή επεξεργασμένης βιομάζας που δεχόταν η μονάδα ήταν 100 kg / h ή αλλιώς 2,4 τόνους / μέρα. Πραγματοποιήθηκε ανάλυση σε 5 δείγματα αστικών στερεών αποβλήτων και σε 3 δείγματα νοσοκομειακών αποβλήτων τα αποτελέσματα της οποίας παρουσιάζονται στους παρακάτω πίνακες: [76] Πίνακας 3.27: Χαρακτηριστικά καύσιμης βιομάζας που χρησιμοποιήθηκε στη μονάδα blue tower στο Mumbai Αστικά στερεά απόβλητα - blue tower, Mumbai Ημερομηνία Δείγμα Τέφρα (%) Θερμιδική αξία (kcal/kg) Πτητικές ουσίες (%) Δεσμευμένος Άνθρακας (%) Υγρασία (%) 1/18/11 FS101 24, ,7 54,2 2,4 19,9 1/19/01 FS102 19, ,4 65,9 2,7 11,7 1/19/11 FS103 20, ,2 66,6 3,2 9,8 1/19/11 FS104 19, ,7 2,8 14,9 1/19/11 FS105 24, ,15 3,01 9,74 Νοσοκομειακά απόβλητα - blue tower, Mumbai 1/20/11 FS106 16, ,12 4,46 3,28 1/20/11 FS107 19, ,4 72,68 3,9 4,15 1/20/11 FS108 17, ,25 3,9 10,81 Πίνακας 3.28: Χημική σύνθεση της βιομάζας που χρησιμοποιήθηκε στη μονάδα blue tower στο Mumbai Αστικά στερεά απόβλητα - blue tower, Mumbai Ημερομηνία Δείγμα C (%) H 2 (%) N 2 (%) S (%) O 2 (%) 1/18/11 FS101 39,14 6,01 1,59 0,33 27,3 1/19/01 FS102 46,42 7,19 0,83 0,29 26,84 1/19/11 FS103 44,18 6,6 1,23 0,32 28,43 1/19/11 FS104 43,2 6,66 1,52 0,33 24,93 1/19/11 FS105 40,17 6,03 1,49 0,30 26,67 Νοσοκομειακά απόβλητα - blue tower, Mumbai 1/20/11 FS106 39,19 5,79 0,08 0,22 37,31 1/20/11 FS107 57,91 9,66 0,13 0,21 13,97 1/20/11 FS108 44,49 6,77 0,1 0,33 21,

192 Εικόνα 3.40: Τεμαχισμένη βιομάζα έτοιμη προς εισαγωγή στη μονάδα αεριοποίησης blue tower στο Mumbai Στην περίπτωση της μονάδας blue tower στην πόλη Izumo χρησιμοποιήθηκε ως καύσιμο απορριπτόμενη, ξυλώδης βιομάζα ιαπωνικού κέδρου η οποία τεμαχίστηκε σε μικρά κομματάκια μεγέθους mm. Στη συνέχεια με τη βοήθεια της απορριπτόμενης από τη μονάδα θερμότητας η υγρασία της βιομάζας περιοριζόταν στο 20 %. Η μονάδα τροφοδοτούταν με μία παροχή 1 τόνο / μέρα. [77] Πίνακας 3.29: Χαρακτηριστικά καύσιμης βιομάζας που χρησιμοποιήθηκε στη μονάδα blue tower στην πόλη Izumo Ξυλώδης βιομάζα ιαπωνικού κέδρου - blue tower, Izumo Ανώτερη Θερμογόνος Δύναμη kj/kg kcal/kg Υγρασία (%) Πτητικές ουσίες (%) 20 86,21 0,14 Πυκνότητα (τόνοι/m 3 ) Πίνακας 3.30: Χημική σύνθεση καύσιμης βιομάζας που χρησιμοποιήθηκε στη μονάδα blue tower στην πόλη Izumo Ξυλώδης βιομάζα ιαπωνικού κέδρου - blue tower, Izumo C (%) H 2 (%) O 2 (%) S (%) N 2 (%) Cl (%) Τέφρα (%) 46,66 5,48 47, ,12 0 0,

193 Παραγωγή ενέργειας Εικόνα 3.41: Λειτουργικό διάγραμμα της μονάδας blue tower στην πόλη Izumo Η διάταξη αεριοποίησης σε μία μονάδα blue tower αποτελείται από τέσσερεις ξεχωριστούς αντιδραστήρες όπου σε κάθε έναν από αυτούς λαμβάνει χώρα ξεχωριστά η διεργασία της καύσης, της προθέρμανσης, της αεριοποίησης και της πυρόλυσης. Στο παραπάνω σχήμα παρουσιάζεται το λειτουργικό διάγραμμα της πειραματικής μονάδας blue tower που βρίσκεται στη Ιαπωνία στην πόλη Izumo η οποία δέχεται ένα τόνο βιομάζας ανά ημέρα. Φυσικά και οι υπόλοιπες μονάδες blue tower έχουν ακριβώς την ίδια διάταξη απλά γίνονται κάποιες διαφοροποιήσεις ανάλογα με το μέγεθός τους. Η βιομάζα αφού έχει τεμαχιστεί σε μικρά κομματάκια εισάγεται στον αντιδραστήρα της πυρόλυσης όπου και πυρολύεται στη θερμοκρασία των 550 ο C. Στο στάδιο της πυρόλυσης το 80 % της εισαγόμενης βιομάζας ( ή τα 2/3 της εισαγόμενης ενέργειας ) μετατρέπεται σε αέριο πυρόλυσης και το 20 % ( ή το 1/3 της εισαγόμενης ενέργειας ) σε εξανθρακώματα. [77] Στην εικόνα 3.42 παρουσιάζεται μία ενδεικτική σύνθεση του αερίου πυρόλυσης (mol %) σε συνάρτηση του λόγου S/C όταν η εισαγόμενη βιομάζα έχει περιεκτικότητα σε υγρασία 20 %. Η ποσότητα S εκφράζει το άθροισμα της εισαγόμενης ποσότητας ατμού (mol/sec) και της περιεχόμενης υγρασίας (mol/sec) στο καύσιμο που εισάγεται. Η ποσότητα C εκφράζει το περιεχόμενο σε άνθρακα (mol/sec) της εισαγόμενης βιομάζας. Η πυρόλυση της βιομάζας λαμβάνει χώρα στη θερμοκρασία των 550 ο C. [77]

194 Εικόνα 3.42: Σύνθεση αερίου πυρόλυσης για λόγους S/C = 0,14 έως 0,93 Τα αέρια που παράγονται εγκαταλείπουν τον αντιδραστήρα της πυρόλυσης και εισέρχονται στον αντιδραστήρα της αεριοποίησης. Εκεί επικρατούν υψηλότερες θερμοκρασίες, άνω των 800 ο C και λαμβάνουν χώρα οι ενδόθερμες αντιδράσεις σχηματισμού του αερίου αεριοποίησης. Στην εικόνα 3.43 παρουσιάζεται η σύνθεση του αερίου αεριοποίησης (mol %) για διάφορες θερμοκρασίες μέσα στον αντιδραστήρα με σταθερό λόγο S/C = 1. Εικόνα 3.43: Σύνθεση αερίου αεριοποίησης για Τ= 800 ο C έως 950 ο C Στον πίνακα 3.31 που ακολουθεί παρουσιάζεται μία τυπική σύνθεση του παραγόμενου αερίου αεριοποίησης της μονάδα blue tower στην πόλη Izumo και στον πίνακα 3.32 η σύνθεση του αερίου όπως προκύπτει από τη μονάδα blue tower στο Mumbai. Πίνακας 3.31: Σύνθεση παραγόμενου αερίου αεριοποίησης της μονάδας blue tower στην πόλη Izumo Σύνθεση αερίου αεριοποίησης blue tower Izumo Η 2 50 % κ.ό. CO 20 % κ.ό. CO 2 25 % κ.ό. CH 4 5 % κ.ό. Κ.Θ.Δ MJ/Nm

195 Πίνακας 3.32: Σύνθεση παραγόμενου αερίου αεριοποίησης της μονάδας blue tower στην πόλη Mumbai Σύνθεση αερίου αεριοποίησης blue tower Mumbai Η 2 28,17 % κ.ό. CO 11,88 % κ.ό. CO 2 34,46 % κ.ό. CH 4 22,03 % κ.ό. N 2 3,46 % κ.ό. Κ.Θ.Δ MJ/Nm 3 Βασικό χαρακτηριστικό της διάταξης blue tower είναι ότι οι διεργασίες της πυρόλυσης και της αεριοποίησης πραγματοποιούνται σε διαφορετικούς αντιδραστήρες η κάθε μία. Στον αντιδραστήρα αεριοποίησης εισέρχονται μόνο τα αέρια που παράγονται στον αντιδραστήρα πυρόλυσης. Με αυτόν τον τρόπο οι αντιδράσεις σχηματισμού του αερίου λαμβάνουν χώρα πιο γρήγορα από άλλες διατάξεις και είναι ανεξάρτητες της πίεσης, οδηγώντας έτσι στο σχηματισμό ενός αερίου αεριοποίησης με υψηλή περιεκτικότητα σε υδρογόνο. Ο βαθμός απόδοσης της μετατροπής της βιομάζας σε αέριο είναι γύρω στο 80 %. Η διαφορά στη σύνθεση του παραγόμενου αερίου αεριοποίησης που προκύπτει από τις δύο μονάδες blue tower στις πόλεις Izumo και Mumbai οφείλεται στη διαφορετική σύνθεση της βιομάζας που χρησιμοποιούν ως καύσιμο. Τα στερεά παράγωγα της πυρόλυσης ( εξανθρακώματα ) καθώς και οι πίσσες της 1 ης κατηγορίας που σχηματίζονται, καθώς η θερμοκρασία πυρόλυσης είναι μικρή (550 ο C), οδηγούνται στον αντιδραστήρα καύσης που φαίνεται αριστερά, κάτω στο λειτουργικό διάγραμμα της μονάδας στην εικόνα Εκεί εισάγεται προθερμασμένος ατμοσφαιρικός αέρας και λαμβάνει χώρα η καύση των εξανθρακωμάτων και της πίσσας. Στο σχήμα φαίνεται ότι εισάγεται στον αντιδραστήρα και φυσικό αέριο αλλά αυτό γίνεται μόνο για λίγο, όταν χρειάζεται να γίνει επανεκκίνηση της λειτουργίας της διάταξης μετά από διακοπή της. Τα καυσαέρια που παράγονται οδηγούνται στον αντιδραστήρα προθέρμανσης του μέσου μεταφοράς θερμότητας που βρίσκεται στην κορυφή της διάταξης. Αυτός ο αντιδραστήρας στην ουσία είναι μία μικρή δεξαμενή που χρησιμεύει για τη μετάδοση θερμότητας από τα καυσαέρια στο μέσο μεταφοράς θερμότητας - κεραμικά σφαιρίδια (Al 2 O 3 ), που συγκεντρώνονται μέσα σε αυτήν. Αυτά τα κεραμικά σφαιρίδια αφού παραμείνουν ένα χρονικό διάστημα μέσα στον αντιδραστήρα προθέρμανσης ερχόμενα σε επαφή με τα θερμά καυσαέρια, τον εγκαταλείπουν και διέρχονται, διαδοχικά, βοηθούμενα από το βάρος τους από τον αντιδραστήρα αεριοποίησης και πυρόλυσης παρέχοντας την απαιτούμενη θερμότητα για να λάβουν στον κάθε αντιδραστήρα οι αντίστοιχες αντιδράσεις. Στη συνέχεια εγκαταλείπουν τον αντιδραστήρα πυρόλυσης μαζί με τα εξανθρακώματα και εισέρχονται σε μία διάταξη όπου και γίνεται ο διαχωρισμός τους. Τα εξανθρακώματα οδηγούνται για καύση ενώ τα κεραμικά σφαιρίδια προωθούνται με μηχανικό τρόπο στον αντιδραστήρα προθέρμανσης στην κορυφή της διάταξης προκειμένου να θερμανθούν εκ νέου. Το γεγονός ότι τα κεραμικά σφαιρίδια διέρχονται περιοδικά από τον αντιδραστήρα αεριοποίησης εξασφαλίζει ότι οι επιφάνειές τους παραμένουν καθαρές. Τα θερμά καυσαέρια μετά τον αντιδραστήρα προθέρμανσης οδηγούνται σε ένα κυκλώνα για να διαχωριστούν τα μικρά σωματίδια σκόνης - τέφρας και στη συνέχεια οδηγούνται σε έναν εναλλάκτη για να προθερμάνουν τον ατμοσφαιρικό αέρα που στέλνεται στον αντιδραστήρα καύσης. Στην εικόνα 3.44 που ακολουθεί, απεικονίζονται τα κεραμικά σφαιρίδια από Al 2 O 3 που χρησιμοποιούνται ως μέσο μεταφοράς θερμότητας στη διάταξη blue tower. [78]

196 Εικόνα 3.44: Κεραμικά σφαιρίδια που χρησιμοποιούνται στη διάταξη αεριοποίησης blue tower Όπως φαίνεται και στην εικόνα 3.41, το παραχθέν αέριο αεριοποίησης μετά τον αντιδραστήρα αεριοποίησης οδηγείται σε έναν εξατμιστήρα προκειμένου να μειωθεί η θερμοκρασία του και να μετατρέψει το νερό σε ατμό. Ένα μικρό μέρος του ατμού που παράγεται στέλνεται στον αντιδραστήρα πυρόλυσης ενώ το μεγαλύτερο μέρος στέλνεται στον αντιδραστήρα αεριοποίησης. Στη συνέχεια το παραχθέν αέριο οδηγείται σε μία διάταξη πλύσης με αλκαλικό νερό προκειμένου να μειωθεί η θερμοκρασία του και να απομακρυνθούν διάφοροι ρύποι αλλά και μικρά σωματίδια βιομάζας, σκόνης και τέφρας που έχουν παρασυρθεί. Αυτή η διάταξη πλύσης είναι και η μόνη διάταξη καθαρισμού του παραγόμενου αερίου που διαθέτει η μονάδα. Το νερό με τις προσμίξεις που προκύπτει διαχωρίζεται από το κύκλωμα νερού της διάταξης πλύσης και αφού διέρθει από φίλτρα ενεργού άνθρακα απορρίπτεται στο βιολογικό καθαρισμό της πόλης. Το παραχθέν αέριο μετά τον καθαρισμό του συγκεντρώνεται σε μία δεξαμενή και από εκεί τροφοδοτείται μία μηχανή εσωτερικής καύσης για παραγωγή ηλεκτρισμού. Στο λειτουργικό διάγραμμα της μονάδας φαίνεται ότι υπάρχει η δυνατότητα τροφοδοσίας του αντιδραστήρα καύσης και με αέριο αεριοποίησης όταν υπάρχει ανάγκη. Εάν τα εξανθρακώματα που παράγονται από το στάδιο της πυρόλυσης υπάρχει τρόπος να χρησιμοποιηθούν πιο αποδοτικά, μπορούν να πωληθούν αντί να οδηγηθούν στον αντιδραστήρα καύσης. Σε αυτήν την περίπτωση η αναγκαία για τη διεργασία αεριοποίησης θερμότητα θα μπορούσε να διατεθεί από μία διαφορετική μονάδα της γύρω περιοχής. Η αναγκαία θερμότητα θα πρέπει να παρέχεται μέσω αδρανούς αερίου σε αρκετά μεγάλες ποσότητες και στη θερμοκρασία των 1000 ο C. Τα εξωτερικά τοιχία των μονάδων blue tower μπορούν να κατασκευαστούν από λεπτές, μεταλλικές και διάτρητες πλάκες ή από ανθεκτικό πλαστικό ύφασμα, ώστε να εξασφαλίζεται μία φυσική κυκλοφορία του αέρα. Στην πάνω πλευρά των εξωτερικών τοιχίων της διάταξης όπως και στην κάτω υπάρχουν μεγαλύτερα ανοίγματα. Έτσι όταν αρχίσει η λειτουργία της μονάδας και οι εξωτερικές επιφάνειες των αντιδραστήρων γίνουν ελαφρώς θερμότερες (αν και έχουν μόνωση) δημιουργείται ένα θερμό, ανοδικό ρεύμα αέρα. Με αυτόν τον τρόπο ανανεώνεται ο αέρας στο εσωτερικό της μονάδας και αποφεύγεται η συγκέντρωση αναφλέξιμων αερίων. Διότι γενικότερα, σε μια μονάδα η οποία διαχειρίζεται εύφλεκτα αέρια πάντα υπάρχει ένας κίνδυνος έκρηξης ( έστω και μικρός ). Επίσης το ύψος μίας μονάδας blue tower κυμαίνεται από 10 m έως 40 m ανάλογα με το μέγεθος εγκατεστημένη ισχύ της μονάδας αλλά μπορεί εύκολα να μειωθεί τοποθετώντας τη βάση σε χαμηλότερο επίπεδο από το επίπεδο του εδάφους. [75]

197 Για την περίπτωση της πρότυπης - πειραματικής μονάδας blue tower στην πόλη Herten, η κάθε παραγόμενη kwh είχε ένα λειτουργικό κόστος στη μονάδα 0,02. Η μονάδα εκτός από την πώληση της ενέργειας που παράγει μπορεί να έχει έσοδα και στην περίπτωση που δέχεται στερεά αστικά απόβλητα ή λύματα. Το κόστος μίας μονάδας blue tower εξαρτάται από το μέγεθός της (εγκατεστημένη ισχύ), το είδος βιομάζας που θα δέχεται και από διάφορους άλλους παράγοντες. Γενικά, το αρχικό κεφάλαιο που επενδύεται μπορεί να αποσβεστεί μέσα σε 5-6 χρόνια ενώ μία μονάδα blue tower για να κατασκευαστεί χρειάζεται από 8 έως 18 μήνες ανάλογα με το μέγεθος και τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της μονάδας. Ο συνολικός χώρος που χρειάζεται μία μονάδα blue tower για να εγκατασταθεί εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το αν οι ποσότητες βιομάζας που χρησιμοποιούνται έχουν μεγάλες ανάγκες σε ξήρανση και σε διαλογή. Για παράδειγμα μία μονάδα blue tower η οποία δέχεται τόνους στερεών αστικών αποβλήτων το χρόνο χρειάζεται περίπου 4 στρέμματα. Διαχείριση Καυσαερίων Γενικά, η τεχνολογία αεριοποίησης που εφαρμόζεται στη μονάδα blue tower είναι πολύ φιλική προς το περιβάλλον. Βέβαια τα καυσαέρια που προκύπτουν εξαρτώνται από το είδος των καυσίμων που χρησιμοποιούμε. Έτσι, για ορισμένες περιπτώσεις καυσίμων πρέπει να γίνουν και οι αντίστοιχες προσαρμογές στη διάταξη. Στην πραγματικότητα, οι περισσότεροι οργανικοί ρυπαντές (όπως διοξίνες, φουράνια κτλ.) λύουν τους χημικούς δεσμούς τους στον αντιδραστήρα αεριοποίησης και σχηματίζουν διάφορα συστατικά του αερίου αεριοποίησης. Ακόμη, στη συγκεκριμένη τεχνολογία το αέριο αεριοποίησης κατά τη διάρκεια του σχηματισμού του είναι τελείως απομονωμένο από την ατμόσφαιρα με συνέπεια να μην υπάρχουν καθόλου επιβαρυντικές για το περιβάλλον διαρροές. Οι εκπομπές CO 2 της μονάδας blue tower στην πόλη Herten από τη λειτουργία της μηχανής εσωτερικής καύσης μπορούσαν να συγκριθούν με αυτές ενός μικρού αυτοκινήτου όταν αυτή βρισκόταν σε λειτουργία. Όσο αναφορά τα βαρέα μέταλλα είναι αδύνατο να σχηματιστούν κατά τη διάρκεια της διεργασίας. Σε ειδικές περιπτώσεις, εάν η βιομάζα που χρησιμοποιείται είναι επιφορτισμένη με βαρέα μέταλλα (και με αυτόν τον τρόπο εισέρχονται στη διάταξη) ο αντιδραστήρας καύσης μπορεί να σχεδιαστεί και να λειτουργεί με τέτοιο τρόπο ώστε τα βαρέα μέταλλα να συγκρατιούνται σταθερά από τη λιωμένη τέφρα και στη συνέχεια να αποβάλλονται μαζί με τη στερεοποιημένη τέφρα. Το κύριο στερεό κατάλοιπο της μονάδας είναι τα ανόργανα άλατα που περιέχονται στη βιομάζα. Αναλόγως με το είδος της βιομάζας που δέχεται η μονάδα, η ποσότητα της τέφρας που προκύπτει κυμαίνεται από 5 έως 10 % του αρχικού βάρους της βιομάζας και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως λίπασμα ή ως οικοδομικό υλικό. Ακόμη, από τις ποσότητες τέφρας που προκύπτουν μπορούμε να κάνουμε ανάκτηση φωσφορικών και αμμωνιακών αλάτων. Στην περίπτωση που τα εξανθρακώματα από το στάδιο της πυρόλυσης, χρησιμοποιούνται εκτός μονάδας, τότε παράγονται πολύ λίγες ποσότητες από στερεά κατάλοιπα τα οποία προέρχονται από το στάδιο καθαρισμού του παραχθέντος αερίου αεριοποίησης. Η μονάδα δεν παράγει υγρά κατάλοιπα. [75]

198 Στον πίνακα 3.33 παρουσιάζονται τα όρια στις εκπομπές ρύπων εργοστασίων που ισχύουν για τις ΗΠΑ και την Ευρωπαϊκή Ένωση και οι εκπομπές ρύπων της μονάδας blue tower στην πόλη Herten που ως καύσιμο χρησιμοποιούσε ξυλώδη βιομάζα από τον καθαρισμό των δρόμων και των δασών της περιοχής. Βέβαια οι τιμές αυτές όσο αναφορά τις μονάδες τύπου blue tower μπορούν να έχουν μικρές διακυμάνσεις ανάλογα με το είδος βιομάζας που χρησιμοποιείται. [75] Πίνακας 3.33: Σύγκριση εκπομπών ρύπων μονάδας blue tower με τα όρια που ισχύουν σε Η.Π.Α. και Ε.Ε. Συγκριτικός πίνακας εκπομπών blue tower Herten ΗΠΑ Ευρωπαϊκή Ένωση Blue tower (χωρίς φίλτρα) Blue tower (με φίλτρα) Αιωρούμενα σωματίδια mg/m Διοξίνες/ Φουράνια ng/m NO x ng/m CO mg/m HCl mg/m ,08 SO 2 mg/m ,2 HFL mg/m Μόλυβδος mg/m 3 0, Υδράργυρος mg/m 3 0,08 0, Κάδμιο mg/m 3 0,02 0, Στον πίνακα 3.34 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των αναλύσεων που έγιναν στα καυσαέρια της μηχανής εσωτερικής καύσης της μονάδας blue tower στην πόλη Mumbai που ως καύσιμο χρησιμοποιούσε στερεά αστικά απόβλητα και νοσοκομειακά απόβλητα. Στη συγκεκριμένη μονάδα δεν υπήρχε καμία συσκευή ελέγχου των καυσαερίων της μηχανής εσωτερικής καύσης όπως π.χ φίλτρα. Τέλος δεν ανιχνεύτηκαν καθόλου ποσότητες υδραργύρου ή χλωριδίων. [76] Πίνακας 3.34: Ανάλυση καυσαερίων της μονάδας blue tower ατην πόλη Mumbai Ανάλυση καυσαερίων blue tower Mumbai O 2 (%) CO 2 (%) CO (ppm) SO 2 (ppm) NO x (ppm) HC (ppm) Μικροσωματίδια (mg/nm 3 ) 18,33 2,4 21,55 24,95 36,23 1,05 122,

199 Συμπερασματικά Η τεχνολογία αεριοποίησης της Concord blue είναι από τις πιο φιλικές προς το περιβάλλον καλύπτοντας όλους τους περιβαλλοντικούς κανονισμούς (Διεθνής Ευρωπαϊκούς) και λέγεται ότι η εφαρμογή της είναι η πιο συμφέρουσα λύση για τη διάθεση των στερεών αστικών αποβλήτων και της ιλύος από τους βιολογικούς καθαρισμούς. Ορισμένα από τα πλεονεκτήματα αυτής της τεχνολογίας παρουσιάζονται παρακάτω : Η όλη διάταξη αεριοποίησης βρίσκεται υπό ατμοσφαιρική πίεση. Έτσι δεν υπάρχουν δοχεία που να περιέχουν θερμά αέρια σε υψηλές πιέσεις. Η διάταξη είναι αξιόπιστη και μπορεί να δεχτεί πολλών ειδών βιομάζας, ακόμη και μικρά σωματίδια βιομάζας που οι περισσότερες διατάξεις αεριοποίησης δεν μπορούν να δεχτούν. Το γεγονός ότι χρησιμοποιείται η κυκλοφορία κεραμικών σφαιριδίων για τη μεταφορά θερμότητας, επιτρέπει τη χρήση ειδών βιομάζας που σε άλλες διατάξεις δε μπορούν να χρησιμοποιηθούν λόγω προβλημάτων διάβρωσης και απόθεσης ακαθαρσιών που προκύπτουν. Είναι ασφαλής διότι τίποτε δεν αναφλέγεται μέσα στη διάταξη αλλά η απαιτούμενη θερμότητα μεταφέρεται στο σύστημα με την κυκλοφορία των κεραμικών σφαιριδίων. Ο αντιδραστήρας καύσης βρίσκεται εκτός της διάταξης αεριοποίησης. Η μονάδα καταλαμβάνει πολύ λίγο χώρο. Το παραγόμενο αέριο αεριοποίησης είναι υψηλής ποιότητας διότι δεν έρχεται σε επαφή με τα καυσαέρια που παράγονται από την καύση των εξανθρακωμάτων Εικόνα 3.45: Μονάδα αεριοποίησης βιομάζας Blue Tower

200

201 Κεφάλαιο 4 Πυρόλυση 4.1 Γενικά Πυρόλυση ονομάζουμε τη θερμοχημική διάσπαση της βιομάζας σε διάφορα χρήσιμα παράγωγα της, είτε με την ολική απουσία οξειδωτικού μέσου είτε με πολύ περιορισμένη χρήση ενός οξειδωτικού μέσου τόσο που να μην επιτρέπονται αντιδράσεις αεριοποίησης της βιομάζας να λάβουν χώρα. Αυτή είναι και η βασική διαφορά της πυρόλυσης από τη διεργασία της αεριοποίησης καθώς στην περίπτωση της αεριοποίησης λαμβάνουν χώρα χημικές αντιδράσεις των συστατικών της βιομάζας με ένα μέσο που εισάγουμε στον αντιδραστήρα και που το ονομάζουμε οξειδωτικό μέσο. Επίσης, η πυρόλυση της βιομάζας πραγματοποιείται μέσα σε ένα εύρος θερμοκρασιών από 300 ο C έως 650 ο C ενώ οι αντιδράσεις αεριοποίησης συμβαίνουν μεταξύ 800 ο C και 1000 ο C. Κατά τη διάρκεια της πυρόλυσης, μεγάλα, σύνθετα μόρια υδρογονανθράκων διασπώνται σε σχετικά μικρότερα και απλούστερα μόρια αερίων, υγρών και στερεών ουσιών. Στην εικόνα 4.1 παρουσιάζεται η διάσπαση της κυτταρίνης, ενός πολυσακχαρίτη που αποτελείται από μόρια γλυκόζης και είναι η πιο διαδεδομένη οργανική ένωση στον κόσμο (κύριο συστατικό του ξύλου): [82] Μεθάνιο Υδρογόνο Διοξείδιο του άνθρακα Μονοξείδιο του άνθρακα Ατμός Φαινόλη Αιθανικό οξύ Βενζόλιο Εικόνα 4.1: Διάσπαση της κυτταρίνης σε άλλες απλούστερες ενώσεις

202 Γενικά, η διαδικασία της πυρόλυσης μπορεί να περιγραφεί ως η θέρμανση βιομάζας απουσία οξειδωτικού μέσου. Η θέρμανση αύξηση της θερμοκρασίας πρέπει να γίνεται με ένα συγκεκριμένο ρυθμό μέχρι ένα άνω όριο θερμοκρασίας που ονομάζεται θερμοκρασία πυρόλυσης. Σε αυτή τη θερμοκρασία η βιομάζα πρέπει να παραμείνει για ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Αρχικά, μέσω της πυρόλυσης, η βιομάζα διασπάται σε διάφορα αέρια και στερεά εξανθρακώματα. Τα αέρια που παράγονται αρχικά, συμμετέχουν σε περεταίρω αντιδράσεις είτε μεταξύ τους είτε με τη στερεή βιομάζα με αποτέλεσμα το σχηματισμό απλούστερων αερίων όπως CO, CO 2, H 2 και CH 4, διάφορων υγρών ουσιών και στερεών εξανθρακωμάτων. Για παράδειγμα οι ατμοί που εκλύονται αρχικά από τη βιομάζα διασπώνται στη συνέχεια σε μικρότερα μόρια CO και CO 2. Πιο συγκεκριμένα τα προϊόντα της πυρόλυσης μπορούν να χωριστούν στις τρεις κατηγορίες που περιγράφονται παρακάτω. Οι σχετικές ποσότητες αυτών των προϊόντων εξαρτώνται από διάφορους παράγοντες όπως για παράδειγμα ο ρυθμός αύξησης της θερμότητας και η τελική θερμοκρασία πυρόλυσης. [82]

203 4.2 Περιγραφή της εξέλιξης του φαινομένου της πυρόλυσης Η πυρόλυση μπορεί να χωριστεί στα παρακάτω τέσσερα στάδια τα οποία λαμβάνουν χώρα σε συγκεκριμένες περιοχές θερμοκρασιών οι οποίες επικαλύπτονται: [82] 1. Ξήρανση (έως 100 ο C) Κατά τα πρώτα στάδια της θέρμανσης, η βιομάζα χάνει την υγρασία της και αυτό επιταχύνει τη μετάδοση της θερμότητας προς το εσωτερικό της βιομάζας. 2. Αρχικό στάδιο πυρόλυσης (100 ο C 300 ο C) Σε αυτό το στάδιο γίνεται αφυδάτωση της βιομάζας και απελευθερώνονται ποσότητες νερού και αέρια με χαμηλό μοριακό βάρος όπως CO και CO Ενδιάμεσο στάδιο πυρόλυσης (200 ο C 600 ο C) Σε αυτό το στάδιο πραγματοποιούνται οι πρωτοβάθμιες αντιδράσεις της πυρόλυσης. Εδώ μεγάλα μόρια βιομάζας διασπώνται με αποτέλεσμα να παράγεται το μεγαλύτερο ποσοστό των ατμών που έχουν τη δυνατότητα να συμπυκνωθούν στο στάδιο της συμπύκνωσης μετά τον αντιδραστήρα ώστε να παραχθεί το έλαιο πυρόλυσης. Παράγονται επίσης και ποσότητες στερεών εξανθρακωμάτων και αερίων που δε γίνεται να συμπυκνωθούν. 4. Τελικό στάδιο πυρόλυσης (300 ο C 900 ο C) Σε αυτό το στάδιο λαμβάνουν χώρα δευτερογενείς αντιδράσεις διάσπασης των αερίων με σχετικά μεγάλο μοριακό βάρος που έχουν σχηματισθεί από το προηγούμενο στάδιο και σχηματίζονται στερεά εξανθρακώματα και αέρια με μικρότερο μοριακό βάρος που δε γίνεται να συμπυκνωθούν και να παράγουν έλαιο πυρόλυσης. Επίσης πρέπει να σημειωθεί ότι οι υψηλές θερμοκρασίες πυρόλυσης (άνω των 600 ο C) ευνοούν το σχηματισμό του υδρογόνου

204 4.3 Προϊόντα γρήγορης πυρόλυσης ( fast pyrolysis ) 1. Στερεά εξανθρακώματα Τα στερεά εξανθρακώματα που παράγονται κατά τη γρήγορη πυρόλυση είναι σε μορφή μαύρων, μικρόκοκκων σωματιδίων ( σκόνη ). Η παραγωγή τους κατά τη γρήγορη πυρόλυση μπορεί να λάβει κάποιες διακυμάνσεις. Μία μέση τιμή και για την περίπτωση ξυλώδους βιομάζας είναι 14 % του αρχικού βάρους της βιομάζας. Αποτελούνται κυρίως από άνθρακα (85 %) αλλά περιέχουν επίσης ποσότητες οξυγόνου, υδρογόνου, αζώτου και θείου αναλόγως της σύνθεσης της βιομάζας που πυρολύεται. Σε αντίθεση με τα ορυκτά καύσιμα, η βιομάζα περιέχει πολύ μικρές ποσότητες ανόργανης τέφρας το μεγαλύτερο μέρος της οποίας καταλήγει να ενσωματώνεται στα στερεά εξανθρακώματα. Η κατώτερη θερμογόνος δύναμη των στερεών εξανθρακωμάτων βιομάζας μπορεί να φθάσει τα 32 MJ/kg, σημαντικά μεγαλύτερη από αυτή της αρχικής βιομάζας ή των υγρών προϊόντων της πυρόλυσης. Τα στερεά εξανθρακώματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν από τα θερμοκήπια και σε διάφορες καλλιέργειες δέντρων. Η τιμή του στις αγορές κυμαίνεται μεταξύ $ / τόνο. Μία τυπική σύνθεση στερεών εξανθρακωμάτων παρουσιάζεται στον πίνακα 4.1. [82] Πίνακας 4.1: Τυπική σύνθεση στερεών εξανθρακωμάτων Συστατικό Σύνθεση % κατά βάρος Άνθρακας 83 Υδρογόνο 3 Οξυγόνο 11 Άζωτο 0,3 Τέφρα 2,7 Κ.Θ.Δ. (MJ/kg) Έλαιο πυρόλυσης Το κύριο προϊόν της γρήγορης πυρόλυσης βιομάζας είναι το έλαιο πυρόλυσης, ένα υδροδιαλυτό υγρό, χρώματος σκούρο καφέ το οποίο έχει μία χαρακτηριστική έντονη οσμή παρόμοια με αυτή του καπνού από ξύλα που καίγονται. Η παραγωγή του ελαίου πυρόλυσης βασίζεται στην ταχεία αύξηση της θερμοκρασίας της βιομάζας η οποία ακολουθείται από μία ταχεία ψύξη των αερίων που παράγονται. Αναλόγως της μεθόδου γρήγορης πυρόλυσης που χρησιμοποιείται και το είδος της βιομάζας που πυρολύεται, συνήθως παράγεται μία ποσότητα ελαίου πυρόλυσης που κυμαίνεται μεταξύ % του αρχικού βάρους της βιομάζας. Η κατώτερη θερμογόνος δύναμη του ελαίου πυρόλυσης κυμαίνεται από 13 έως 18 MJ/kg όταν η κατώτερη θερμογόνος δύναμη της αρχικής βιομάζας είναι μεταξύ 19,5 και 21 MJ/kg. Το έλαιο πυρόλυσης αποτελείται από περισσότερες από 300 διαφορετικές οργανικές χημικές ενώσεις οι οποίες σχηματίζονται κατά τη διάρκεια των αντιδράσεων πυρόλυσης. Παράγεται με ταχεία και ταυτόχρονη διάσπαση της κυτταρίνης, της ημικυτταρίνης και της λιγνίνης που είναι τα βασικά δομικά συστατικά της βιομάζας (οργανικά πολυμερή). Οι σημαντικότερες ομάδες χημικών ενώσεων που εμφανίζονται στο τελικό προϊόν είναι οι αλδεΰδες (15 % κ.β.), τα καρβοξυλικά οξέα (12 % κ.β.), οι υδατάνθρακες (8 % κ.β), οι φαινόλες (3 % κ.β.), οι φουρφουράλες (2 % κ.β.), οι αλκοόλες (3 % κ.β) και οι κετόνες( 3 % κ.β). Το έλαιο πυρόλυσης περιέχει επίσης μοριακά θραύσματα κυτταρίνης, ημικυτταρίνης και λιγνίνης τα οποία διέφυγαν από το περιβάλλον της πυρόλυσης

205 Το έλαιο πυρόλυσης παρουσιάζει σημαντικές διαφορές από τα υπόλοιπα υγρά, ορυκτά καύσιμα. Τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του ελαίου πυρόλυσης αποδίδονται στην υψηλή περιεκτικότητά του σε οξυγόνο ( > 40 % κατά βάρος ) που οφείλεται στις ποσότητες οξυγόνου που περιέχονται στη βιομάζα που πυρολύεται. Η στοιχειώδεις σύνθεση του ελαίου πυρόλυσης έχει μεγάλες ομοιότητες με τη σύνθεση της αρχικής βιομάζας από την οποία προέρχεται. Το έλαιο πυρόλυσης περιέχει σημαντικές ποσότητες νερού, που προέρχονται από την περιεκτικότητα της αρχικής βιομάζας σε υγρασία καθώς και από ποσότητες νερού που σχηματίζονται κατά τη διάρκεια των αντιδράσεων πυρόλυσης. Μία συνήθεις περιεκτικότητα νερού στο έλαιο πυρόλυσης είναι 25 % κατά βάρος. Ένα χαρακτηριστικό του ελαίου πυρόλυσης είναι ότι δεν μπορεί να αναμειχθεί άμεσα με άλλα υγρά ορυκτά καύσιμα διότι λαμβάνει χώρα διαχωρισμός φάσεων λόγω της υψηλής περιεκτικότητας του σε νερό. Λόγω της υψηλής περιεκτικότητας του ελαίου πυρόλυσης σε οξυγόνο και νερό η θερμογόνος δύναμή του είναι % χαμηλότερη από τη θερμογόνο δύναμη των υπολοίπων υγρών ορυκτών καυσίμων. Επίσης για τους ίδιους λόγους, το έλαιο πυρόλυσης παρουσιάζει μεγαλύτερη οξύτητα, PH = 2,5. Τέλος το έλαιο πυρόλυσης δεν είναι ένα χημικά σταθερό προϊόν πράγμα που σημαίνει ότι η χημική του σύνθεση αλλάζει ως συνάρτηση του χρόνου. Για τον περιορισμό αυτών των αλλαγών συνήθως αποθηκεύεται σε χαμηλές θερμοκρασίες, κατά το μέτρο του δυνατού. Έχει αποδειχθεί ότι τα αλκαλικά μέταλλα που περιέχονται στα εξανθρακώματα λειτουργούν ως καταλύτες σε αντιδράσεις πολυμερισμού μεταξύ διαφόρων συστατικών του ελαίου πυρόλυσης. Γι αυτό πάντα στοχεύετε ο περιορισμός των εξανθρακωμάτων στο παραγόμενο έλαιο πυρόλυσης. Για τη βελτίωση της χημικής σταθερότητας του ελαίου πυρόλυσης συχνά προστίθενται αλκοόλες ή άλλοι διαλύτες. Παρόλα αυτά ο χρόνος αποθήκευσης του ελαίου πυρόλυσης περιορίζεται περίπου στους 6 μήνες. Η τιμή του στις αγορές είναι περίπου 480 $ / τόνο. Στους παρακάτω πίνακες παρουσιάζονται τα κυριότερα χαρακτηριστικά του ελαίου πυρόλυσης. [82] Πίνακας 4.2: Τυπική σύνθεση ελαίου πυρόλυσης Συστατικό Σύνθεση % κατά βάρος Άνθρακας Υδρογόνο 5-8,6 Οξυγόνο Άζωτο 0-0,3 Τέφρα 0-0,2 Κ.Θ.Δ. (MJ/kg) Πίνακας 4.3: Βασικά χαρακτηριστικά ελαίου πυρόλυσης εν συγκρίσει με τα χαρακτηριστικά του πετρελαίου diesel Συγκριτικός πίνακας Έλαιο πυρόλυσης Πετρέλαιο Diesel Κ.Θ.Δ. (MJ/kg) ,3 Περιεχόμενο σε υγρασία (% κ.β.) PH 2-3,7 5 Περιεχόμενο σε σωματίδια (% κ.β.) 0,1-1 0 Ιξώδες (cst) 60 ο C 8 6 Τέφρα (% κ.β.) 0,01-0,04 0,01 Πυκνότητα (kg/lit) 25 ο C 1,2 0,84 Θερμοκρασία ανάφλεξης ( ο C)

206 3. Αέρια πυρόλυσης Κατά την αρχική διάσπαση των σύνθετων οργανικών μορίων της βιομάζας παράγονται διάφορα αέρια που μετέπειτα έχουν τη δυνατότητα να συμπυκνωθούν στο στάδιο της ψύξης και αποτελούνται από μόρια με μεγάλο μοριακό βάρος και μερικά άλλα αέρια που δε γίνεται να συμπυκνωθούν κατά τη διεργασία της ψύξης και αποτελούνται από μόρια με χαμηλό μοριακό βάρος όπως CO 2, CO, Η 2, CH 4, C 2 H 6, C 2 H 4 και C 3 H 8 (πρωτογενή αέρια). Επίσης κατά τις δευτερεύουσες διασπάσεις αντιδράσεις των αερίων παράγονται επιπρόσθετα αέρια που επίσης δε γίνεται να συμπυκνωθούν κατά τη διεργασία της ψύξης. Αυτά τα αέρια ονομάζονται δευτερογενή αέρια. Το τελικό παραγόμενο αέριο πυρόλυσης είναι ένα μείγμα από πρωτογενή και δευτερογενή αέρια. Η κατώτερη θερμογόνος δύναμη των πρωτογενών αερίων είναι περίπου 11 MJ/Nm 3 ενώ η θερμογόνος δύναμη των δευτερογενών αερίων είναι περίπου 20 MJ/Nm 3 αλλά βέβαια η παραγωγή τους μειώνει την παραγωγή του ελαίου πυρόλυσης. Επίσης, εκτός από αέρια που δύναται να καούν πολλές φορές, ανάλογα με τη μέθοδο πυρόλυσης, περιέχονται και διάφορα αδρανή αέρια, όπως άζωτο, που χρησιμοποιούνται στη διαδικασία της ρευστοποίησης. Η παραγωγή των αερίων πυρόλυσης εξαρτάται από τη μέθοδο πυρόλυσης και τη βιομάζα που χρησιμοποιούμε και κυμαίνεται από 10 % - 20 % του αρχικού βάρους της βιομάζας. Μία τυπική σύνθεση αερίου πυρόλυσης παρουσιάζεται στον πίνακα 4.4. [82] Πίνακας 4.4: Τυπική σύνθεση αερίου πυρόλυσης (που δε γίνεται να συμπυκνωθεί) Συστατικό Σύνθεση % κατά βάρος CO 15 CO 2 28 H 2 6,5 CH 4 3,5 C X H Y 2 N 2 45 Κ.Θ.Δ. ( MJ/kg) 7,

207 4.4 Είδη πυρόλυσης Με βάση το ρυθμό αύξησης της θερμοκρασίας της βιομάζας, η διεργασία της πυρόλυσης μπορεί να κατηγοριοποιηθεί σε δύο βασικούς τύπους, στην αργή και στη γρήγορη πυρόλυση. Η αλήθεια είναι όμως ότι ο χαρακτηρισμός μίας μεθόδου πυρόλυσης ως αργή ή γρήγορη πολλές φορές είναι αυθαίρετος. Η αργή και η γρήγορη πυρόλυση πραγματοποιούνται χωρίς την παρουσία κάποιου μέσου που να συμμετέχει στις αντιδράσεις πυρόλυσης. Υπάρχει βέβαια η πυρόλυση που ως μέσο χρησιμοποιείται ατμός ή υδρογόνο ή μεθάνιο αλλά αυτοί οι τρεις τύποι πυρόλυσης εμφανίζονται πιο σπάνια και τις περισσότερες φορές χρησιμοποιούνται κυρίως για την παραγωγή χημικών. Η διεργασία της πυρόλυσης θεωρείται αργή εάν ο απαιτούμενος χρόνος (t Θέρμανσης ) για να θερμανθεί το καύσιμο βιομάζα μέχρι το άνω όριο της θερμοκρασίας πυρόλυσης, είναι πολύ μεγαλύτερος από το χαρακτηριστικό χρόνο αντίδρασης της πυρόλυσης ( t Αντίδρασης ). Ως χαρακτηριστικό χρόνο μίας μεμονωμένης αντίδρασης (t Αντίδρασης ) ορίζουμε το αντίστροφο της σταθεράς ταχύτητας k στη θερμοκρασία πυρόλυσης. Η σταθερά k εξαρτάται από τη θερμοκρασία και τη φύση των αντιδρώντων και είναι αριθμητικά ίση μα την ταχύτητα της αντίδρασης, όταν οι συγκεντρώσεις καθενός από τα αντιδρώντα είναι 1 mol / lit. Συνεπώς διακρίνονται: [82] Αργή πυρόλυση: t Θέρμανσης >> t Αντίδρασης Στην αργή πυρόλυση ο χρόνος παραμονής των ατμών στη ζώνη πυρόλυσης είναι της τάξης μεγέθους ορισμένων λεπτών ή περισσότερο. Αυτός ό τύπος πυρόλυσης μπορεί να χωριστεί σε δύο τύπους, στην ανθρακοποίηση (carbonization) που στοχεύει αποκλειστικά στην παραγωγή στερεών εξανθρακωμάτων και στη συμβατική πυρόλυση (conventional pyrolysis) από την οποία προκύπτουν και τα τρία είδη προϊόντων της πυρόλυσης, στερεά, υγρά και αέρια. Ο μεγάλος χρόνος παραμονής των ατμών στη ζώνη πυρόλυσης στην περίπτωση της ανθρακοποίησης μεγιστοποιεί την παραγωγή στερεών εξανθρακωμάτων η οποία απαιτεί μικρές ταχύτητες αντίδρασης σε χαμηλές θερμοκρασίες. Η συμβατική πυρόλυση δεν είναι πολύ δημοφιλής μέθοδος λόγω της πιο πολύπλοκης διαδικασίας και της παραγωγής τριών διαφορετικών προϊόντων με σχετικά χαμηλή απόδοση. Γρήγορη πυρόλυση (fast pyrolysis): t Θέρμανσης << t Αντίδρασης Στη γρήγορη πυρόλυση ο χρόνος παραμονής των ατμών στη ζώνη πυρόλυσης είναι της τάξης μεγέθους ορισμένων δευτερολέπτων ή και μερικών χιλιοστών του δευτερολέπτου. Αυτός ό τύπος πυρόλυσης χρησιμοποιείται κυρίως για την παραγωγή ελαίου πυρόλυσης και αερίου πυρόλυσης. Ο ρυθμός αύξησης της θερμοκρασίας της βιομάζας είναι ιδιαίτερα υψηλός με αποτέλεσμα η ανώτατη θερμοκρασία πυρόλυσης να επιτυγχάνεται πριν αρχίσει η διάσπαση των μορίων της βιομάζας. Στην περίπτωση που μας ενδιαφέρει η παραγωγή ελαίου πυρόλυσης η μέγιστη θερμοκρασία πυρόλυσης θα πρέπει να είναι χαμηλότερη των 650 o C ενώ όταν μας ενδιαφέρει η παραγωγή αερίου πυρόλυσης η θερμοκρασία πυρόλυσης μπορεί να φθάσει και τους 1000 ο C. Στην ομάδα της γρήγορης πυρόλυσης περιέχονται και οι δύο κατηγορίες : flash pyrolysis και ultra rapid pyrolysis. Γενικά η γρήγορη πυρόλυση βιομάζας είναι η περισσότερα υποσχόμενη μέθοδος λόγω της μεγαλύτερης απόδοση της. Πυρόλυση σε περιβάλλον με παρουσία H 2 ή H 2 Ο ή CH 4 Γενικά, η διεργασία της πυρόλυσης πραγματοποιείται χωρίς την παρουσία κάποιου μέσου που να συμμετέχει στις αντιδράσεις σχηματισμού των προϊόντων της πυρόλυσης. Εξαίρεση αποτελεί η πυρόλυση με παρουσία H 2 ή H 2 Ο ή CH 4. Η διεργασία της πυρόλυσης

208 στην οποία η θερμική διάσπαση της βιομάζας γίνεται σε περιβάλλον υψηλής πίεσης, πλούσιο σε H 2 ονομάζεται υδροπυρόλυση ( fast-hydropyrolysis ) και έχει ως στόχο την παραγωγή ελαίου πυρόλυσης. Με την υδροπυρόλυση γενικά, μπορούμε να αυξήσουμε την παραγωγή αερίου πυρόλυσης και το ποσοστό των υδρογονανθράκων με χαμηλό μοριακό βάρος μέσα στον αντιδραστήρα πυρόλυσης. Η σχετικά αυξημένη παραγωγή αερίου πυρόλυσης μέσα στον αντιδραστήρα οφείλεται στην υδρογόνωση των ελεύθερων ριζών με αποτέλεσμα τη σταθεροποίησή τους και την αποφυγή της συνένωσής τους (πολυμερισμός) προς σχηματισμό μεγαλύτερων μορίων. Με την υδροπυρόλυση επίσης, όταν συμπυκνώνονται τα αέρια πυρόλυσης, παράγεται έλαιο πυρόλυσης με μειωμένη περιεκτικότητα σε οξυγόνο, γεγονός ιδιαίτερα σημαντικό καθώς η υψηλή περιεκτικότητα σε οξυγόνο αποτελεί μειονέκτημα κάθε ελαίου πυρόλυσης. Όσο αναφορά τη διεργασία της πυρόλυσης παρουσία H 2 O (hydrous pyrolysis) σε αυτήν την περίπτωση πραγματοποιείται θερμική διάσπαση της βιομάζας μέσα σε υψηλής θερμοκρασίας νερό. Αυτή η τεχνολογία αναπτύχθηκε από την εταιρία Changing World Technology προκειμένου να αξιοποιηθούν εντόσθια γαλοπούλας για την παραγωγή καυσίμου, λιπάσματος ή χημικών. Η διαδικασία αποτελείται από δύο στάδια. Το πρώτο στάδιο λαμβάνει χώρα σε νερό που βρίσκεται σε υψηλή πίεση και σε θερμοκρασία μεταξύ 200 ο C και 300 ο C με αποτέλεσμα το σχηματισμό ορισμένων υδρογονανθράκων. Στο δεύτερο στάδιο οι υδρογονάνθρακες που έχουν παραχθεί διασπόνται σε υδρογονάνθρακες με μικρότερο μοριακό βάρος σε μία θερμοκρασία των 500 ο C. Τέλος υπάρχει και η διεργασία της πυρόλυσης παρουσία CH 4 αλλά αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται για παραγωγή χημικών. Γενικά, ανάλογα με τα προϊόντα πυρόλυσης που επιθυμούμαι να παράγουμε χρησιμοποιούμε και την ανάλογη τεχνολογία. Ο παρακάτω πίνακας παρουσιάζει τις συνθήκες πυρόλυσης που θα πρέπει να επιδιώκουμε ανάλογα με το επιδιωκόμενο προϊόν. Πίνακας 4.5: Το επιδιωκόμενο προϊόν πυρόλυσης καθορίζει τις συνθήκες πυρόλυσης - είδος πυρόλυσης Επιδιωκόμενο προϊόν Μέγιστη θερμοκρασία Ρυθμός μετάδοσης θερμότητας Διάρκεια παραμονής αερίων μέσα στον αντιδραστήρα Κάρβουνο Χαμηλή Χαμηλός Μεγάλη Έλαιο πυρόλυσης Χαμηλή Υψηλός Μικρή (500 ο C) Αέριο πυρόλυσης Υψηλή Χαμηλός Μεγάλη

209 Πίνακας 4.6: Συγκριτικός πίνακας των κυριότερων διεργασιών πυρόλυσης [82] Είδος πυρόλυσης Χρόνος παραμονής Ρυθμός αύξησης θερμότητας Τελική θερμοκρασία πυρόλυσης ( o C) Προϊόντα Ανθρακοποίηση (Carbonization) Συμβατική πυρόλυση (Conventional) Γρήγορη (fast) Flash pyrolysis liquid Flash pyrolysis gas Ultra rapid pyrolysis Πυρόλυση κενού Vacuum pyrolysis Υδροπυρόλυση Hydro - pyrolysis Μεθανοπυρόλυση Methano-pyrolysis Ημέρες Πολύ χαμηλός Στερεά εξανθρακώματα 5 30 min Χαμηλός Στερεά εξανθρακώματα 2.Έλαιο πυρόλυσης 3.Αέριο πυρόλυσης 0,5-5 sec Πολύ υψηλός Έλαιο πυρόλυσης <1 sec Υψηλός < Έλαιο πυρόλυσης <1 sec Υψηλός < Χημικά 2.Αέριο πυρόλυσης < 0,5 sec Πολύ υψηλός Χημικά 2.Αέριο πυρόλυσης 2 30 sec Μέτριος Έλαιο πυρόλυσης < 10 sec Υψηλός < Έλαιο πυρόλυσης < 10 sec Υψηλός > Χημικά

210 4.5 Είδη αντιδραστήρων πυρόλυσης βιομάζας (fast pyrolysis) Τα τελευταία 25 χρόνια έγιναν εκτενείς έρευνες πάνω στο σχεδιασμό αντιδραστήρων γρήγορης πυρόλυσης βιομάζας οι οποίοι μπορούν να καλύψουν τις απαιτήσεις για υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης θερμότητας στα σωματίδια βιομάζας. Η μέθοδος της γρήγορης πυρόλυσης είναι η πιο αποδοτική μέθοδος για τη μετατροπή της βιομάζας σε έλαιο πυρόλυσης. Αντιδραστήρες τύπου fast pyrolysis έχουν την ικανότητα να παράγουν ποσότητες ελαίου πυρόλυσης ίσες με το 70 % - 80 % του αρχικού βάρους ξηρής βιομάζας. Αναλόγως με το καύσιμο που χρησιμοποιούμε, για τη γρήγορη πυρόλυση της βιομάζας χρειάζεται να παρέχουμε θερμική ενέργεια ίση με : 1-1,8 MJ/kg. Η πίεση κάτω από την οποία λαμβάνουν χώρα οι αντιδράσεις πυρόλυσης είναι περίπου 1 atm καθώς υψηλότερες πιέσεις ενισχύουν την παραγωγή στερεών εξανθρακωμάτων. Γενικά ένας αντιδραστήρας γρήγορης πυρόλυσης πρέπει να είναι με τέτοιο τρόπο σχεδιασμένος ώστε να διασφαλίζονται : Πολύ υψηλοί ρυθμοί μετάδοσης θερμότητας προς τη βιομάζα (1000 ο C/sec). Ελεγχόμενη θερμοκρασία κάτω υπό την οποία πραγματοποιούνται οι αντιδράσεις πυρόλυσης. Σε θερμοκρασίες χαμηλότερες από 425 ο C παρατηρείται αυξημένη παραγωγή στερεών εξανθρακωμάτων ενώ σε θερμοκρασίες υψηλότερες από 600 ο C έχουμε αυξημένη παραγωγή αερίων πυρόλυσης που δε γίνεται να συμπυκνωθούν και έτσι μειώνεται η παραγωγή ελαίου πυρόλυσης. Όταν στοχεύουμε στη μεγιστοποίηση της παραγωγής ελαίου πυρόλυσης τότε διατηρούμε μία σταθερή θερμοκρασία 500 ± 25 ο C. Πολύ μικροί χρόνοι παραμονής των παραγόμενων αερίων πυρόλυσης μέσα στον αντιδραστήρα < 2 sec. Γρήγορη ψύξη των αερίων πυρόλυσης προς παραγωγή του ελαίου πυρόλυσης. Η υψηλή ταχύτητα της ψύξης είναι απαραίτητη ώστε τα αέρια παράγωγα της πυρόλυσης να συμπυκνωθούν πριν να λάβουν χώρα περαιτέρω αντιδράσεις διάσπασης των χημικών ενώσεων με μεγάλο μοριακό βάρος, σε άλλες με μικρότερο μοριακό βάρος που δε γίνεται να συμπυκνωθούν Λόγω των παραπάνω, οι αντιδραστήρες γρήγορης πυρόλυσης εισάγουν ορισμένες απαιτήσεις από τη βιομάζα που μπορούν να επεξεργαστούν : Η βιομάζα θα πρέπει να εισάγεται μέσα στον αντιδραστήρα στη μορφή λεπτόκοκκων σωματιδίων π.χ 2 mm, ώστε να επιτυγχάνονται υψηλοί ρυθμοί μετάδοσης θερμότητας και να διασφαλίζεται η ολοκλήρωση της πυρόλυσής τους. Η υγρασία της βιομάζας πρέπει να έχει μειωθεί στο 10 % ή και λιγότερο, πριν αυτή εισέρθει μέσα στον αντιδραστήρα. Έτσι μειώνεται το ποσοστό νερού που περιέχεται στο παραγόμενο έλαιο πυρόλυσης όπως επίσης μειώνεται και η απαιτούμενη θερμική ενέργεια προκειμένου να λάβουν χώρα οι ενδόθερμες αντιδράσεις πυρόλυσης. Παρακάτω παρουσιάζονται οι αντιδραστήρες γρήγορης πυρόλυσης που είναι σε θέση να παράγουν έλαιο πυρόλυσης με τέτοια απόδοση ώστε να έχουν προοπτικές να αξιοποιηθούν επιχειρηματικά

211 4.5.1 Αντιδραστήρες πυρόλυσης αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης (Bubbling fluidized bed reactor ) Εικόνα 4.2: Διάταξη πυρόλυσης με αντιδραστήρα αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης Γενικά, έχει αποκτηθεί σημαντική εμπειρία πάνω στην πυρόλυση βιομάζας με αντιδραστήρες αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης. Είναι εύκολοι στην κατασκευή τους, στον έλεγχο της λειτουργίας τους και στην κλιμάκωσή τους προς μεγαλύτερα μεγέθη, αρκετά αξιόπιστοι, ενώ παράγεται έλαιο πυρόλυσης με μία απόδοση % κ.β. Η θερμοκρασία που επικρατεί στο εσωτερικό του αντιδραστήρα μπορεί να ελεγχθεί εύκολα και γενικά επιτυγχάνεται μία γρήγορη μετάδοση θερμότητας στα σωματίδια βιομάζας χάρη στην έντονη ανάμιξή τους με τα σωματίδια του μέσου πλήρωσης του αντιδραστήρα - συνήθως κεραμική άμμος. Τα σωματίδια βιομάζας που εισέρχονται στον αντιδραστήρα θα πρέπει να έχουν μικρό μέγεθος ( 2 3 mm ) έτσι ώστε να εξασφαλίζονται υψηλοί ρυθμοί μετάδοσης θερμότητας. Στην εικόνα 4.2 παρουσιάζεται μία διάταξη πυρόλυσης με αντιδραστήρα αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης. Η βιομάζα εισέρχεται στον αντιδραστήρα όπου ερχόμενη σε επαφή με τη θερμή άμμο, πυρολύεται παράγοντας αέρια πυρόλυσης και στερεά εξανθρακώματα. Τα προϊόντα πυρόλυσης απομακρύνονται όσο γίνεται πιο γρήγορα από τον αντιδραστήρα πυρόλυσης και οδηγούνται σε ένα κυκλώνα για το διαχωρισμό στερεών και αερίων συστατικών. Τα αέρια προϊόντα που προκύπτουν οδηγούνται σε ένα συμπυκνωτή όπου και παράγεται έλαιο πυρόλυσης από τις αέριες ποσότητες που μπορούν να συμπυκνωθούν. Οι αέριες ποσότητες που δε μπορούν να συμπυκνωθούν καθώς και τα στερεά εξανθρακώματα οδηγούνται σε ένα θάλαμο καύσης. Μέρος από τα θερμά καυσαέρια που παράγονται οδηγούνται στον αντιδραστήρα πυρόλυσης. Δηλαδή τα θερμά καυσαέρια είναι το μέσο ρευστοποίησης της κλίνης αλλά και το μέσο μεταφοράς της αναγκαίας για την πυρόλυση της βιομάζας θερμότητας. [82, 84]

212 Εικόνα 4.3: Αντιδραστήρας πυρόλυσης βιομάζας τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης Όπως φαίνεται και στην εικόνα 4.3 η θερμοκρασία μέσα σε ένα τυπικό αντιδραστήρα πυρόλυσης κυμαίνεται από 500 ο C στο χώρο όπου λαμβάνει χώρα η πυρόλυση της βιομάζας μέσα στη ρευστοποιημένη κλίνη και φθάνει τους 400 ο C στον ελεύθερο χώρο πάνω από την κοχλάζουσα άμμο. Παρατηρούμε ότι ο χρόνος παραμονής των αερίων προϊόντων μέσα στον αντιδραστήρα είναι γύρω στα 2 sec ενώ ο χρόνος παραμονής των στερεών εξανθρακωμάτων είναι μεγαλύτερος (3-8 sec). Ο χρόνος παραμονής ρυθμίζεται από την παροχή του μέσου ρευστοποίησης. Έχει πολύ μεγάλη σημασία για την παραγωγή του ελαίου πυρόλυσης η ελαχιστοποίηση του χρόνου παραμονής των εξανθρακωμάτων μέσα στον αντιδραστήρα και ο γρήγορος διαχωρισμός τους από τη ροή των αερίων πυρόλυσης.[89] Βασικό μειονέκτημα αυτής της μεθόδου πυρόλυσης είναι ότι χρησιμοποιεί τα καυσαέρια ως μέσο μεταφοράς θερμότητας. Αυτό έχει ως συνέπεια τα καυσαέρια να αποτελούν μέρος των αερίων που εγκαταλείπουν τον αντιδραστήρα πυρόλυσης αυξάνοντας έτσι τη ροή μάζας. Με αυτόν τον τρόπο είναι απαραίτητη η υπερδιαστασιολόγηση του εξοπλισμού για τη διαχείριση αυτής της αυξημένης ροής μάζας ανεβάζοντας έτσι το κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας της μονάδας. Στην εικόνα 4.4 φαίνεται η πειραματική διάταξη πυρόλυσης που κατασκεύασε το ερευνητικό κέντρο VTT της Φιλανδίας το Ο αντιδραστήρας της συγκεκριμένης διάταξης θερμαίνεται εξωτερικά με ηλεκτρικές αντιστάσεις ενώ η παροχή της βιομάζας είναι 1 kg/h. Ως μέσο ρευστοποίησης της κλίνης χρησιμοποιείται το αδρανές αέριο άζωτο. Η συγκεκριμένη διάταξη έχει δύο συμπυκνωτήρες. Ο πρώτος απορροφά τη θερμότητα από τα αέρια πυρόλυσης χρησιμοποιώντας νερό και ο δεύτερος χρησιμοποιώντας γλυκόλη. Επίσης μεταξύ των δύο συμπυκνωτών υπάρχει και ένας ηλεκτροστατικό φίλτρο για την απομάκρυνση των στερεών σωματιδίων που έχουν φθάσει έως εκεί. [88] 1 Αντιδραστήρας BFB 2 Κυκλώνας 3 Συμπυκνωτής (νερό) 4 Ηλεκτροστατικό φίλτρο 5 Συμπυκνωτής (γλυκόλη) 6 Ροόμετρο 7 Αναλυτής αερίων Εικόνα 4.4: Πειραματική διάταξη πυρόλυσης τύπου αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης

213 4.5.2 Αντιδραστήρες πυρόλυσης κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης (Circulating fluidized bed reactor ) Εικόνα 4.5: Αντιδραστήρας πυρόλυσης τύπου κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης Στην εικόνα 4.5 απεικονίζεται ένας αντιδραστήρας πυρόλυσης τύπου κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης. Αποτελείται από δύο ξεχωριστούς αντιδραστήρες ρευστοποιημένης κλίνης οι οποίοι επικοινωνούν μεταξύ τους. Στα αριστερά εμφανίζεται ο αντιδραστήρας πυρόλυσης ενώ στα δεξιά ο αντιδραστήρας καύσης. Βασικό χαρακτηριστικό ενός αντιδραστήρα πυρόλυσης κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης, είναι η υψηλή ταχύτητα ροής του μέσου ρευστοποίησης που οδηγεί σε διόγκωση της κλίνης και σε υψηλή ταχύτητα ροής των προϊόντων της πυρόλυσης δηλαδή των αερίων πυρόλυσης και των στερεών εξανθρακωμάτων. Από τον αντιδραστήρα πυρόλυσης εξέρχονται με μεγάλη ταχύτητα καυσαέρια, αέρια πυρόλυσης, στερεά εξανθρακώματα και σωματίδια του μέσου πλήρωσης τα οποία οδηγούνται σε ένα κυκλώνα διαχωρισμού με συνέπεια τα στερεά εξανθρακώματα και όσα σωματίδια του μέσου πλήρωσης έχουν παρασυρθεί, να οδηγούνται στον δεξιό αντιδραστήρα ρευστοποιημένης κλίνης όπου και πραγματοποιείται η καύση των στερεών εξανθρακωμάτων. Από την καύση παράγεται θερμότητα η οποία ανεβάζει τη θερμοκρασία των σωματιδίων του μέσου πλήρωσης. Τα σωματίδια αυτά, μετακινούνται προς τον αντιδραστήρα πυρόλυσης παρέχοντας την απαιτούμενη θερμότητα για την πυρόλυση της εισερχόμενης βιομάζας. Από την καύση των εξανθρακωμάτων παράγονται επίσης καυσαέρια ένα μέρος από τα οποία απομακρύνεται από τη διάταξη και το υπόλοιπο μέρος οδηγείται στον αντιδραστήρα πυρόλυσης όπου και χρησιμεύει ως μέσο ρευστοποίησης της κλίνης. Στους αντιδραστήρες πυρόλυσης κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης, λόγω των υψηλών ταχυτήτων ροής τα στερεά εξανθρακώματα έχουν σχεδόν τον ίδιο χρόνο παραμονής μέσα στον αντιδραστήρα με τα αέρια πυρόλυσης, ο οποίος χρόνος είναι σαφώς μικρότερος εν συγκρίσει με τους αντιδραστήρες αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης της προηγούμενης περιγραφής. Επίσης για τον ίδιο λόγο, εμφανίζονται μεγαλύτερες συγκεντρώσεις εξανθρακωμάτων στο παραγόμενο έλαιο πυρόλυσης. Η υψηλή ταχύτητα ροής και η αποτελεσματική ανάμιξη του περιεχομένου του αντιδραστήρα δίνουν την ικανότητα στις συγκεκριμένες διατάξεις να διαχειριστούν μεγάλες παροχές βιομάζας. Η θερμοκρασία μέσα στον αντιδραστήρα μπορεί να ελεγχθεί σχετικά εύκολα και γενικά επιτυγχάνεται μία ομοιόμορφη θερμοκρασία κατά μήκος του αντιδραστήρα. Τέλος, οι συγκεκριμένοι αντιδραστήρες λόγω των μεγάλων ταχυτήτων ροής μπορούν να διαχειρισθούν είδη βιομάζας τα οποία δε ρευστοποιούνται εύκολα

214 4.5.3 Αντιδραστήρες πυρόλυσης κενού ( Vacuum reactors ) Εικόνα 4.6: Αντιδραστήρας πυρόλυσης κενού Κατά την πυρόλυση βιομάζας σε αντιδραστήρες κενού συμβαίνει θερμική αποδόμηση της βιομάζας σε σχετικά μικρές θερμοκρασίες 350 ο C 520 ο C και σε συνθήκες μειωμένης πίεσης 0,15 0,2 atm. Το περιβάλλον μειωμένης πίεσης ευνοεί τη μετατροπή της στερεής βιομάζας σε ατμούς και αέρια επιτρέποντας τη χρήση σωματιδίων βιομάζας μεγαλύτερου μεγέθους από τις υπόλοιπες διατάξεις (2-5 cm). Αυτό το περιβάλλον μειωμένης πίεσης επιτυγχάνεται με τη λειτουργία μίας αντλίας κενού η οποία αναρροφά τα παραγόμενα αέρια πυρόλυσης ώστε να εξέρθουν του αντιδραστήρα. Έτσι προκύπτει μικρός χρόνος παραμονής των αερίων πυρόλυσης μέσα στον αντιδραστήρα που έχει ως συνέπεια να περιορίζεται σημαντικά ο σχηματισμός στερεών εξανθρακωμάτων και οι αντιδράσεις διάσπασης των μορίων σε μικρότερα που δε γίνεται να συμπυκνωθούν στα επόμενα στάδια της διάταξης. Γενικά, η μείωση του χρόνου παραμονής των αερίων πυρόλυσης μέσα στον αντιδραστήρα αυξάνει την παραγωγή του ελαίου πυρόλυσης. Επίσης το έλαιο πυρόλυσης που προκύπτει είναι καλύτερης ποιότητας διότι η χημική δομή των μορίων του παρουσιάζουν μεγαλύτερες ομοιότητες με τη χημική δομή των σύνθετων μορίων της αρχικής βιομάζας. Ακόμη το έλαιο πυρόλυσης που παράγεται έχει πολύ μικρές προσμίξεις σε στερεά σωματίδια τέφρας χωρίς να χρειάζεται τα υψηλής θερμοκρασίας αέρια πυρόλυσης να διέρθουν μέσα από φίλτρα καθαρισμού, ενώ μπορεί να χρησιμοποιηθεί και από τη χημική βιομηχανία. Η μέθοδος της πυρόλυσης σε μειωμένη πίεση μπορεί να χαρακτηρισθεί από σαφώς χαμηλότερους ρυθμούς μετάδοσης θερμότητας προς τη βιομάζα σε σχέση με τις μεθόδους γρήγορης πυρόλυσης. Αυτό έχει ως συνέπεια να χρειάζεται περισσότερος χρόνος παραμονής της βιομάζας μέσα στον αντιδραστήρα προκειμένου να εξαχθούν τα προϊόντα της πυρόλυσης από τη βιομάζα που αποδομείται. [82, 84, 85] Έχουν κατασκευαστεί διάφορες διατάξεις όπου γίνεται εφαρμογή της πυρόλυσης σε συνθήκες κενού. Στο παραπάνω σχήμα παρουσιάζεται ένας αντιδραστήρας πυρόλυσης βιομάζας οποίος αποτελείται από μεταλλικές επιφάνειες σε σχήμα δακτυλίου στερεωμένες πάνω σε έναν άξονα που περιστρέφεται και σε κάποια απόσταση μεταξύ τους. Πάνω στους δίσκους υπάρχουν κατασκευαστικές διαμορφώσεις οι οποίες καθώς το σύστημα περιστρέφεται προωθούν τη βιομάζα προς τα όρια τους με αποτέλεσμα η βιομάζα να πέφτει από τους άνω δίσκους προς τους κάτω έτσι ώστε στον πάτο του αντιδραστήρα να καταλήγουν μόνο στερεά εξανθρακώματα που μπορούν να απομακρυνθούν σχετικά εύκολα. Η θερμότητα που απαιτεί ο αντιδραστήρας είναι δυνατό να παρέχεται με διάφορους τρόπους. Στη συγκεκριμένη διάταξη θερμό ρευστό διέρχεται από το εσωτερικό του κεντρικού άξονα και

215 από το εσωτερικό όλων των επιφανειών - δίσκων. Όπως φαίνεται και στην εικόνα 4.6 στο πάνω μέρος του αντιδραστήρα η θερμοκρασία είναι χαμηλότερη ενώ όσο η βιομάζα μετακινείται προς το κάτω μέρος του αντιδραστήρα η θερμοκρασία αυξάνεται. Με αυτόν τον τρόπο η βιομάζα διέρχεται από ένα αρχικό στάδιο ξήρανσης και στη συνέχεια από το στάδιο της πυρόλυσης. Η συγκεκριμένη μέθοδος παρουσιάζει ως βασικό μειονέκτημα τη δυσκολία δημιουργίας μεγάλων μονάδων καθώς το κόστος των αντλιών κενού που χρειάζονται είναι μεγάλο. Επίσης, η απόθεση ακαθαρσιών στο εσωτερικό της αντλίας κενού αποτελεί ακόμη ένα μειονέκτημα της παραπάνω διάταξης που ίσως με ένα σωστό σχεδιασμό να μπορεί να αποφεύγεται. Γενικά με αυτή τη μέθοδο επιτυγχάνεται μία μέτρια δυνατότητα μετατροπής της αρχικής βιομάζας σε έλαιο πυρόλυσης που κυμαίνεται από % του αρχικού βάρους ενώ για παράδειγμα με την πυρόλυση σε ρευστοποιημένες κλίνες μπορούμε να επιτύχουμε μία παραγωγή ελαίου πυρόλυσης έως και 70 % του αρχικού βάρους της βιομάζας. Τέλος η περιεκτικότητα σε νερό του ελαίου πυρόλυσης που παράγεται είναι μεγαλύτερη των προηγούμενων μεθόδων. Στην εικόνα 4.7 παρουσιάζεται μία πειραματική διάταξη πυρόλυσης σε αντιδραστήρα κενού. Η αναγκαία θερμότητα παρέχεται θερμαίνοντας ομοιόμορφα τον αντιδραστήρα με ηλεκτρισμό ενώ βλέπουμε ότι υπάρχει και μία κλασματοποίηση του παραγόμενου ελαίου πυρόλυσης. [90] Εικόνα 4.7: Πειραματική διάταξη πυρόλυσης σε αντιδραστήρα κενού

216 Αντιδραστήρες πυρόλυσης περιστρεφόμενου κώνου ( rotating cone reactors ) Εικόνα 4.8: Αντιδραστήρας πυρόλυσης τύπου περιστρεφόμενου κώνου Ο συγκεκριμένος αντιδραστήρας πυρόλυσης θα μπορούσε να θεωρηθεί μία παραλλαγή κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης. Βασικό στοιχείο αυτού του αντιδραστήρα είναι ένας περιστρεφόμενος κώνος που στη συγκεκριμένη περίπτωση βρίσκεται βυθισμένος μέσα σε μία αναβράζουσα ρευστοποιημένη κλίνη. Στη βάση του κώνου, στο εσωτερικό του, οδηγούνται μέσω δύο διαφορετικών αγωγών μικρά σωματίδια βιομάζας θερμοκρασίας περιβάλλοντος και σωματίδια υλικού πλήρωσης υψηλής θερμοκρασίας. Η βιομάζα πρέπει να είναι κονιοποιημένη και συνήθως χρησιμοποιείται ξυλώδης βιομάζα ή φλοιοί ρυζιού. Η περιστροφική κίνηση του κώνου ( ο οποίος περιστρέφεται με μία ταχύτητα rpm ) αναμιγνύει τα σωματίδια που λόγω φυγόκεντρου δύναμης αυτά προωθούνται προς το άνω χείλος των τοιχωμάτων του κώνου και στη συνέχεια εκτοξεύονται μέσα στη δεξαμενή της αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης. Ο χρόνος παραμονής των σωματιδίων μέσα στον περιστρεφόμενο κώνο είναι περίπου 0,5 sec. Τα σωματίδια βιομάζας μόλις έρθουν σε επαφή με τη θερμό υλικό πλήρωσης ( άμμος ) πυρολύονται και μετατρέπονται σε αέρια πυρόλυσης και στερεά εξανθρακώματα. Τα αέρια πυρόλυσης εγκαταλείπουν τη διάταξη και οδηγούνται προς συμπύκνωση μέσω ενός αγωγού ενώ τα στερεά εξανθρακώματα καίγονται μέσα στην αναβράζουσα ρευστοποιημένη κλίνη. Ο αναγκαίος αέρας για την καύση των εξανθρακωμάτων, που είναι παράλληλα και το μέσο ρευστοποίησης της κλίνης, εισέρχεται από το κάτω μέρος της δεξαμενής ενώ τα καυσαέρια που παράγονται εγκαταλείπουν τη διάταξη μέσω ενός αγωγού στο πάνω μέρος της δεξαμενής. Η θερμότητα που εκλύεται από την καύση των εξανθρακωμάτων ανεβάζει τη θερμοκρασία του υλικού πλήρωσης. Στα αριστερά της διάταξης υπάρχει ένας αγωγός ο οποίος με τη βοήθεια πεπιεσμένου αέρα μεταφέρει το υλικό πλήρωσης από τη δεξαμενή στη βάση του περιστρεφόμενου κώνου. Ο διαχωρισμός του αέρα από το υλικό πλήρωσης γίνεται χάρη σε ένα κυκλώνα, που στη συγκεκριμένη σχηματική απεικόνιση δε φαίνεται, έτσι ώστε στη βάση του κώνου να μη φθάνει αέρας αλλά μόνο μέσο πλήρωσης υψηλής θερμοκρασίας. Το σημαντικότερο πλεονέκτημα αυτής της διάταξης είναι ότι από τον περιστρεφόμενο κώνο όπου γίνεται η πυρόλυση της βιομάζας λαμβάνουμε μόνο αέρια πυρόλυσης χωρίς αυτά να είναι αναμιγμένα με αέρα ή καυσαέρια. Έτσι, η ανάκτηση του ελαίου πυρόλυσης είναι ευκολότερη ενώ και η διάταξη που χρειάζεται για τη μεταφορά των αερίων είναι μικρότερη. Γενικά, στον αντιδραστήρα περιστρεφόμενου κώνου μπορούν να επιτευχθούν υψηλοί ρυθμοί μετάδοσης θερμότητας προς τη βιομάζα (5000 Κ/sec) και μικροί χρόνοι παραμονής των αερίων πυρόλυσης μέσα στον αντιδραστήρα (0,3 sec). Το χρόνο

217 παραμονής των αερίων πυρόλυσης μέσα στον αντιδραστήρα μπορούμε να τον καθορίσουμε αυξομειώνοντας το διαθέσιμο χώρο που υπάρχει πάνω από τον περιστρεφόμενο κώνο. Όταν μειώνεται ο διαθέσιμος χώρος, μειώνεται και ο χρόνος παραμονής. Ο συγκεκριμένος αντιδραστήρας στοχεύει στη μεγιστοποίηση της παραγωγής ελαίου πυρόλυσης που μπορεί να φθάσει έως και το 70 % του αρχικού βάρους της βιομάζας. Το βάρος των στερεών εξανθρακωμάτων που παράγονται μέσα στον περιστρεφόμενο κώνο κυμαίνεται στο 15 % του αρχικού βάρους της βιομάζας, όπως και των αερίων που δε γίνεται να συμπυκνωθούν, περίπου στο 15 %. Το γεγονός ότι έχουμε έναν κώνο ο οποίος περιστρέφεται περιορίζει το μέγεθος της διάταξης σε συγκεκριμένα μεγέθη. [82, 83, 84]

218 4.5.5 Αντιδραστήρες πυρόλυσης με ασκούμενη πίεση επί της βιομάζας (ablative reactors) Εικόνα 4.9: Αντιδραστήρας πυρόλυσης με ασκούμενη πίεση επί της βιομάζας Σε αυτούς τους αντιδραστήρες πυρόλυση (ablative reactors) σε γενικές γραμμές γίνεται θερμική αποδόμηση της βιομάζας όταν αυτή προωθείται με υψηλή πίεση πάνω σε μία θερμή επιφάνεια ( 600 ο C ). Για παράδειγμα θα μπορούσε να θεωρηθεί όταν πάνω σε ένα τηγάνι προσπαθούμε να λιώσουμε ένα κομμάτι βούτυρο. Αν ταυτόχρονα πιέζουμε το βούτυρο πάνω στο θερμό τηγάνι τότε αυτό θα λιώσει πολύ πιο γρήγορα. Ανάλογη είναι και η συμπεριφορά της βιομάζας όταν αυτή πιέζεται πάνω σε μία θερμή επιφάνεια. Πάνω από το 85 % της βιομάζας λιώνει αρχικά σχηματίζοντας ένα φιλμ λαδιού το οποίο λιπαίνει την περιοχή για τα επόμενα σωματίδια βιομάζας και στη συνέχεια εξατμίζεται λόγω της υψηλής θερμοκρασίας της επιφάνειας. Τα αέρια πυρόλυσης στη συνέχεια συγκεντρώνονται και ψύχονται ώστε να παραχθεί το έλαιο πυρόλυσης. Αυτή η μέθοδος διαφέρει σημαντικά από τις υπόλοιπες μεθόδους γρήγορης πυρόλυσης ( fast pyrolysis ) όπου η εξέλιξη των αντιδράσεων πυρόλυσης καθορίζεται από το ρυθμό μετάδοσης θερμότητας προς τα σωματίδια βιομάζας. Πράγμα που επιβάλει να χρησιμοποιούνται σωματίδια βιομάζας μικρού μεγέθους. Οι κύριοι παράγοντες που καθορίζουν την εξέλιξη της πυρόλυσης σε έναν αντιδραστήρα τύπου ablative reactor είναι η πίεση που ασκείται στη βιομάζα, η σχετική ταχύτητα της βιομάζας και η θερμοκρασία της θερμής επιφάνειας. [82, 84, 85] Στην εικόνα 4.10 παρουσιάζεται μία διάταξη πυρόλυσης με ασκούμενη πίεση επί της βιομάζας που κατασκευάστηκε και κατοχυρώθηκε με πατέντα από το πανεπιστήμιο του Aston (Birmingham, UK). Η διάταξη αποτελείται από δύο λεπίδες υπό κλίση οι οποίες περιστρέφονται σε μικρή απόσταση από μία θερμαινόμενη μεταλλική επιφάνεια. Τα τσιπς ξυλώδους βιομάζας καθώς εισέρχονται στη διάταξη παγιδεύονται ανάμεσα στις δύο επιφάνειες και κάτω υπό συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας και πίεσης λιώνουν παράγοντας στερεά εξανθρακώματα και αέριο πυρόλυσης τα οποία και οδηγούνται σε ένα κυκλώνα προς διαχωρισμό τους

219 Εικόνα 4.10: Αντιδραστήρας πυρόλυσης με ασκούμενη πίεση επί της βιομάζας Οι αντιδραστήρες πυρόλυσης με ασκούμενη πίεση επί της βιομάζας παρουσιάζουν τα παρακάτω πλεονεκτήματα : Το παραγόμενο έλαιο πυρόλυσης είναι εξίσου καλής ποιότητας με αυτό που παράγεται από άλλους αντιδραστήρες πυρόλυσης Η διάταξη πυρόλυσης καταλαμβάνει μικρό όγκο καθώς δε χρειάζεται η κυκλοφορία κάποιου αδρανούς αερίου. Η κατασκευή της διάταξης πυρόλυσης απαιτεί μικρό κεφάλαιο ενώ και το κόστος λειτουργίας της είναι περιορισμένο. Στη συγκεκριμένη διάταξη μπορούν να χρησιμοποιηθούν μεγαλύτερα σωματίδια βιομάζας (τσιπς ξύλου) έως 50 mm σε αντίθεση με τις υπόλοιπες μεθόδους όπου απαιτούν σωματίδια μεγέθους 3 mm. Το κόστος δηλαδή προετοιμασίας του καυσίμου είναι μειωμένο εν συγκρίσει με τις υπόλοιπες μεθόδους. Μεγάλη παροχή βιομάζας Στις προηγούμενες διατάξεις πυρόλυσης, (εικόνες 4.9 και 4.10) ασκείται πίεση στα τσιπς βιομάζας με μηχανικό τρόπο. Στην εικόνα 4.11 παρουσιάζεται μία διάταξη πυρόλυσης τύπου κυκλώνα όπου σωματίδια βιομάζας επιταχύνονται σε υπερηχητικές ταχύτητες μέσω ενός αδρανούς αερίου (άζωτο ή ατμός) και εκτοξεύονται εφαπτομενικά στο εσωτερικό ενός κυλίνδρου. Το αδρανές αέριο ακολουθεί σπειροειδή τροχιά ενώ τα σωματίδια βιομάζας λόγω φυγόκεντρων δυνάμεων που αναπτύσσονται προσκρούουν πάνω στα υψηλής θερμοκρασίας τοιχώματα του κυλίνδρου. Κατά την πρόσκρουση αναπτύσσονται υψηλές πιέσεις πάνω στα σωματίδια και αυτά πυρολύονται σχηματίζοντας στερεά εξανθρακώματα και αέρια πυρόλυσης. Η συγκεκριμένη διάταξη μπορεί να χρησιμοποιήσει σωματίδια βιομάζας έως και 20 mm. Η θερμοκρασία των τοιχωμάτων του αντιδραστήρα διατηρείται σταθερή στους 625 ο C από κάποια εξωτερική πηγή θερμότητας. Τα αέρια πυρόλυσης που παράγονται απομακρύνονται πολύ γρήγορα από τον αντιδραστήρα παρασυρόμενα από τη ροή του αδρανούς αερίου. Ο χρόνος παραμονής των αερίων πυρόλυσης μέσα στον αντιδραστήρα είναι 0,05-0,1 sec ενώ μπορεί να επιτευχθεί μία παραγωγή ελαίου πυρόλυσης % του αρχικού βάρους της βιομάζας

220 Εικόνα 4.11: Αντιδραστήρας πυρόλυσης με ασκούμενη πίεση επί της βιομάζας Στην πράξη, κρίθηκε αναγκαία η ενσωμάτωση ενός βρόγχου ανακύκλωσης των σωματιδίων βιομάζας που η πυρόλυσή τους δεν έχει ολοκληρωθεί. Έτσι, όπως φαίνεται και στην εικόνα 4.11, υπάρχει μία κυκλοφορία σωματιδίων από το κάτω μέρος του αντιδραστήρα προς το σύστημα εισαγωγής της βιομάζας προκειμένου να επανεισαχθούν μέσα στον αντιδραστήρα. Μόνο πολύ μικρά σωματίδια μπορούν να εγκαταλείψουν τον αντιδραστήρα παρασυρόμενα από τη ροή των αερίων για να γίνει ο διαχωρισμός τους στο κυκλώνα που ακολουθεί. Αυτός ο βρόγχος ανακύκλωσης μπορεί να διασφαλίσει ότι θα ολοκληρωθεί η πυρόλυση όλων των σωματιδίων βιομάζας. Όμως δε μπορεί να αποφευχθεί η ταυτόχρονη ανακύκλωση ορισμένης ποσότητας αερίων πυρόλυσης και η εισαγωγή τους εκ νέου μέσα στον αντιδραστήρα. Αυτή η ποσότητα των αερίων που ανακυκλώνεται, διασπάται λόγω αυξημένου χρόνου παραμονής μέσα στον αντιδραστήρα και έτσι παρατηρείται μείωση του παραγόμενου ελαίου πυρόλυσης. [84] Επίσης, η μεγάλη ορμή με την οποία τα σωματίδια προσκρούουν πάνω στα τοιχώματα του αντιδραστήρα προκαλεί τη διάβρωσή τους. Διάβρωση παρατηρείται και στο βρόγχο ανακύκλωσης. Το πρόβλημα της διάβρωσης επιδεινώνεται όταν μαζί με τα μικρά σωματίδια βιομάζας εισάγονται στον αντιδραστήρα και άλλα αδρανή υλικά, όπως μικρές πέτρες. Η αναγκαιότητα τα σωματίδια βιομάζας να έχουν υψηλές ταχύτητες παντού μέσα στον αντιδραστήρα περιορίζει το μέγεθος της εγκατάστασης που θα μπορούσε να κατασκευαστεί. Η μεγάλη ταχύτητα πρόσκρουσης των σωματιδίων πάνω στα θερμά τοιχώματα του αντιδραστήρα διασφαλίζει υψηλό ρυθμό αύξησης της θερμοκρασίας τους πράγμα απαραίτητο για την γρήγορη πυρόλυσή τους (fast pyrolysis). Γι αυτό το λόγο είναι αναγκαία η μεγάλη ταχύτητά τους. Για τους παραπάνω λόγους η ανάπτυξη των αντιδραστήρων πυρόλυσης τύπου κυκλώνα κρίθηκε ασύμφορη και διακόπηκε το

221 4.5.6 Αντιδραστήρες πυρόλυσης τύπου ατέρμονα κοχλία (auger reactors) Εικόνα 4.12: Διάταξη πυρόλυσης με αντιδραστήρα τύπου ατέρμονα κοχλία Οι συγκεκριμένοι αντιδραστήρες διακρίνονται για την απλότητα της κατασκευής τους και τα μειωμένα λειτουργικά έξοδά τους. Η ανάπτυξη αυτών των αντιδραστήρων βρίσκεται ακόμη σε πειραματικό επίπεδο και δεν έχουν χρησιμοποιηθεί σε μεγάλες μονάδες πυρόλυσης, φαίνεται όμως ότι θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν για την κατασκευή μικρών, κινητών μονάδων πυρόλυσης. Η αρχή λειτουργίας αυτού του αντιδραστήρα είναι η ανάμιξη μίας ροής λεπτόκοκκων σωματιδίων βιομάζας θερμοκρασίας περιβάλλοντος με μία ροή λεπτόκοκκων σωματιδίων ενός υλικού πλήρωσης υψηλής θερμοκρασίας και η προώθηση τους μέσα στον αντιδραστήρα χρησιμοποιώντας δύο συνεργαζόμενους ατέρμονες κοχλίες. Η ροή του υλικού πλήρωσης κατά την ανάμιξη προτείνεται να είναι 20 φορές μεγαλύτερη από τη ροή της βιομάζας. Τα σωματίδια βιομάζας καθώς έρχονται σε επαφή με τα σωματίδια του υλικού πλήρωσης, πυρολύονται παράγοντας στερεά εξανθρακώματα και αέρια πυρόλυσης. Κατά μήκος του αντιδραστήρα είναι τοποθετημένες βαλβίδες από τις οποίες τα αέρια πυρόλυσης εξέρχονται προκειμένου να οδηγηθούν προς συμπύκνωση. Τα στερεά εξανθρακώματα μαζί με το υλικό πλήρωσης συλλέγονται από την έξοδο του αντιδραστήρα πυρόλυσης και προωθούνται σε ένα ξεχωριστό αντιδραστήρα ρευστοποιημένης κλίνης προκειμένου να γίνει η καύση των εξανθρακωμάτων και η εκ νέου θέρμανση του υλικού πλήρωσης. Στο σχήμα 4.13 απεικονίζεται το σχέδιο του εξωτερικού περιβλήματος ενός πειραματικού αντιδραστήρα που κατασκευάστηκε το 2009 από το πανεπιστήμιο Iowa (USA). Οι διαστάσεις είναι σε ίντσες. [82,84] Εικόνα 4.13: Εξωτερικό περίβλημα αντιδραστήρα πυρόλυσης τύπου ατέρμονα κοχλία

222 4.5.7 Αντιδραστήρες πυρόλυσης εξαναγκασμένης ροής (entrained flow reactors) Εικόνα 4.14: Αντιδραστήρας πυρόλυσης εξαναγκασμένης ροής Στην εικόνα 4.14 παρουσιάζεται με απλό τρόπο η πειραματική διάταξη πυρόλυσης εξαναγκασμένης ροής η οποία μελετήθηκε το 1990 από το πολυτεχνείο της Τζώρτζια (Georgia Institute of Technology, Atlanta, USA). Ο συγκεκριμένος, πειραματικός αντιδραστήρας πυρόλυσης έχει κυλινδρική μορφή με εσωτερική διάμετρο 0,15 m και συνολικό ύψος 6,4 m. Στη βάση του αντιδραστήρα εισάγεται προπάνιο και αέρας με στοιχειομετρική αναλογία ώστε να πραγματοποιηθεί η καύση του προπανίου. Σε ένα ορισμένο ύψος είναι τοποθετημένο το σύστημα εισαγωγής των μικρόκοκκων σωματιδίων βιομάζας. Τα θερμά καυσαέρια που παράγονται οδεύουν προς τα πάνω παρασύροντας και παρέχοντας την απαιτούμενη θερμική ενάργεια για την πυρόλυση των σωματιδίων βιομάζας. Για τη λειτουργία του αντιδραστήρα θα πρέπει η ροή μάζας των καυσαερίων να είναι 4 φορές μεγαλύτερη από τη ροή μάζας της βιομάζας. Στο εσωτερικό του αντιδραστήρα η θερμοκρασία είναι στους 900 ο C και η πίεση 1 atm. Το σημαντικότερο μειονέκτημα αυτού του αντιδραστήρα είναι ότι χρειάζεται για τη λειτουργία του μεγάλη ροή καυσαερίων. [83]

223 4.6 Συγκριτικοί πίνακες αντιδραστήρων γρήγορης πυρόλυσης BFB: Bubbling fluidized bed reactor Αντιδραστήρες αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης CFB: Circulating fluidized bed reactor Αντιδραστήρες κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης Vac: Vacuum reactors Αντιδραστήρες πυρόλυσης κενού Rot: Rotating cone reactors Αντιδραστήρες πυρόλυσης περιστρεφόμενου κώνου Abl: Ablative reactors Αντιδραστήρες με εφαρμοζόμενη πίεση επί της βιομάζας Aug: Auger reactors Αντιδραστήρες τύπου ατέρμονα κοχλία Ent: Entrained flow reactors Αντιδραστήρες εξαναγκασμένης ροής Επιθυμητό χαρακτηριστικό Μέτριο χαρακτηριστικό Μη επιθυμητό χαρακτηριστικό Πίνακας 4.7: Σύγκριση αντιδραστήρων γρήγορης πυρόλυσης [87] BFB CFB Κατάσταση Επιχειρηματικά Αξιοποιήσιμη (2t/h 20t/h) Επιχειρηματικά Αξιοποιήσιμη (2t/h 20t/h) Παραγωγή ελαίου πυρόλυσης % του αρχικού βάρους βιομάζας Πολυπλοκότητα 75% κ.β Μέτρια Υψηλή 75% κ.β Υψηλή Υψηλή Vac 60% κ.β Υψηλή Χαμηλή Rot Επίδειξης 70% κ.β Υψηλή Υψηλή (200kg/h- 2t/h) Abl Εργαστηρίου 75% κ.β Υψηλή Χαμηλή (1kg/h 20kg/h) Aug Πρωτότυπο 60% κ.β Μέτρια Μέτρια (20kg/h -200kg/h) Ent Εργαστηρίου (1kg/h 20kg/h) 60% κ.β Μέτρια Υψηλή Προδιαγραφές στο μέγεθος των σωματιδίων βιομάζας Πίνακας 4.8: Σύγκριση αντιδραστήρων γρήγορης πυρόλυσης [87] Απαιτήσεις σε αδρανές αέριο Μέγεθος αντιδραστήρα Κλιμάκωση προς μεγαλύτερες μονάδες Ποιότητα παραγόμενου αερίου πυρόλυσης BFB Υψηλές Μέτριο Εύκολη Χαμηλή CFB Υψηλές Μέτριο Εύκολη Χαμηλή Vac Χαμηλές Μεγάλο Δύσκολη Μέτρια Rot Χαμηλές Μικρό Μέτρια Υψηλή Abl Χαμηλές Μικρό Δύσκολη Υψηλή Aug Χαμηλές Μικρό Μέτρια Υψηλή Ent Υψηλές Μέτριο Εύκολη Χαμηλή

224 Στον πίνακα 4.9 συγκρίνονται οι αντιδραστήρες τεχνολογίες γρήγορης πυρόλυσης μεταξύ τους ως προς την οικονομική τους ελκυστικότητα ( κάθετος άξονας ) και το βαθμό της αξιοπιστίας τους (οριζόντιος άξονας). [85] Πίνακας 4.9: Σύγκριση τεχνολογιών γρήγορης πυρόλυσης

225 4.7 Παραδείγματα σύγχρονων μονάδων πυρόλυσης βιομάζας

226 4.7.1 Μονάδα Συμπαραγωγής Ηλεκτρισμού Θερμότητας : West Lorne Πίνακας 4.10: Γενικά χαρακτηριστικά μονάδας πυρόλυσης Χώρα εγκατάστασης Καναδάς ( West Lorne ) Έτος έναρξης λειτουργίας 2007 Μέθοδος ενεργειακής αξιοποίησης Πυρόλυση σε αντιδραστήρα αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης Μηχανή παραγωγής ισχύος Αεριοστρόβιλος Ισχύς ηλεκτρική 2,5 ΜW el Παραγωγή θερμότητας 12 m 3 /h (σε μορφή ατμού) Βαθμός απόδοσης 70 % κ.β. Καύσιμο Απόβλητη ξυλώδης βιομάζα Ιδιοκτήτης DynaMotive Energy Systems Corp Κόστος κατασκευής CAD $ Επιδότηση CAD $ (SDTC) Sustainable Develpoment Technology Canada Ανάδοχος έργου DynaMotive Energy Systems Corp

227 Λειτουργία μονάδας πυρόλυσης Τον Απρίλιο του 2005 η καναδική εταιρία DynaMotive ολοκλήρωσε την κατασκευή της μονάδας πυρόλυσης βιομάζας που βρίσκεται στο χωριό West Lorne των κατοίκων στην περιοχή West Elgin, Ontario στα νοτιοανατολικά του Καναδά. Η συγκεκριμένη μονάδα είναι η πρώτη μονάδα συμπαραγωγής θερμότητας ηλεκτρισμού που κατασκευάστηκε παγκοσμίως η οποία ως καύσιμο χρησιμοποιεί έλαιο πυρόλυσης από βιομάζα. Η κατασκευή της μονάδας κόστισε καναδικά δολάρια ( ενώ αρχικά το κόστος της υπολογιζόταν σε ) και επιδοτήθηκε με καναδικά δολάρια από το ταμείο του SDTC (Sustainable Develpoment Technology Canada). Ένα ίδρυμα που ιδρύθηκε από την κυβέρνηση του Καναδά προς ενίσχυση τεχνολογιών φιλικών προς το περιβάλλον. Η μονάδα σε πρώτη φάση, ήταν σε θέση να επεξεργαστεί 100 τόνους τη μέρα ξυλώδους βιομάζας παράγοντας 70 τόνους ελαίου πυρόλυσης, 20 τόνους στερεών εξανθρακωμάτων και 10 τόνους αερίων πυρόλυσης. Η μονάδα πυρόλυσης είναι εγκατεστημένη παρακείμενα ενός εργοστασίου κατασκευής σανίδων παρκέ για εσωτερικούς χώρους κατοικιών. Το εργοστάσιο ανήκει στην εταιρία Erie Flooring και απασχολεί 180 εργαζόμενους. Πριν την κατασκευή της μονάδας πυρόλυσης, η απορριπτόμενη ξυλεία από την παραγωγική διαδικασία του εργοστασίου οδηγούταν σε δύο κλίβανους όπου και καιγόταν για την παραγωγή ατμού. Ο ατμός είναι απαραίτητος στο εργοστάσιο ως πηγή θερμότητας για τη ξήρανση της ξυλείας που επεξεργάζεται. Μετά τη δημιουργία της μονάδας πυρόλυσης υπογράφηκε συμφωνία βάσει της οποίας το εργοστάσιο θα τροφοδοτούσε με απορριπτόμενη ξυλεία τη μονάδα πυρόλυσης και αντιστρόφως η μονάδα πυρόλυσης θα τροφοδοτούσε το εργοστάσιο με ηλεκτρισμό και ατμό (12 m 3 /h). Το 2007 η DynaMotive υπέγραψε συμφωνία με εταιρία ηλεκτρισμού του Ontario ώστε να τροφοδοτεί το δίκτυο για τουλάχιστον 20 χρόνια με ηλεκτρική ισχύ 2,5 MW el με τιμή 11 cents για κάθε kwh. Η ηλεκτρική ισχύ παράγεται από ένα αεριοστρόβιλο της εταιρίας Magellan Aerospace η οποία τροφοδοτείται με 48 τόνους ελαίου πυρόλυσης ημερησίως. Μία συμφωνία έχει επίσης υπογραφή με μία άλλη εταιρία η οποία θα παραλαμβάνει όσο έλαιο πυρόλυσης δε χρησιμοποιείται στον αεριοστρόβιλο και τα 2/3 της ποσότητας στερεών εξανθρακωμάτων που παράγονται από την πυρόλυση. Το Μάρτιο του 2008 η μονάδα αναβαθμίστηκε και εκσυγχρονίστηκε ώστε να μπορεί να δέχεται 130 τόνους τη μέρα ξυλώδους βιομάζας. Με βάση όλες τις προαναφερόμενες συμφωνίες, τα έσοδα της μονάδας πυρόλυσης πριν την έναρξη λειτουργίας της υπολογιζόταν σε περίπου καναδικά δολάρια ετησίως (σύμφωνα με τα δεδομένα του 2007). [91] Καύσιμο Ως καύσιμο χρησιμοποιείται απορριπτόμενη ξυλώδης βιομάζα από το γειτονικό εργοστάσιο κατασκευής σανίδων παρκέ, Erie Flooring. Γενικά, η βιομάζα που απορρίπτεται από τέτοια εργοστάσια είναι υψηλής ποιότητας

228 Παραγωγή ενέργειας Εικόνα 4.15: Διάταξη πυρόλυσης με αντιδραστήρα αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης της εταιρίας DynaMotive Στην εικόνα 4.15 παρουσιάζεται η διάταξη πυρόλυσης με αντιδραστήρα αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης που έχει αναπτυχθεί και κατοχυρωθεί ως πατέντα από την εταιρία DynaMotive. Ο παραπάνω αντιδραστήρας μπορεί να δεχθεί ως καύσιμο ξυλώδη βιομάζα όπως πριονίδια ροκανίδια, δασικά υπολείμματα, γεωργικά απόβλητα όπως άχυρο σίτου και βαγάσση κ.ά. Η βιομάζα αφού διέλθει από μία διάταξη ξήρανσης ώστε η υγρασία της να περιοριστεί σε λιγότερο από 10 %, θρυμματίζεται ώστε δημιουργηθούν κομματάκια βιομάζας 1-2 mm το πολύ έως 6 mm. Μέσα στον αντιδραστήρα δεν υπάρχουν ποσότητες οξυγόνου ενώ επικρατεί μία θερμοκρασία ο C σχετικά χαμηλή δηλαδή για αντιδραστήρα fast pyrolysis ανεβάζοντας με αυτόν τον τρόπο το συνολικό βαθμό απόδοσης της διάταξης. Καθώς προωθούνται τα κομματάκια βιομάζας στο εσωτερικό της αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης, πυρολύονται παράγοντας αέριες ποσότητες που μπορούν να συμπυκνωθούν, αέριες ποσότητες που δε μπορούν να συμπυκνωθούν και σωματίδια στερεών εξανθρακώματων. [93]

229 Όλα αυτά τα προϊόντα της πυρόλυσης παρασύρονται από το ανοδικό ρεύμα του μέσου ρευστοποίησης και εγκαταλείπουν τον αντιδραστήρα. Ο χρόνος παραμονής τους μέσα στον αντιδραστήρα ρυθμίζεται από την ταχύτητα ροής του μέσου ρευστοποίησης. Στη συνέχεια διέρχονται από ένα κυκλώνα μέσω του οποίου διαχωρίζονται από την αέρια ροή τα σωματίδια στερεών εξανθρακώματων και υλικού πλήρωσης που έχουν παρασυρθεί. Μετά από τον κυκλώνα τα αέρια πυρόλυσης εισέρχονται σε μία διάταξη πλύσης μέσα στην οποία συμπυκνώνονται οι ποσότητες του αερίου πυρόλυσης που μπορούν να συμπυκνωθούν παράγοντας το έλαιο πυρόλυσης το οποίο είναι και το κύριο προϊόν της διάταξης πυρόλυσης. Ως μέσο για τη ψύξη των αερίων πυρόλυσης χρησιμοποιείται έλαιο πυρόλυσης χαμηλότερης θερμοκρασίας που έχει παραχθεί και επανακυκλοφορεί. Από τη στιγμή που θα σχηματιστούν τα αέρια πυρόλυσης μέσα στον αντιδραστήρα έως ότου συμπυκνωθούν προς σχηματισμό του ελαίου πυρόλυσης, χρειάζονται μόλις 2 sec. Τα σωματίδια στερεών εξανθρακωμάτων έχουν βέβαια σημαντικά μεγαλύτερο χρόνο παραμονής μέσα στον αντιδραστήρα από τα αέρια πυρόλυσης. Αυτά τα σωματίδια, σε αυτές τις θερμοκρασίες, λειτουργούν ως πολύ αποτελεσματικοί καταλύτες στην διάσπαση των μεγάλων μορίων σε μικρότερα μειώνοντας με αυτόν τον τρόπο την παραγωγή ελαίου πυρόλυσης. Γι αυτό το λόγο έχει μεγάλη σημασία η γρήγορη απομάκρυνσή τους από τον αντιδραστήρα και ο αποτελεσματικός διαχωρισμός τους από τη ροή των αερίων πυρόλυσης. Τα αέρια συστατικά του αερίου πυρόλυσης που δε γίνεται να συμπυκνωθούν οδηγούνται στον αντιδραστήρα πυρόλυσης. Μία ποσότητα εξ αυτών καίγεται σε καυστήρα ώστε να παραχθεί η αναγκαία για τη διεργασία της πυρόλυσης θερμότητα χωρίς τα καυσαέρια της καύσης να εισέρχονται μέσα στον αντιδραστήρα. Το υπόλοιπο μέρος των αερίων οδηγείται στο κάτω μέρος του αντιδραστήρα πυρόλυσης και εισέρχονται στο εσωτερικό του μέσω ενός διανομέα (distributor) δημιουργώντας με αυτόν τον τρόπο την αναβράζουσα ρευστοποιημένη κλίνη. Από την πυρόλυση της βιομάζας στον αντιδραστήρα της εταιρίας DynaMotive παράγεται έλαιο πυρόλυσης που είναι και το προϊόν στο οποίο στοχεύει η διαδικασία (60 75 % κατά βάρος), στερεά εξανθρακώματα (15 25 % κ.β.) και αέρια πυρόλυσης που δε γίνεται να συμπυκνωθούν στη διάταξη (10 20 % κ.β.). Οι διακυμάνσεις στα ποσοστά των παραγόμενων προϊόντων εξαρτώνται από το είδος της βιομάζας που εισάγεται στον αντιδραστήρα. Τα αέρια που δε συμπυκνώνονται οδηγούνται προς καύση στον καυστήρα παρέχοντας το 75 % της απαιτούμενης ενέργειας για τη διεργασία της πυρόλυσης. Η πυκνότητα του ελαίου πυρόλυσης είναι υψηλή, περίπου 1,2 kg/lit. Όσο αναφορά το ενεργειακό περιεχόμενο του ελαίου πυρόλυσης είναι ίσο με το 40 % του ενεργειακού περιεχομένου του πετρελαίου diesel όταν συγκρίνουμε ίσες κατά βάρος ποσότητες και ίσο με το 55 % όταν συγκρίνουμε ίσες κατά όγκο ποσότητες. Επίσης εν συγκρίσει με το πετρέλαιο diesel, το έλαιο πυρόλυσης παρουσιάζει ορισμένα πλεονεκτήματα όπως χαμηλές περιεκτικότητες σε τέφρα, θείο και άζωτο ενώ και οι εκπομπές NO x κατά την καύση του είναι σαφώς λιγότερες. [92] Το έλαιο πυρόλυσης που παράγεται, οδηγείται στον αεριοστρόβιλο GT2500 της καναδικής εταιρίας Orenda Aerospace Corporation που είναι θυγατρική της Magellan Aerospace Corporation. Η συγκεκριμένη εταιρία έχει κατασκευάσει πάνω από αεριοστρόβιλους η μεγάλη πλειοψηφία των οποίων χρησιμοποιούν ως καύσιμο υγρούς και αέριους υδρογονάνθρακες όπως πετρέλαιο και φυσικό αέριο. Για την περίπτωση του εργοστασίου συμπαραγωγής στο West Lorne η εταιρία Orenda έκανε ορισμένες τροποποιήσεις όπως τοποθέτηση ειδικά διαμορφωμένων εγχυτήρων καυσίμου, επίστρωση των πτερυγίων του στροβίλου με συγκεκριμένες επικαλύψεις και τοποθέτηση διάφορων συστημάτων καθαρισμού και έτσι κατασκεύασε τον πρώτο αεριοστρόβιλο που ήταν σε θέση να δεχθεί έλαιο πυρόλυσης. Οι τροποποιήσεις αυτές είναι αναγκαίες λόγω της αυξημένης οξύτητας του ελαίου πυρόλυσης η οποία οδηγεί σε διάβρωση, ιδίως των εγχυτήρων καυσίμου

230 Εικόνα 4.16: Αεριοστρόβιλος GT2500 της εταιρίας Orenda Aerospace Corporation Στον πίνακα 4.11 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από την πειραματική λειτουργία του συγκεκριμένου αεριοστρόβιλου με πετρέλαιο diesel και στη συνέχεια μετά από κάποιες τροποποιήσεις με έλαιο πυρόλυσης που παράγεται από τον αντιδραστήρα της Dynamotive. Παρατηρείται ότι για την ίδια παραγόμενη ισχύ η χρήση του ελαίου πυρόλυσης οδηγεί σε μειωμένες εκπομπές NO x και SO 2 ενώ οι εκπομπές σε CO παρουσιάζουν μία αύξηση. Η θερμότητα που απάγεται με το σύστημα ψύξης της μηχανής καθώς και η θερμότητα των απορριπτόμενων καυσαερίων, χρησιμοποιείται σε ένα λέβητα για τη δημιουργία ατμού (12 m 3 /h) προκειμένου να τροφοδοτηθεί το γειτονικό εργοστάσιο επεξεργασίας ξύλου (Erie Flooring). [94] Πίνακας 4.11: Χαρακτηριστικά λειτουργίας αεριοστρόβιλου GT2500 Αεριοστρόβιλος GT2500 Πετρέλαιο diesel Έλαιο πυρόλυσης Dynamotive Ταχύτητα ρότορα ( rpm ) Θερμοκρασία καυσαερίων μετά το στρόβιλο ( ο C ) Παροχή καυσίμου ( lit/h ) Παραγόμενη ισχύ από γεννήτρια ( kw ) Εκπομπές SO 2 ( ppm ) 7 2 Εκπομπές NO x ( ppm ) ,5 Εκπομπές CO ( ppm ) 1 48,7 Εκπομπές CO 2 ( ppm ) 4,2 4,

231 Διαχείριση Καυσαερίων Όπως παρουσιάστηκε παραπάνω από την καύση του ελαίου πυρόλυσης παράγονται πολύ μικρές ποσότητες SO x. Όμως για τις ποσότητες NO x και CO που παράγονται σίγουρα χρειάζονται ορισμένες διατάξεις για τον περιορισμό τους πριν ελευθερωθούν τα καυσαέρια στην ατμόσφαιρα. Οι διατάξεις διαχείρισης καυσαερίων που χρησιμοποιούνται από τη μονάδα της DynaMotive στο West Lorne δεν είναι γνωστές. Συμπερασματικά Είναι γεγονός, ότι σε παγκόσμιο επίπεδο το δυναμικό της απορριπτόμενης ξυλώδους βιομάζας είναι τεράστιο, ικανό για την ετήσια παραγωγή βαρελιών ελαίου πυρόλυσης. Επίσης, οι αγορές είναι ευνοϊκές δίνοντας υψηλότερες τιμές στην ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Όμως, παρόλο που η μονάδα της Dynamotive στο West Lorne ξεκίνησε τη λειτουργία της με πολύ καλές προοπτικές και παρόλο που είχε γίνει πολύ λεπτομερής σχεδιασμός πριν την κατασκευή της, τελικά η μονάδα έκλεισε το Οι τελευταίες οικονομικές αναφορές δείχνουν ότι η μονάδα είχε χάσιμο καναδικά δολάρια τους πρώτους 9 μήνες του 2009 ενώ τους πρώτους 9 μήνες του 2008 η μονάδα είχε χάσιμο καναδικά δολάρια. Η μονάδα από την αρχή λειτουργούσε σποραδικά χωρίς να επιτυγχάνει τους αρχικούς στόχους που είχαν τεθεί σε παραγωγή ελαίου πυρόλυσης. [95] Η Dynamotive εκτός από το εργοστάσιο στο West Lorne κατασκεύασε ακόμη ένα μεγαλύτερο εργοστάσιο με δυνατότητα να δέχεται 200 τόνους τη μέρα ξυλώδους βιομάζας, κοντά στην πόλη Guelph των κατοίκων στο νοτιοανατολικό Οντάριο στον Καναδά. Η κατασκευή αυτής της μονάδας ολοκληρώθηκε το 2007 και μετά από κάποιες πειραματικές δοκιμές σχεδιαζόταν να ξεκινήσει η λειτουργία της στο τέλος του Όμως μέχρι σήμερα η μονάδα δεν έχει τεθεί σε κανονική λειτουργία! Στην εικόνα 4.17 φαίνεται το εγκαταλειμμένο εργοστάσιο της Dynamotive στην πόλη Guelph. Εικόνα 4.17: Εγκαταλειμμένο εργοστάσιο της DynaMotive στην πόλη Guelph

232 4.7.2 Μονάδα Συμπαραγωγής Ηλεκτρισμού Θερμότητας και Ελαίου Πυρόλυσης: Fortum Πίνακας 4.12: Γενικά χαρακτηριστικά μονάδας συμπαραγωγής Fortum Χώρα εγκατάστασης Έτος έναρξης λειτουργίας Μέθοδος ενεργειακής αξιοποίησης Φιλανδία (Joensuu) 2013 (φθινόπωρο) Πυρόλυση σε αντιδραστήρα κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης τόνοι ετησίως 30 MW th Παραγωγή ελαίου πυρόλυσης Ισοδύναμη θερμική ισχύς ελαίου πυρόλυσης Ηλεκτρική ισχύς 45 MW el Θερμική ισχύς 110 MW th (σε μορφή θερμού νερού) Καύσιμο Ξυλώδης βιομάζα Ιδιοκτήτης Fortum Κόστος κατασκευής (εκτίμηση) ενσωματωμένης μονάδας πυρόλυσης Επιδότηση Υπουργείο Εργασίας και Οικονομίας της Φιλανδίας Ανάδοχος έργου Metso

233 Λειτουργία μονάδας πυρόλυσης Η εταιρία Fortum ιδρύθηκε το 1998 και έχει ως αντικείμενο την παραγωγή - διάθεση ηλεκτρικής ενέργειας και θερμού νερού για ανάγκες τηλεθέρμανσης. Σήμερα, η εταιρία Fortum διευθύνει 23 εργοστάσια συμπαραγωγής και αρκετές μονάδες παραγωγής θερμότητας στις σκανδιναβικές χώρες, στη Ρωσία, στην Πολωνία, στη Μ. Βρετανία και στις χώρες της Βαλτικής απασχολώντας συνολικά εργαζόμενους. Εικόνα 4.18: Εργοστάσιο καύσης βιομάζας της εταιρίας Fortum στην πόλη Joensuu Το εργοστάσιο καύσης βιομάζας για συμπαραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας της εταιρίας Fortum βρίσκεται λίγο έξω από την πόλη Joensuu στη Φιλανδία και ξεκίνησε τη λειτουργία του το Το 2000 αντικαταστάθηκε ο λέβητας του με ένα λέβητα ρευστοποιημένης κλίνης αποδίδοντας στην έξοδό του ηλεκτρική ισχύ 45 MW el και θερμική ισχύ 110 MW th σε μορφή θερμού νερού. Σε ετήσια βάση παράγεται ηλεκτρική ενέργεια 260 GWh και θερμική ενέργεια 510 GWh. Ως καύσιμο το εργοστάσιο χρησιμοποιεί βιομάζα και πιο συγκεκριμένα: ξυλεία (σε ποσοστό άνω του 50 %), τύρφη, φάλαρη (reed canary grass - ένα είδος ζιζανίου το οποίο ευδοκιμεί στην περιοχή) και βιοαέριο το οποίο παράγεται από την αναερόβια χώνευση των αστικών απορριμμάτων και μέσω σωληνώσεων οδηγείται κατευθείαν προς καύση στο λέβητα ρευστοποιημένης κλίνης της μονάδας. Παρακείμενα της μονάδας συμπαραγωγής κατασκευάστηκε και μία συμπληρωματική μονάδα καύσης ξυλώδους βιομάζας, θερμικής ισχύος 30 MW th, που σε ετήσια βάση αντιστοιχεί σε επιπλέον παραγωγή θερμικής ενέργειας 100 GWh με αποτέλεσμα το εργοστάσιο με τη δυναμικότητα που έχει να καλύπτει το 95 % των θερμικών αναγκών του δικτύου τηλεθέρμανσης της πόλης σε θερμό νερό. Το υπόλοιπο ποσοστό καλύπτεται από 10 μικρότερους λέβητες οι οποίοι τροφοδοτούνται με πετρέλαιο και λειτουργούν για να καλύψουν τα φορτία αιχμής. Βρίσκονται σε διάφορα σημεία του δικτύου τηλεθέρμανσης το οποίο έχει συνολικό μήκος 180 χιλιόμετρα. [98] Στο συγκεκριμένο εργοστάσιο της Fortum στην πόλη Joensuu έχει ξεκινήσει η κατασκευή μίας μονάδας πυρόλυσης βιομάζας η οποία θα ενσωματωθεί στις υπάρχουσες εγκαταστάσεις. Η λειτουργία της θα είναι παράλληλη και θα εξαρτάται άμεσα από τη λειτουργία του αντιδραστήρα καύσης βιομάζας τύπου ρευστοποιημένης κλίνης που λειτουργεί ήδη. Η κατασκευή της μονάδας πυρόλυσης αναμένεται να κοστίσει και να ολοκληρωθεί μέσα στο φθινόπωρο του 2013 ενώ έχει επιδοτηθεί με από το Φιλανδικό υπουργείο Εργασίας και Οικονομίας. Αναμένεται να παράγει τόνους ελαίου πυρόλυσης το χρόνο, ποσότητα που είναι ενεργειακά ισοδύναμη με 210 GWh. Η λειτουργία της μονάδας πυρόλυσης αναμένεται να δημιουργήσει νέες θέσεις εργασίας. Η κατασκευή της ενσωματωμένης μονάδας πυρόλυσης βιομάζας βασίζεται σε έρευνα που πραγματοποιήθηκε στα εργαστήρια του VTT (κέντρο ερευνών της Φιλανδίας) με τη συμμετοχή των φιλανδικών εταιριών Metso και UPM. Έχει προηγηθεί η κατασκευή μίας πιλοτικής μονάδας το 2010 στις εγκαταστάσεις της Metso στην πόλη Tampere της Φιλανδίας με δυνατότητα παραγωγής 7 τόνων ελαίου πυρόλυσης τη μέρα. Εκεί πραγματοποιήθηκαν πειράματα και δοκιμές που είχαν ως αποτέλεσμα τη βελτίωση της απόδοσης της διεργασίας και τη συνολική παραγωγή 100 τόνων ελαίου πυρόλυσης. Η ανάπτυξη της τεχνολογίας επιδοτήθηκε από ευρωπαϊκά προγράμματα και το φιλανδικό φορέα χρηματοδότησης για θέματα τεχνολογίας Tekes. Η εταιρία UPM έχει αναλάβει την κατασκευή του εξοπλισμού επεξεργασίας της εισερχόμενης βιομάζας (ξήρανση τεμαχισμό)

234 Παραγωγή ενέργειας Εικόνα 4.19: Διάγραμμα λειτουργίας μονάδας συμπαραγωγής της Fortum στην πόλη Joensuu Στην εικόνα 4.19 παρουσιάζεται το διάγραμμα λειτουργίας της μονάδας συμπαραγωγής της Fortum στην πόλη Joensuu. Στα αριστερά του σχήματος βρίσκεται ο λέβητας της μονάδας τύπου ρευστοποιημένης κλίνης. Στο εσωτερικό του υπάρχει λεπτόκοκκη άμμος μέσο πλήρωσης, η οποία βρίσκεται σε μία κοχλάζουσα κατάσταση λόγω του αέρα που προωθείται μέσα στον αντιδραστήρα από τη βάση του μέσω ενός διανομέα (distributor). Ο ατμοσφαιρικός αέρας προωθείται μέσα στο λέβητα μέσω κατάλληλης διάταξης συμπιεστών. Η ξυλώδης βιομάζα εισέρχεται μέσα στο λέβητα σε μορφή τσιπς και ερχόμενη σε επαφή με τη θερμή άμμο που βρίσκεται στους 800 ο C λαμβάνει χώρα η καύση της. Τα καυσαέρια που παράγονται έρχονται σε επαφή με εναλλάκτες θερμότητας που υπάρχουν μέσα στο λέβητα και έτσι παράγεται υπέρθερμος ατμός ο οποίος στέλνεται προς εκτόνωση σε έναν ατμοστρόβιλο. Από τη συμπύκνωση του ατμού στην έξοδο του ατμοστροβίλου παράγεται θερμό νερό με το οποίο τροφοδοτείται το δίκτυο τηλεθέρμανσης. [99] Στην παραπάνω κλασσική λειτουργία της μονάδας καύσης βιομάζας προστέθηκε και μία μονάδα πυρόλυσης βιομάζας προς παραγωγή ελαίου πυρόλυσης. Όπως φαίνεται στο σχήμα, ένα μέρος από τη θερμή άμμο που υπάρχει στον αντιδραστήρα καύσης οδηγείται στον αντιδραστήρα πυρόλυσης όπου είναι και αυτός τύπου ρευστοποιημένης κλίνης. Η τροφοδοσία του αντιδραστήρα πυρόλυσης με βιομάζα ακολουθεί διαφορετική διαδρομή. Στην αρχή η ξυλώδης βιομάζα θρυμματίζεται σε μικρά κομματάκια τσιπς τα οποία οδηγούνται μέσα σε μία διάταξη ξήρανσης όπου και η υγρασία τους μειώνεται στο 10 %. Είναι σημαντικό η υγρασία της εισερχόμενης βιομάζας να είναι μειωμένη ώστε να αποφευχθεί ο διαχωρισμός των φάσεων στο παραγόμενο έλαιο πυρόλυσης. Θα πρέπει το

235 περιεχόμενο σε νερό του ελαίου πυρόλυσης να κυμαίνεται μεταξύ % κατά βάρος. Στη συνέχεια τα αποξηραμένα τσιπς διέρχονται από ένα θρυμματιστή και το μέγεθός τους μειώνεται ακόμη περισσότερο (< 5mm). Η λεπτόκοκκη, αποξηραμένη βιομάζα αποθηκεύεται σε μία δεξαμενή και στη συνέχεια οδηγείται στο εσωτερικό του αντιδραστήρα μέσω ενός ατέρμονα κοχλία. Η βιομάζα καθώς έρχεται σε επαφή με τη θερμή άμμο πυρολύεται παράγοντας αέρια πυρόλυσης και στερεά εξανθρακώματα πολύ μικρών διαστάσεων. Η θερμοκρασία μέσα στον αντιδραστήρα πυρόλυσης διατηρείται σταθερή στους 500 ο C. Ο χρόνος παραμονής των σωματιδίων βιομάζας μέσα στον αντιδραστήρα πυρόλυσης είναι μικρότερος από 2 sec. Ο διαχωρισμός αερίων και στερεών λαμβάνει χώρα σε έναν κυκλώνα. Η άμμος που έχει παρασυρθεί και τα στερεά εξανθρακώματα οδηγούνται στον αντιδραστήρα καύσης ενώ τα αέρια πυρόλυσης οδηγούνται προς συμπύκνωση. Οι αέριες ποσότητες που δε γίνεται να συμπυκνωθούν χωρίζονται σε δύο παροχές. Ορισμένη ποσότητα οδηγείται στον αντιδραστήρα πυρόλυσης προκειμένου να ρευστοποιήσει την κλίνη, με τη βοήθεια ενός συμπιεστή και η υπόλοιπη ποσότητα οδηγείται στο λέβητα όπου και καίγεται. Το έλαιο πυρόλυσης που παράγεται αποθηκεύεται προσωρινά σε δεξαμενές και στη συνέχεια οδηγείται με φορτηγά σε λέβητες ώστε με την καύση του να παραχθεί θερμό νερό για τις ανάγκες του δικτύου τηλεθέρμανσης. [96, 97, 100, 101] Το έλαιο πυρόλυσης που παράγεται έχει κατώτερη θερμογόνο δύναμη MJ/kg δηλαδή περίπου τη μισή θερμογόνο δύναμη του μαζούτ που αντικαθιστά, όσο αναφορά το ιξώδες του είναι επίσης μικρότερο του μαζούτ. Η πυκνότητά του είναι 1,2 kg/lit. Είναι ιδιαίτερα όξινο καθώς το ΡΗ του κυμαίνεται μεταξύ 2-3. Το έλαιο πυρόλυσης θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί από τη χημική βιομηχανία ή για την παραγωγή άλλων βιοκαυσίμων. Δεν έχει τη δυνατότητα όμως να αναμειχθεί με άλλα υγρά ορυκτά καύσιμα. Στην εικόνα 4.20 παρουσιάζεται μία τυπική κατά βάρος σύνθεση του ελαίου πυρόλυσης που παράγεται από τη μονάδα της Fortum στο Joensuu. Είναι όμως γεγονός ότι κατά την αποθήκευση του ελαίου πυρόλυσης σε μία δεξαμενή μετά από ορισμένο χρόνο η σύνθεσή του στο πάτο της δεξαμενής (βαρύτερα συστατικά) διαφέρει από τη σύνθεση του στην επιφάνεια (ελαφρύτερα συστατικά). [99] Συστατικά ελαίου πυρόλυσης μονάδας Fortum Joensuu Αλδεΰδες, Κετόνες Οξέα Σάκχαρα Νερό Διάφορα εκχυλίσματα Λιγνίνη Εικόνα 4.20: Τυπική κατά βάρος σύνθεση του παραγόμενου ελαίου πυρόλυσης στη μονάδα Fortum

236 Καύσιμο Η έναρξη λειτουργίας της ενσωματωμένης μονάδας πυρόλυσης αναμένεται να διπλασιάσει την κατανάλωση του εργοστασίου σε ξυλώδη βιομάζα που έως τώρα ανέρχεται σε m 3 το χρόνο. Η ξυλώδης βιομάζα προέρχεται κυρίως από τον καθαρισμό βιώσιμη διαχείριση των δασών της περιοχής αλλά υπάρχει επίσης η δυνατότητα κατανάλωσης πριονιδιού. Χάρη στον εξοπλισμό που παρέχει η εταιρία UPM η μονάδα θα είναι ικανή να δέχεται όλα τα μέρη ενός δέντρου όπως φλοιοί, ρίζες και κλαδιά. Διαχείριση Καυσαερίων Οι συνολικές ετήσιες εκπομπές ρύπων του εργοστασίου συμπαραγωγής και των 10 μικρότερων μονάδων που τροφοδοτούνται με πετρέλαιο είναι οι ακόλουθες που παρουσιάζονται στη 2 η στήλη του πίνακα Με την ετήσια παραγωγή τόνων ελαίου πυρόλυσης για την αντικατάσταση αντίστοιχων ποσοτήτων πετρελαίου στους 10 λέβητες του δικτύου τηλεθέρμανσης υπολογίζεται ότι θα υπάρξουν σημαντικά περιβαλλοντικά οφέλη όπως φαίνεται και στην 3 η στήλη του πίνακα. Δεν είναι ακόμη γνωστό τι είδους διατάξεις διαχείρισης των καυσαερίων θα εγκατασταθούν στους 10 περιφερειακούς σταθμούς λέβητες. Είναι όμως σίγουρο πως θα υπάρξουν ορισμένες διατάξεις ιδίως για τον περιορισμό των παραγόμενων ποσοτήτων ΝΟ x και αιρούμενων σωματιδίων. [101] Πίνακας 4.13: Προσδοκώμενη μείωση εκπομπών από την αντικατάσταση ποσοτήτων πετρελαίου με έλαιο πυρόλυσης σε λέβητες δικτύου τηλεθέρμανσης Καυσαέρια Παραγόμενοι τόνοι Προσδοκώμενη μείωση εκπομπών σε τόνους CO SO x NO x 500 Αιωρούμενα σωματίδια 34 Περίπου 40 τόνοι ελαίου πυρόλυσης έχουν καεί με ικανοποιητικά αποτελέσματα στο λέβητα της μονάδας παραγωγής θερμότητας της Fortum στην πόλη Masala στη Φιλανδία. Η μονάδα έχει θερμική ισχύ 1,5 MW th και τροφοδοτεί με θερμό νερό το δίκτυο τηλεθέρμανσης της πόλης. Οι εκπομπές ρύπων από την καύση του ελαίου πυρόλυσης στη συγκεκριμένη μονάδα παρουσιάζονται στον πίνακα [102] Πίνακας 4.14: Εκπομπές ρύπων από καύση ελαίου πυρόλυσης σε λέβητα της εταιρίας Fortum Καυσαέρια από καύση ελαίου πυρόλυσης Fortum, Masala CO 0-10 ppm NO x ppm Οργανικές ενώσεις < 5 mg/m 3 Αιωρούμενα mg/m 3 σωματίδια

237 Συμπερασματικά Το αξιοσημείωτο στη συγκεκριμένη μονάδα πυρόλυσης βιομάζας είναι ότι εφαρμόζεται σε μία υπάρχουσα μονάδα καύσης βιομάζας. Είναι η 1 η εφαρμογή μίας τέτοιας διάταξης στον κόσμο. Τα κύρια πλεονεκτήματα της συγκεκριμένης μονάδας πυρόλυσης είναι τα παρακάτω: Η παράλληλη λειτουργία συνεργασία των δύο μονάδων έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση του βαθμού απόδοσης και των δύο μονάδων. Τα ανεπιθύμητα προϊόντα της μονάδας πυρόλυσης, δηλαδή τα στερεά εξανθρακώματα και τα αέρια πυρόλυσης που δε γίνεται να συμπυκνωθούν, χρησιμοποιούνται από τη μονάδα καύσης ως καύσιμα για παραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας. Αντίστροφα, το πλεόνασμα σε θερμότητα της μονάδας καύσης βιομάζας χρησιμοποιείται από τη μονάδα πυρόλυσης. Το γεγονός ότι η μονάδα πυρόλυσης χρησιμοποιεί την ίδια πρώτη ύλη (ξυλώδη βιομάζα που θρυμματίζεται σε τσιπς) με τη μονάδα καύσης κάνει πιο εύκολη τη διαχείριση της. Το παραγόμενο έλαιο πυρόλυσης προορίζεται για χρήση σε λέβητες προς αντικατάσταση ποσοτήτων πετρελαίου. Αυτό έχει σημαντικά περιβαλλοντικά οφέλη καθώς τα εκλυόμενα αέρια θερμοκηπίου μειώνονται κατά 70 %. Προκύπτουν πολύ μεγάλα οικονομικά οφέλη διότι ως πρώτη ύλη χρησιμοποιείται βιομάζα που παράγεται στην περιοχή και όχι πετρέλαιο που εισάγεται από μία άλλη χώρα. Το έλαιο πυρόλυσης που θα παράγεται στη μονάδα της Fortum προορίζεται να χρησιμοποιηθεί εξ ολοκλήρου ως καύσιμο σε λέβητες που βρίσκονται σε διάφορα σημεία του δικτύου τηλεθέρμανσης της πόλης Joensuu, όπως φαίνεται και στην εικόνα Είναι όμως απαραίτητο όλος ο εξοπλισμός για τη μεταφορά, αποθήκευση και χρήση του να είναι προσαρμοσμένος στα χαρακτηριστικά του ελαίου πυρόλυσης ( χαμηλό PH, μεγάλη πυκνότητα κ.ά.). Έχει διαπιστωθεί ότι η γήρανση του ελαίου πυρόλυσης δεν αποτελεί σημαντικό πρόβλημα κατά την καύση του. Εικόνα 4.21: Μεταφορά και χρήση του ελαίου πυρόλυσης σε λέβητες του δικτύου τηλεθέρμανσης της πόλης Joensuu

238 4.7.3 Μονάδα Πυρόλυσης : Kior Πίνακας 4.15: Γενικά χαρακτηριστικά μονάδας πυρόλυσης Kior Χώρα κατασκευής Η.Π.Α. ( Columbus, Mississippi) Έτος έναρξης λειτουργίας 2012 (αναμένεται) Μέθοδος ενεργειακής αξιοποίησης Καταλυτική πυρόλυση σε αντιδραστήρα κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης Παραγωγή υγρών καυσίμων (βενζίνη, πετρέλαιο diesel, μαζούτ) γαλόνια υγρών καυσίμων ετησίως (cellulosic biofuel) Βαθμός απόδοσης 92 γαλόνια ανά τόνο βιομάζας Καύσιμο Ξυλώδης βιομάζα Πεύκα τύπου Southern Yellow Pine Ιδιοκτήτης Kior Κόστος κατασκευής US $ Επιδότηση Χωρίς επιδότηση Κατασκευαστής Kior

239 Λειτουργία μονάδας πυρόλυσης Η εταιρία Kior ιδρύθηκε το 2007 ως κοινοπραξία της αμερικανικής εταιρίας Khosla Ventures και της ολλανδικής Bioecon με σκοπό την επιχειρηματική αξιοποίηση μίας μεθόδου καταλυτικής πυρόλυσης βιομάζας για την παραγωγή ανανεώσιμου, υψηλής ποιότητας αργού πετρελαίου το οποίο είναι γνωστό ως ( Re-Crude TM ) και το οποίο μπορεί να αντικαταστήσει το εισαγόμενο αργό πετρέλαιο εξόρυξης. Στη συνέχεια μετά από υδρογονοεπεξεργασία και απόσταξη μπορεί να μετατραπεί σε υγρά καύσιμα κίνησης (βενζίνη, πετρέλαιο diesel κ.ά.) γνωστά ως cellulosic biofuels. Η τεχνολογία καταλυτικής πυρόλυσης βιομάζας αναπτύχθηκε από την ολλανδική εταιρία ενώ η αμερικανική εταιρία παρείχε τα αναγκαία κεφάλαια για την περαιτέρω ανάπτυξη της τεχνολογίας στην εταιρία Kior. Η πρώτη εφαρμογή αυτής της τεχνολογίας ήταν μία πιλοτική μονάδα που τέθηκε σε λειτουργία το πρώτο τετράμηνο του 2009 στις εγκαταστάσεις της εταιρίας λίγο έξω από την πόλη Houston. Η πιλοτική μονάδα μπορούσε να δεχθεί 25 kg βιομάζας ημερησίως ενώ λειτούργησε συνολικά για ώρες. Στις αρχές του 2010 ξεκίνησε η πειραματική λειτουργία μίας μεγαλύτερης μονάδας που μπορούσε να δεχθεί 10 τόνους βιομάζα ημερησίως παράγοντας 15 βαρέλια αργού πετρελαίου ( 67 γαλόνια αργού πετρελαίου από κάθε τόνο βιομάζας ) και που λειτούργησε συνολικά για ώρες επίσης στις εγκαταστάσεις της εταιρίας στο Houston. Στις πειραματικές μονάδες της εταιρίας στο Houston πραγματοποιήθηκαν πολλές δοκιμές, εξετάσθηκαν πολλοί διαφορετικοί καταλύτες και αυτό είχε ως αποτέλεσμα την αύξηση της παραγωγής σε υγρούς υδρογονάνθρακες και γενικότερα τη βελτίωση της διαδικασίας της καταλυτικής πυρόλυσης που εφαρμόζεται. Τα ενθαρρυντικά αποτελέσματα των δοκιμών οδήγησαν στην απόφαση η εταιρία Kior να ξεκινήσει στις αρχές του 2011 την κατασκευή της πρώτης μονάδας βιομηχανικής κλίμακας λίγο έξω από την πόλη Columbus στην πολιτεία Mississippi. Η κατασκευή της μονάδας ολοκληρώθηκε τον Μάιο του 2012 ενώ αναμένεται να τεθεί σε λειτουργία τους προσεχείς μήνες. Θα έχει τη δυνατότητα να δεχθεί 500 τόνους βιομάζα ημερησίως. [103] Εικόνα 4.22: Μονάδες παραγωγής ελαίου πυρόλυσης της εταιρίας Kior

240 Το κόστος κατασκευής της μονάδας κοντά στην πόλη Columbus έφθασε τα US $ ενώ η εταιρία δέχθηκε ενίσχυση US $ με τη μορφή άτοκου δανείου από τον οργανισμό ανάπτυξης της πολιτείας του Mississippi (Mississippi Development Authority). Επίσης, το Ιούνιο του 2011 η εταιρία Kior έδωσε μέσω χρηματιστηρίου (Nasdaq) στο κοινό μετοχές προς US $15 την κάθε μία. Δηλαδή η εταιρία αύξησε το μετοχικό της κεφάλαιο και έλαβε $ προκειμένου να χρηματοδοτήσει την κατασκευή του εργοστασίου της. Το εργοστάσιο αναμένεται να τεθεί σε λειτουργία το τέλος του 2012 και αναμένεται να παράγει γαλόνια υγρών καυσίμων κίνησης ετησίως. Οι πιο φιλόδοξες εκτιμήσεις κάνουν λόγο για αύξηση της παραγωγικότητας σε 92 γαλόνια καυσίμων (418 lit) από κάθε τόνο βιομάζας που πυρολύεται. [104, 105] Από τη μέρα που θα ξεκινήσει τη λειτουργία του το εργοστάσιο μέχρι να επιτευχθεί μία σταθερή, μέγιστης απόδοσης λειτουργία χρειάζονται τουλάχιστον 9 μήνες κατά τους οποίους αναμένεται μειωμένη παραγωγικότητα λόγω ρυθμίσεων και επανεκκινήσεων του εργοστασίου. Η συγκεκριμένη τοποθεσία επιλέχθηκε λόγω της αφθονίας της περιοχής σε ξυλώδη βιομάζα και λόγω της εγγύτητας της σε ναυτιλιακή υποδομή. Τα σχέδια της εταιρίας για το μέλλον είναι η κατασκευή άλλων 4 μονάδων στην πολιτεία Mississippi που η κάθε μία θα έχει τη δυνατότητα να δεχθεί τόνους βιομάζας ημερησίως δημιουργώντας συνολικά νέες θέσεις εργασίας (άμεσες ή που σχετίζονται με τη λειτουργία των μονάδων). Το κόστος κατασκευής της κάθε μονάδας εκτιμάται στα US $ Πολύ αισιόδοξες εκτιμήσεις της εταιρίας Kior αναφέρουν ότι τα παραγόμενα κυτταρινικά καύσιμα που θα παράγει το εργοστάσιο στο Columbus θα είναι ιδιαίτερα ανταγωνιστικά και η τιμή πώλησής τους θα είναι US $1,8 / γαλόνι. Στον πίνακα 4.16 παρουσιάζονται για λόγους σύγκρισης οι τιμές πώλησης και άλλων βασικών υγρών καυσίμων. Πίνακας 4.16: Τιμές πώλησης βασικών υγρών καυσίμων το Μάρτιο του 2011 Καύσιμο Βενζίνη Πετρέλιο diesel Αιθανόλη (καλαμπόκι) Βιοντίζελ (σόγια) Αιθανόλη (ζαχαροκάλαμο) Βενζίνη Πετρέλαιο diesel Τιμή πώλησης US $/γαλόνι Μάρτιος 2011 $2,86 (Περσικός Κόλπος) $3,08 (Περσικός Κόλπος) $2,49 $4,78 $3,5 $1,8 ( Kior, Columbus) $1,8 ( Kior, Columbus)

241 Καύσιμο Η μονάδα της εταιρίας Kior στην πόλη Columbus ως καύσιμο χρησιμοποιεί ξυλώδη βιομάζα που προμηθεύεται από την οργανωμένη και βιώσιμη υλοτομία πευκοδασών της περιοχής. Πιο συγκεκριμένα, η μονάδα δέχεται 500 τόνους την ημέρα κορμούς πεύκων ποικιλίας Southern Yellow Pine (ομάδα πεύκων με χαρακτηριστικό κίτρινο φλοιό που ευδοκιμούν στις νοτιοανατολικές πολιτείες των Η.Π.Α.). Αφού φθάσουν τα δέντρα στη μονάδα, μετά από κατάλληλη επεξεργασία (τεμαχισμός και ξήρανση) μετατρέπονται σε υψηλής ποιότητας τσιπς τα οποία και τροφοδοτούν τον αντιδραστήρα πυρόλυσης. Το κόστος αγοράς των κορμών από τη μονάδα ανέρχεται σε US $72,3 τον τόνο αλλά η μονάδα σχεδιάζει να βελτιώσει την τεχνολογία της ώστε στο προσεχές μέλλον να μπορεί να δεχθεί υπολείμματα υλοτομίας, κλαδιά και φλοιούς δέντρων και γενικά βιομάζα μικρότερης αξίας ώστε να μειώσει το κόστος προμήθειάς της σε βιομάζα. Η τροφοδοσία της μονάδας με κορμούς πεύκων ποικιλίας Southern Yellow Pine έχει δύο πολύ σημαντικά πλεονεκτήματα: Στις νοτιοανατολικές πολιτείες των Η.Π.Α. υπάρχουν πευκοδάση που καλύπτουν μεγάλες εκτάσεις. Το δυναμικό αυτών των περιοχών είναι τέτοιο ώστε μετά από βιώσιμη υλοτομία θα μπορούσαν να διατεθούν τόνοι βιομάζας την ημέρα σε μορφή κορμών. Υπάρχει δηλαδή άφθονη διαθεσιμότητα σε αποθέματα βιομάζας. Αυτός είναι ένας από τους λόγους για τον οποίο η εταιρία Kior σχεδιάζει την κατασκευή ακόμη 4 εργοστασίων πυρόλυσης σε αυτές τις πολιτείες. Ο μακρόχρονος κύκλος ζωής και η μεγάλη διαθεσιμότητα των πεύκων προς υλοτομία έχουν ως αποτέλεσμα μία χαμηλή και σταθερή τιμή των τσιπς βιομάζας που διατίθεται. Στην εικόνα 4.23 συγκρίνονται οι τιμές των ποσοτήτων τσιπς από πεύκα που απαιτούνται για την παραγωγή ποσότητας ελαίου πυρόλυσης ίδιας θερμιδικής αξίας με ένα βαρέλι αργού πετρελαίου εξόρυξης. Επίσης παρουσιάζονται και οι τιμές των αντίστοιχων ποσοτήτων ζαχαροκάλαμου, σόγιας και καλαμποκιού για την παραγωγή βιοκαυσίμων ίδιας θερμιδικής αξίας με ένα βαρέλι αργού πετρελαίου εξόρυξης. [103] Εικόνα 4.23: Σύγκριση τιμών των πρώτων υλών για την παραγωγή ελαίου πυρόλυσης και βιοκαυσίμων

242 Παραγωγή ενέργειας Εικόνα 4.24: Λειτουργικό διάγραμμα μονάδας καταλυτικής πυρόλυσης της εταιρίας Kior Στην εικόνα 4.24 παρουσιάζεται ένα απλό λειτουργικό διάγραμμα της μονάδας καταλυτικής πυρόλυσης βιομάζας της εταιρίας Kior. Σε πρώτη φάση, η βιομάζα συλλέγεται από τις γύρω περιοχές και φθάνει στη μονάδα όπου και υπόκειται σε κατεργασία προκειμένου να μετατραπεί σε τσιπς και να μειωθεί η υγρασία της. Έπειτα εισάγεται με δύο όμοια συστήματα τροφοδοσίας (feeders) στον αντιδραστήρα πυρόλυσης τύπου κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης όπου και έρχεται σε επαφή με το μέσο πλήρωσης της κλίνης. Το μέσο πλήρωσης είναι λεπτόκοκκα σωματίδια καταλύτη τα οποία βρίσκονται σε υψηλή θερμοκρασία και συνεχή κίνηση. Η βιομάζα πυρολύεται παράγοντας αέρια πυρόλυσης και στερεά εξανθρακώματα τα οποία διαχωρίζονται μεταξύ τους σε ένα διαχωριστή. Τα στερεά σωματίδια οδηγούνται σε ένα θάλαμο καύσης όπου τα στερεά εξανθρακώματα καίγονται παράγοντας την απαιτούμενη για την πυρόλυση θερμική ενέργεια και παράλληλα γίνεται η αναγέννηση των σωματιδίων του καταλύτη τα οποία επιστρέφουν στον αντιδραστήρα πυρόλυσης. Οι αέριες ποσότητες οδηγούνται προς συμπύκνωση, έτσι τα αέρια πυρόλυσης που μπορούν να συμπυκνωθούν παράγουν ένα μείγμα μικρών μορίων (6 με 13 άτομα άνθρακα) υδρογονανθράκων ενώ τα αέρια που δε μπορούν να συμπυκνωθούν οδηγούνται στη μονάδα συμπαραγωγής (Μ.Ε.Κ + γεννήτρια) για ταυτόχρονη παραγωγή ηλεκτρισμού ατμού τα οποία και αξιοποιούνται για τη λειτουργία της μονάδας. Το υγρό μείγμα μικρών μορίων υδρογονανθράκων οδηγείται σε μια μονάδα υδρογονοεπεξεργασίας όπου και πραγματοποιούνται διάφορες αντιδράσεις για τη βελτίωση των χαρακτηριστικών του. Στη συνέχεια το μείγμα αρωματικών υδρογονανθράκων και αλκανίων που έχει δημιουργηθεί οδηγείται προς κλασματική απόσταξη για την παραγωγή μαζούτ, πετρελαίου diesel και βενζίνης (cellulosic biofuels). [103] Η επιτυχημένη λειτουργία της διάταξης μεγιστοποίηση της παραγωγής, εξαρτάται από τη σωστή αναλογία ποσοτήτων στερεών εξανθρακωμάτων, αερίων που μπορούν να συμπυκνωθούν και αερίων που δε γίνεται να συμπυκνωθούν που θα παραχθούν στο στάδιο της πυρόλυσης. Ο στόχος είναι η παραγωγή όσο γίνεται μικρότερης ποσότητας στερεών εξανθρακωμάτων για μία δεδομένη ποσότητα βιομάζας. Κύριοι παράμετροι στην επίτευξη της σωστής αναλογίας είναι ο σχεδιασμός του αντιδραστήρα και του καταλύτη που χρησιμοποιείται

243 Διαχείριση Καυσαερίων Υπολογίζεται με ανάλυση κύκλου ζωής ότι η χρήση των καυσίμων που θα παράγουν οι μονάδες καταλυτικής πυρόλυσης βιομάζας της Kior θα έχει ως αποτέλεσμα μείωση των παραγόμενων αερίων του θερμοκηπίου σε ποσοστό μεγαλύτερο του 80 % εν συγκρίσει με τη χρήση των καυσίμων που προέρχονται από επεξεργασία του αργού πετρελαίου εξόρυξης. Επιπλέον, τα νέα καύσιμα που προέρχονται από καταλυτική πυρόλυση βιομάζας έχουν μειωμένη περιεκτικότητα σε θείο και άζωτο που έχει ως συνέπεια μειωμένες εκπομπές NO x και SO x κατά την καύση τους. Στην εικόνα 4.25 παρουσιάζεται η μείωση των παραγόμενων αερίων του θερμοκηπίου που επιτυγχάνεται εν συγκρίσει με τα ορυκτά υγρά καύσιμα ( 1 η στήλη ) για διάφορα καύσιμα που παράγονται από βιομάζα. Συμπεραίνεται, ότι η παραγωγή και η χρήση καυσίμων που προέρχονται από καταλυτική πυρόλυση βιομάζας έχει τις μικρότερες αρνητικές επιδράσεις στο περιβάλλον. [103] Εικόνα 4.25: Μείωση των αερίων του θερμοκηπίου που επιτυγχάνεται από τη χρήση διάφορων καυσίμων που παράγονται από βιομάζα Η μεγάλη αυτή μείωση οφείλεται σε τρεις βασικούς λόγους : Στο μεγάλο βαθμό απόδοσης της καταλυτικής πυρόλυσης βιομάζας Στο γεγονός ότι η πρώτη ύλη των παραγόμενων καυσίμων είναι κάποια μορφή βιομάζας σημαίνει ότι οι ποσότητες CO 2 που απελευθερώνονται κατά την καύση τους έχουν ήδη δεσμευτεί από την ατμόσφαιρα για τη δημιουργία της βιομάζας. Στο γεγονός ότι η παραγωγή τσιπς από πεύκα απαιτεί μικρότερα ποσά ενέργειας από την παραγωγή των υπολοίπων μορφών βιομάζας που χρησιμοποιούνται ως πρώτη ύλη για την παραγωγή καυσίμων

244 Συμπερασματικά Η τεχνολογία καταλυτικής πυρόλυσης βιομάζας της εταιρίας Kior παρουσιάζει τα παρακάτω πλεονεκτήματα : Τα προϊόντα που παράγονται από τη μονάδα (βενζίνη, πετρέλαιο diesel, μαζούτ) μπορούν να χρησιμοποιηθούν από την υπάρχουσα υποδομή. Αυτό σημαίνει ότι δε χρειάζεται να γίνει καμία αλλαγή σε κινητήρες (αυτοκινήτων, φορτηγών, αεροπλάνων) αλλά και γενικότερα σε όλη την υποδομή μεταφοράς και διανομής των καυσίμων. Επίσης θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν στις υπάρχουσες Μ.Ε.Κ μονάδων παραγωγής ηλεκτρισμού χωρίς καμία μετατροπή. Η πρώτη ύλη που χρησιμοποιεί η μονάδα (κορμούς πεύκων) δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κάλυψη των ανθρώπινων διατροφικών αναγκών. Στις μέρες μας το μεγαλύτερο ποσοστό της παραγωγής βιοκαυσίμων βασίζεται σε καλλιέργειες βασικών προϊόντων ανεβάζοντας τις τιμές των τροφίμων σε παγκόσμια κλίμακα. Προκύπτουν σημαντικά περιβαλλοντικά οφέλη από τη χρήση των κυτταρινικών καυσίμων (cellulosic biofuels). Ο καταλύτης που χρησιμοποιείται δεν είναι τοξικός. Είναι γεγονός ότι τα παγκόσμια αποθέματα πετρελαίου είναι συγκεκριμένα ενώ η παγκόσμια ζήτηση συνεχώς αυξάνει. Είναι θέμα λίγων χρόνων η παγκόσμια ζήτηση σε πετρέλαιο να μη μπορεί να καλυφθεί από τις ποσότητες που εξορύσσονται οδηγώντας σε πολύ υψηλές τιμές όλα τα προϊόντα που παράγονται από το πετρέλαιο. Η τεχνολογία της καταλυτικής πυρόλυσης βιομάζας για παραγωγή κυτταρινικών καυσίμων ισοδύναμων με τα συμβατικά που προέρχονται από το ορυκτό πετρέλαιο φαίνεται ότι στο μέλλον θα διαδοθεί και θα εφαρμοστεί σε πολλές περιπτώσεις. Όσο αναφορά το εργοστάσιο της Kior στο Columbus είναι το πρώτο εργοστάσιο παγκοσμίως που εφαρμόζει αυτήν την τεχνολογία. Η επιτυχία του εγχειρήματος θα εξαρτηθεί από το αν θα μπορέσει να παράγει καύσιμα σε ανταγωνιστική τιμή. Οι αισιόδοξες εκτιμήσεις εκ μέρους της εταιρίας κάνουν λόγο για τιμή πώλησης των καυσίμων προς US $1,8/γαλόνι στην περίπτωση που καταφέρουν μία απόδοση παραγωγής 92 γαλόνια καυσίμων από κάθε τόνο βιομάζας που πυρολύεται. Ορισμένοι αναλυτές πιστεύουν ότι η τιμή των συγκεκριμένων καυσίμων τελικά θα διαμορφωθεί γύρω στα US $3 / γαλόνι. Λόγω του ότι εισέρχονται πολλοί παράμετροι θα πρέπει να περιμένουμε τα αποτελέσματα αυτής της τεχνολογίας μετά από ένα εύλογο διάστημα κανονικής λειτουργίας του εργοστασίου. [104]

245 4.7.4 Μονάδα Παραγωγής Ελαίου Πυρόλυσης : Renfrew Πίνακας 4.17: Γενικά χαρακτηριστικά μονάδας πυρόλυσης Χώρα εγκατάστασης Καναδάς ( Renfrew, Ontario ) Έτος έναρξης λειτουργίας 2007 Μέθοδος ενεργειακής αξιοποίησης Πυρόλυση σε αντιδραστήρα κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης Παραγωγή ελαίου πυρόλυσης 53 τόνους ημερησίως Βαθμός απόδοσης % κ.β. Καύσιμο Πολλαπλά είδη λιγνοκυτταρινούχας βιομάζας Ιδιοκτήτης Envergent Technologies Κόστος κατασκευής - Επιδότηση Από το ίδρυμα : (SDTC) Sustainable Develpoment Technology Canada Ανάδοχος έργου Envergent Technologies

246 Λειτουργία μονάδας πυρόλυσης Στην πόλη Renfrew στην περιοχή Ontario, το 2007 ολοκληρώθηκε η κατασκευή μιας μονάδας πυρόλυσης βιομάζας τεχνολογίας RTP ιδιοκτησίας της εταιρίας Ensyn για την παραγωγή ελαίου πυρόλυσης. Η συγκεκριμένη μονάδα στην πόλη Renfrew είναι η μεγαλύτερη σε λειτουργία μονάδα πυρόλυσης στον κόσμο και κάθε ημέρα επεξεργάζεται 150 τόνους βιομάζας (75 τόνοι ξηρής βιομάζας). Αντιδραστήρες πυρόλυσης τύπου RTP βρίσκονται σε λειτουργία από το 1989 για την παραγωγή ελαίου πυρόλυσης που προορίζεται για τη βιομηχανία τροφίμων και τη παραγωγή διάφορων χημικών προϊόντων και υλικών. Η εταιρία Ensyn δημιουργήθηκε το 1984 με έδρα την πόλη Ottawa στον Καναδά και μέχρι σήμερα έχει κατασκευάσει συνολικά 7 μονάδες πυρόλυσης σε Η.Π.Α και Καναδά. Το 2008 η εταιρία Ensyn σχημάτισε μία κοινοπραξία με την εταιρία UOP - a Honeywell Company, η οποία τα τελευταία 100 χρόνια αναπτύσσει τεχνολογία και εξοπλισμό για τη πετροχημική βιομηχανία, δημιουργώντας την εταιρία Envergent Technologies. Η εταιρία Envergent Technologies επικεντρώνεται στην παραγωγή ελαίου πυρόλυσης από βιομάζα για την παραγωγή θερμότητας και ηλεκτρισμού. Αυτήν την περίοδο συνεργάζεται με μία από τις μεγαλύτερες κατασκευάστριες εταιρίες κινητήρων diesel διεξάγοντας έρευνες προκειμένου να γίνουν οι κατάλληλες τροποποιήσεις ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί το παραγόμενο έλαιο πυρόλυσης σε μηχανή εσωτερικής καύσης για την παραγωγή ηλεκτρισμού. Υπολογίζεται ότι μέσα στο 2013 αυτού του είδους οι κινητήρες θα είναι έτοιμοι. Η μονάδα πυρόλυσης στο Renfrew κάνει χρήση της κατοχυρωμένης με πατέντα μεθόδου RTP ΤΜ (Rapid Thermal Process) που στην ουσία είναι ένας αντιδραστήρας κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης. Τα τελευταία 25 χρόνια που χρησιμοποιείται έχουν παραχθεί πάνω από γαλόνια ελαίου πυρόλυσης για εμπορική χρήση ενώ αυτή η μέθοδος είναι η πρώτη που χρησιμοποιήθηκε σε μονάδα πυρόλυσης. Στις μέρες μας οι μοναδικές μονάδες πυρόλυσης που βρίσκονται σε λειτουργία χρησιμοποιούν τη μέθοδο RTP. Η διάταξη πυρόλυσης RTP είναι συμπαγής καταλαμβάνοντας τον ελάχιστο δυνατό χώρο και συναρμολογούμενη με καθορισμένα εξαρτήματα μειώνοντας το κόστος και το χρόνο εγκατάστασης. Η συγκεκριμένη διάταξη πυρόλυσης είναι διαθέσιμη σε δύο σχέδια. Το πρώτο με δυνατότητα πυρόλυσης 150 τόνων βιομάζας ημερησίως και το δεύτερο με δυνατότητα πυρόλυσης 400 τόνων βιομάζας ημερησίως. Το κόστος κατασκευής μίας μονάδας πυρόλυσης τύπου RTP ποικίλει και εξαρτάται από το είδος και την ποσότητα της βιομάζας που θα επεξεργάζεται καθώς και από το αν η μονάδα θα ενσωματωθεί στο εσωτερικό μιας υπάρχουσας εγκατάστασης ή αν θα πρέπει να κατασκευαστεί εξ ολοκλήρου από την αρχή. Για παράδειγμα για μία μονάδα πυρόλυσης RTP που θα ενσωματωθεί στο εσωτερικό μίας προγενέστερης με δυνατότητα πυρόλυσης 400 τόνων βιομάζας τη μέρα, το κόστος ανέρχεται σε US $ /- 40 % (το έτος 2009). Το κόστος περιλαμβάνει την επεξεργασία της εισερχόμενης βιομάζας (τεμαχισμός της σε πολύ μικρές διαστάσεις), συστήματα ασφαλείας, σύστημα εκκίνησης της μονάδας (start up fuels system), διαχείριση καυσαερίων, επεξεργασία και αποθήκευση τελικού προϊόντος κ.ά. Όσο αναφορά το κόστος κατασκευής των μονάδων πυρόλυσης οι οποίες στοχεύουν στην παραγωγή ελαίου πυρόλυσης και στην περαιτέρω επεξεργασία του για την παραγωγή καυσίμων κίνησης (green fuels), δεν είναι γνωστό. Η παραγωγή καυσίμων κίνησης από έλαιο πυρόλυσης έχει επιτευχθεί αλλά σε επίπεδο εργαστηρίου. Η εφαρμογή αυτής της τεχνολογίας σε μεγαλύτερη, βιομηχανική κλίμακα βρίσκεται ακόμη υπό ανάπτυξη. [106, 108, 110, 111]

247 Το κόστος παραγωγής του ελαίου πυρόλυσης από μία μονάδα RTP ποικίλει και αυτό και εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως το μέγεθος της μονάδας πυρόλυσης (όσο μεγαλύτερο το μέγεθος της μονάδας τόσο μικρότερο το κόστος παραγωγής), το κόστος αγοράς της βιομάζας, το κόστος των εργατικών και το κόστος συντήρησης της μονάδας. Για παράδειγμα σε μία μονάδα πυρόλυσης τύπου RTP η οποία επεξεργάζεται 400 τόνους βιομάζας τη μέρα και προμηθεύεται τη βιομάζα με US $40 τον τόνο, το κόστος παραγωγής του ελαίου πυρόλυσης ανέρχεται σε US $0,41 για κάθε γαλόνι. Αντίστοιχα, το κόστος παραγωγής των καυσίμων κίνησης που προέρχονται από περαιτέρω επεξεργασία του ελαίου πυρόλυσης δεν είναι ακόμη γνωστό. Για την κατασκευή μίας μονάδας πυρόλυσης RTP ακολουθούνται τα παρακάτω βήματα : 1 ο Βήμα : Οριοθέτηση του πεδίου εφαρμογής της μελέτης που περιλαμβάνει εργαστηριακό έλεγχο της βιομάζας που πρόκειται να χρησιμοποιηθεί, αρχική αξιολόγηση του χώρου εγκατάστασης της μονάδας και μια προκαταρκτική εκτίμηση του κόστους. 2 ο Βήμα : Λεπτομερής τεχνοοικονομική μελέτη η οποία καταλήγει σε ένα συγκεκριμένο κόστος της μονάδας. 3 ο Βήμα : Κατασκευή της μονάδας, εκπαίδευση των εργαζομένων και συμβουλευτική υποστήριξη. Πίνακας 4.18: Μονάδες πυρόλυσης βιομάζας τύπου RTP για παραγωγή ηλεκτρισμού που βρίσκονται υπό κατασκευή [107] Μονάδες πυρόλυσης βιομάζας τύπου RTP Χώρα Μαλαισία (Felda Sahabat, Sabah) Ανάδοχος έργου Premium Renewable Energy Έτος έναρξης λειτουργίας 2014 Καύσιμο Απορριπτόμενη βιομάζα από φυτείες φοίνικα και ζαχαροκάλαμου (βαγάσση bagasse) Μέγεθος μονάδας 400 τόνοι βιομάζας / ανά ημέρα Χώρα Ιταλία ( Colle di Val d Elsa, Siena, Tuscany) Ανάδοχος έργου Industria e Innovazione Έτος έναρξης λειτουργίας 2014 Καύσιμο Απορριπτόμενη βιομάζα από πευκοδάσος και από βιοτεχνίες επεξεργασίας ξύλου Μέγεθος μονάδας 150 τόνοι βιομάζας / ανά ημέρα Ηλεκτρική ισχύς : 12,8 MW el Εργαζόμενοι :

248 Καύσιμο Ως καύσιμο η μονάδα πυρόλυσης μπορεί να δεχθεί πολλών ειδών λιγνοκυτταρινούχα υλικά. Με τον όρο λιγνοκυτταρινούχα υλικά αναφερόμαστε στις υπολειμματικές μορφές της βιομάζας όπως είναι τα υπολείμματα γεωργικών καλλιεργειών (στελέχη, κλαδιά, φύλλα, άχυρο, κλπ), τα υπολείμματα επεξεργασίας γεωργικών προϊόντων (υπολείμματα εκκοκκισμού βαμβακιού, πυρηνόξυλο, πυρήνες φρούτων κλπ) και η βιομάζα δασικής προέλευσης (υπολείμματα επεξεργασίας ξύλου κλπ). Γενικά, τα λιγνοκυτταρινούχα υλικά είναι εύκολα διαθέσιμα και δεν ανταγωνίζονται τις καλλιέργειες τροφίμων. Επίσης μπορεί να δεχθεί ξυλεία από ενεργειακές καλλιέργειες όπως λεύκες, ιτιές, μίσχανθο, switchgrass κ.ά. όπως και καθαρή, αστικά απορριπτόμενη ξυλεία από κατασκευές και κατεδαφίσεις αλλά και υπολείμματα χαρτιού. Η βιομάζα για να εισαχθεί στον αντιδραστήρα πυρόλυσης θα πρέπει να μειωθεί η υγρασία της στο 5-10 % και στη συνέχεια να τεμαχιστεί σε διαστάσεις 3-6 mm. Στον πίνακα 4.19 παρουσιάζονται διάφορα είδη βιομάζας που δοκιμάστηκαν σε διατάξεις πυρόλυσης RTP. [106] Πίνακας 4.19: Είδη βιομάζας που δοκιμάστηκαν σε διατάξεις πυρόλυσης RTP Είδος βιομάζας Ανώτερη θερμογόνος δύναμη (BTU/lb) Παραγόμενο έλαιο πυρόλυσης επί του αρχικού βάρους βιομάζας (% κ.β.) Σκληρό ξύλο Μαλακό ξύλο Σκληρό ξύλο - φλοιός Μαλακό ξύλο - φλοιός Στελέχη από καλαμπόκι Υπολείμματα ζαχαροκάλαμου

249 Παραγωγή ενέργειας Εικόνα 4.26: Διάταξη πυρόλυσης τύπου κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης της εταιρίας Envergent Technologies Η μέθοδος RTP ΤΜ ( κυκλοφορούσα ρευστοποιημένη κλίνη) αποτελείται από έναν αντιδραστήρα πυρόλυσης και έναν αντιδραστήρα καύσης οι οποίοι επικοινωνούν μεταξύ τους. Και οι δύο αντιδραστήρες είναι τύπου ρευστοποιημένης κλίνης και ως μέσο πλήρωσης χρησιμοποιείται λεπτόκοκκη άμμος. Στον αντιδραστήρα πυρόλυσης τα μικρά σωματίδια βιομάζας που έρχονται σε επαφή με το μέσο πλήρωσης πυρολύονται στη θερμοκρασία των 500 ο C και μετατρέπονται σε αέρια πυρόλυσης και στερεά εξανθρακώματα. Τα προϊόντα της πυρόλυσης παρασύρονται από τη ροή του μέσου ρευστοποίησης και διαχωρίζονται σε έναν κυκλώνα. Τα αέρια πυρόλυσης οδηγούνται προς συμπύκνωση ώστε να παραχθεί το έλαιο πυρόλυσης ενώ τα στερεά εξανθρακώματα οδηγούνται στον αντιδραστήρα καύσης. Ως μέσο ρευστοποίησης στον αντιδραστήρα καύσης χρησιμοποιείται ο στοιχειομετρικά απαραίτητος για την καύση αέρας ενώ στον αντιδραστήρα πυρόλυσης ως μέσο ρευστοποίησης μπορεί να χρησιμοποιηθεί κάποιο αδρανές αέριο ή μέρος από τα καυσαέρια που παράγονται στο θάλαμο καύσης. Στη συγκεκριμένη μέθοδο RTP ΤΜ δε γίνεται σαφές τι μέσο ρευστοποίησης χρησιμοποιείται στον αντιδραστήρα πυρόλυσης. Έχει υπολογιστεί, ότι χρειάζονται μόλις 2 sec από τη στιγμή που τα σωματίδια βιομάζας εισαχθούν στον αντιδραστήρα πυρόλυσης μέχρι να συμπυκνωθούν τα παραγόμενα αέρια και να σχηματισθεί το έλαιο πυρόλυσης. Τα παραγόμενα στερεά εξανθρακώματα καταναλώνονται από τη ίδια τη διάταξη πυρόλυσης ώστε από την καύση τους να εκλυθεί η αναγκαία για την πυρόλυση θερμότητα. Τα αέρια πυρόλυσης που παράγονται από τη διάταξη και που δε γίνεται να συμπυκνωθούν μπορούν με την καύση τους να παράγουν θερμότητα για τη ξήρανση της εισερχόμενης βιομάζας ή για τη θέρμανση του χώρου της μονάδας πυρόλυσης κατά τους χειμερινούς μήνες ή ακόμη και ηλεκτρισμό. Το παραγόμενο έλαιο πυρόλυσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί στους παρακάτω τομείς:

250 Θέρμανση Το έλαιο πυρόλυσης της διάταξης RTP έχει χρησιμοποιηθεί επιτυχώς (μέχρι σήμερα πάνω από γαλόνια) για παραγωγή θερμότητας ή ατμού που χρειάζονται σε διάφορες βιομηχανικές εφαρμογές. Το έλαιο πυρόλυσης λόγω της χαμηλότερης τιμής του έχει τη δυνατότητα να αντικαταστήσει το φυσικό αέριο και το πετρέλαιο σε εφαρμογές θέρμανσης ενώ παράλληλα προκύπτουν μειωμένες εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου και ελάχιστες εκπομπές SO x. Καύσιμα κίνησης (υπό ανάπτυξη) Το παραγόμενο έλαιο πυρόλυσης μετά από κατάλληλη επεξεργασία δύναται να μετατραπεί σε υγρά καύσιμα ( green gasoline, green diesel, green jet fuel ) που έχουν τη δυνατότητα να αναμειχθούν με τους υπάρχοντες υγρούς υδρογονάνθρακες και να χρησιμοποιηθούν από αυτοκίνητα ή αεροσκάφη χωρίς καμία τροποποίηση στους κινητήρες τους. Δεν πρόκειται για αιθανόλη ή βιοντίζελ αλλά αυτά τα νέα καύσιμα θα μοιάζουν μοριακά περισσότερο με τους άλλους υγρούς υδρογονάνθρακες ( βενζίνη, πετρέλαιο ). Η εταιρία Envergent Technologies αυτήν την περίοδο κατασκευάζει μία μονάδα πυρόλυσης βιομάζας για την παραγωγή ελαίου πυρόλυσης που μετά τη σχετική επεξεργασία θα μετατρέπεται σε καύσιμα κίνησης. Η μονάδα βρίσκεται στην πόλη Kapolei της Hawai και αναμένεται να τεθεί σε λειτουργία μέσα στο 2014 ενώ η κατασκευή της έχει επιδοτηθεί από το αμερικανικό υπουργείο ενέργειας με US $ Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας (υπό ανάπτυξη) Το παραγόμενο έλαιο πυρόλυσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ειδικά τροποποιημένους αεριοστρόβιλους ή μηχανές εσωτερικής καύσης για την παραγωγή ηλεκτρισμού. Πειράματα έχουν δείξει ότι η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι δυνατή με βαθμό απόδοσης (η el ) κοντά στο 40 % χρησιμοποιώντας αποκλειστικά έλαιο πυρόλυσης σε μία σταθερή μηχανή εσωτερικής καύσης τύπου diesel. Υλικά - Χημικά Στις μέρες μας, το παραγόμενο έλαιο πυρόλυσης χρησιμοποιείται στη διαδικασία παρασκευής 30 διαφορετικών προϊόντων. Χρησιμοποιείται για παράδειγμα για την παρασκευή ρητινών, στην παραγωγή διαφόρων χημικών όπως φιλικά προς το περιβάλλον εντομοκτόνα - παρασιτοκτόνα, μέχρι και από τη βιομηχανία τροφίμων. Η παραγωγή ηλεκτρισμού σε μία μονάδα πυρόλυσης τύπου RTP θα μπορούσε να βασιστεί στη χρήση μηχανών εσωτερικής καύσης είτε στη χρήση ενός ή περισσότερων αεριοστρόβιλων. Στις μέρες μας δεν υπάρχει κάποια μονάδα πυρόλυσης η οποία να παράγει ηλεκτρισμό αλλά αυτός ο τομέας βρίσκεται ακόμη στο στάδιο της έρευνας και της ανάπτυξης. Γενικά οι μηχανές εσωτερικής καύσης παρουσιάζουν μεγαλύτερους βαθμούς απόδοσης οπότε στην πράξη έχουμε τις παρακάτω επιλογές : [109]

251 Καύση του ελαίου πυρόλυσης σε μία μηχανή εσωτερικής καύσης μέσης ταχύτητας τύπου diesel Εικόνα 4.27: Συνεργασία διάταξης πυρόλυσης με μία μηχανή εσωτερικής καύσης τύπου diesel Αυτή η επιλογή δεν αξιοποιεί τα παραγόμενα αέρια πυρόλυσης για την παραγωγή ηλεκτρισμού αλλά θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για ένα σύστημα συμπαραγωγής θερμότητας ηλεκτρισμού

252 Καύση του ελαίου πυρόλυσης σε μία μηχανή εσωτερικής καύσης μέσης ταχύτητας τύπου diesel και των αερίων πυρόλυσης σε μία δεύτερη μηχανή εσωτερικής καύσης υψηλής ταχύτητας. Εικόνα 4.28: Συνεργασία διάταξης πυρόλυσης με δύο μηχανές εσωτερικής καύσης Αυτή η διάταξη είναι η καλύτερη όταν η μονάδα στοχεύει στη μεγιστοποίηση της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας. Το μεγαλύτερο μέρος της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας γίνεται από την καύση του ελαίου πυρόλυσης στη μηχανή diesel

253 Καύση του ελαίου πυρόλυσης σε μία μηχανή εσωτερικής καύσης μέσης ταχύτητας τύπου diesel η οποία συνεργάζεται με έναν οργανικό κύκλο Rankine ( ORC ) και των αερίων πυρόλυσης σε μία δεύτερη μηχανή εσωτερικής καύσης υψηλής ταχύτητας. Εικόνα 4.29: Συνεργασία διάταξης πυρόλυσης με δύο μηχανές εσωτερικής καύσης και έναν ατμοστρόβιλο (ORC) Θεωρητικά, η συγκεκριμένη επιλογή έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή περισσότερης ηλεκτρικής ενέργειας από την ίδια ποσότητα βιομάζας σε σχέση με τις δύο προηγούμενες, δηλαδή έχει μεγαλύτερο βαθμό απόδοσης. Στην πραγματικότητα όμως έχουν παρουσιαστεί ορισμένοι λειτουργικοί και οικονομικοί παράμετροι οι οποίοι δυσχεραίνουν τη χρήση ενός οργανικού κύκλου Rankine (ORC) στη συγκεκριμένη διάταξη. Η παράλληλη παραγωγή ατμού από τα καυσαέρια της μηχανής diesel και η αξιοποίησή του για παραγωγή ηλεκτρισμού είναι μια επιλογή πιο εύκολη στην εφαρμογή της

254 Στις μέρες μας, οι περισσότερες μονάδες αξιοποίησης βιομάζας για παραγωγή ηλεκτρισμού κάνουν καύση της βιομάζας και από τα θερμά καυσαέρια που εκλύονται παράγεται ατμός σε έναν εναλλάκτη θερμότητας. Στη συνέχεια ο ατμός εκτονώνεται σε έναν στρόβιλο όπως παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα. Ο συγκεκριμένος τρόπος παραγωγής ηλεκτρισμού χαρακτηρίζεται από χαμηλούς βαθμούς απόδοσης. Εικόνα 4.30: Συμβατικός κύκλος Rankine με ατμό Στον πίνακα 4.20 γίνεται μία σύγκριση των παραπάνω τεχνολογιών παραγωγής ηλεκτρισμού αξιοποιώντας τα προϊόντα της πυρόλυσης από μία διάταξη RTP. Τα δεδομένα για την περίπτωση της πυρόλυσης είναι μέσοι όροι από πειραματικές δοκιμές και δίνονται από κατασκευαστές μηχανών εσωτερικής καύσης. Για την περίπτωση της καύσης οι τιμές είναι μέσοι όροι από 60 εργοστάσια καύσης βιομάζας για παραγωγή ηλεκτρισμού εν λειτουργία στις Η.Π.Α. Στα πλαίσια της σύγκρισης θεωρούμε σε κάθε περίπτωση ότι οι μονάδες δέχονται 400 τόνους βιομάζας ημερησίως που ισοδυναμούν με 84 MW th. [109] Πίνακας 4.20: Σύγκριση διατάξεων παραγωγής ηλεκτρισμού πυρόλυσης και καύσης βιομάζας Θερμική ισχύς εισερχόμενης Καύση Πυρόλυση RTP βιομάζας : 84 MW th Κύκλος ατμού 1ΜΕΚ Diesel 1ΜΕΚ Diesel 1ΜΕΚ gas Βαθμός απόδοσης (η el %) Απαιτούμενη θερμότητα (BTUth /kw el Παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς (MW el ) Κόστος εγκατάστασης (US $/kw el ) ΜΕΚ Diesel 1 ΜΕΚ gas ORC

255 Διαχείριση Καυσαερίων Στην εικόνα 4.31 παρουσιάζονται οι εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου (gr CO 2 eq / MJ) που προκύπτουν από ανάλυση κύκλου ζωής για έξι διαφορετικές περιπτώσεις καυσίμων όταν στοχεύουμε στην παραγωγή θερμότητας ή ατμού. Οι εκπομπές των καυσαερίων όταν γίνεται καύση μέσα σε μία μηχανή εσωτερικής καύσης ή στο θάλαμο καύσης ενός αεριοστρόβιλου ακολουθούν παρόμοια συμπεριφορά. Έτσι λοιπόν έχουμε διαδοχικά τα εξής καύσιμα : 1 η στήλη 2 η στήλη 3 η στήλη 4 η στήλη 5 η στήλη 6 η στήλη Πετρέλαιο Άνθρακας Φυσικό Έλαιο πυρόλυσης αέριο Ιτιά Έλαιο πυρόλυσης Υπολείμματα υλοτομίας Έλαιο πυρόλυσης Λεύκα Εικόνα 4.31: Ανάλυση κύκλου ζωής από την καύση έξι διαφορετικών καυσίμων προς παραγωγή ενέργειας Παρατηρείται ότι όταν γίνεται καύση ελαίου πυρόλυσης παράγονται σημαντικά χαμηλότερες ποσότητες ( σε gr) CO 2 ανά MJ εκλυόμενης θερμικής ενέργειας. Η μείωση κυμαίνεται από 70 % έως 80 % αναλόγως της απόστασης που θα πρέπει να μεταφερθεί η βιομάζα ( ανάλυση κύκλου ζωής ). Οι εκπομπές SO x από την καύση ελαίου πυρόλυσης είναι πολύ μικρές και παρόμοιες με αυτές του φυσικού αερίου. Όσο αναφορά τη διαχείριση των παραγόμενων καυσαερίων δεν είναι ακόμη γνωστή λόγω του ότι οι μονάδες πυρόλυσης με σκοπό την ηλεκτροπαραγωγή βρίσκονται ακόμη υπό ανάπτυξη. [106]

256 Συμπερασματικά Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας αξιοποιώντας τα προϊόντα μιας μονάδας πυρόλυσης RTP βρίσκεται ακόμη στο στάδιο της έρευνας και της ανάπτυξης όμως φαίνεται να έχει σημαντικές προοπτικές. Τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα που προκύπτουν από μία τέτοια εφαρμογή είναι τα εξής : Η καύση του ελαίου πυρόλυσης και των αερίων πυρόλυσης σε μηχανές εσωτερικής καύσης έχει ως αποτέλεσμα μεγαλύτερο συντελεστή απόδοσης της μετατροπής της βιομάζας σε ηλεκτρισμό εν συγκρίσει με την καύση της βιομάζας σε στερεή μορφή για την παραγωγή θερμού ατμού. Υπάρχει η δυνατότητα αξιοποίησης της απορριπτόμενης θερμότητας των μηχανών εσωτερικής καύσης για την παραγωγή θερμού ατμού. Η μεταφορά του ενεργειακά πιο συμπυκνωμένου ελαίου πυρόλυσης είναι πιο εύκολη οικονομική από τη μεταφορά της στερεής βιομάζας. Η κατασκευή και η λειτουργία μίας μονάδας πυρόλυσης βιομάζας φαίνεται να είναι φθηνότερη αν συγκριθεί με μία μονάδας καύσης βιομάζας ίδιας παραγόμενης ισχύος. Αυτό οφείλεται στο μεγαλύτερο ηλεκτρικό βαθμό απόδοσης που προκύπτει από τη χρήση ελαίου πυρόλυσης αντί της στερεής βιομάζας. Για παράδειγμα η κατασκευή μίας μονάδας πυρόλυσης τύπου RTP για παραγωγή ηλεκτρισμού ισχύος 30 MW el θα κόστιζε US $ ( kw el * $3.300/kW el ) και θα επεξεργαζόταν καθημερινά 400 ξηρής βιομάζας. Από την άλλη, η κατασκευή μίας μονάδας καύσης βιομάζας για παραγωγή ηλεκτρισμού ισχύος 30 MW el θα κόστιζε US $ ( kw el * $3.700/kW el ) και θα επεξεργαζόταν καθημερινά 690 τόνους βιομάζας. Εν συγκρίσει με το αέριο αεριοποίησης, το έλαιο πυρόλυσης δίνει τη δυνατότητα το σημείο παραγωγής του να είναι διαφορετικό από το σημείο κατανάλωσής του. Ακόμη δίνει τη δυνατότητα η παραγωγή του να είναι συνεχής, να μπορεί να αποθηκευτεί και η κατανάλωσή του να γίνεται στον επιθυμητό χρόνο π.χ. σε ώρες αιχμής. Όπως δηλαδή γίνεται με τους υπόλοιπους υγρούς υδρογονάνθρακες ( πετρέλαιο, βενζίνη )

257 4.7.5 Κινητή Μονάδα Πυρόλυσης : MPS 100 Πίνακας 4.21: Γενικά χαρακτηριστικά κινητής μονάδας πυρόλυσης MPS 100 Χώρα κατασκευής Καναδάς (London, Ontario) Έτος έναρξης λειτουργίας 2011 Μέθοδος ενεργειακής αξιοποίησης Πυρόλυση σε αντιδραστήρα αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης Παραγωγή ελαίου πυρόλυσης 3 τόνους ημερησίως Παραγωγή στερεών εξανθρακωμάτων 1,5 τόνο ημερησίως Βαθμός απόδοσης 60 % κ.β. Καύσιμο Πολλαπλά είδη λιγνοκυτταρινούχας βιομάζας Ιδιοκτήτης Agri Therm Κόστος κατασκευής (πρωτότυπο) CAD $ Επιδότηση - Κατασκευαστής Abuma Manufacturing

258 Λειτουργία μονάδας πυρόλυσης Η εταιρία Agri-Therm είναι μία εταιρία που έχει ως αντικείμενο την ανάπτυξη τεχνολογίας για την παραγωγή καυσίμων από βιομάζα. Ιδρύθηκε το 2009 από το πανεπιστήμιο του δυτικού Οντάριο ( The University of Western Ontario ) και στις μέρες μας διευθύνεται από την εταιρία WorlDiscoveries. Ένα από τα προϊόντα της Agri-Therm είναι η κατοχυρωμένη με πατέντα, κινητή μονάδα πυρόλυσης : MPS 100 η κατασκευή της οποίας πραγματοποιήθηκε από την εταιρία Abuma Manufacturing και κόστισε 3 εκατομμύρια καναδικά δολάρια (πρωτότυπο). Μέχρι και σήμερα όμως γίνονται δοκιμές και βελτιώσεις και η εταιρία δεν έχει ξεκινήσει πωλήσεις κινητών μονάδων πυρόλυσης. Η μονάδα πυρόλυσης MPS 100 είναι τοποθετημένη πάνω σε ένα ρυμουλκούμενο όχημα και είναι πτυσσόμενη καταλαμβάνοντας τον ελάχιστο δυνατό χώρο. Έχει τη δυνατότητα να επεξεργαστεί έως και 5 τόνους βιομάζας την ημέρα παράγοντας 3 τόνους έλαιο πυρόλυσης και 1 τόνο στερεών εξανθρακωμάτων. Τα στερεά εξανθρακώματα έχουν τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν στη παρασκευή λιπασμάτων. Τα παραγόμενα αέρια πυρόλυσης που δε γίνεται να συμπυκνωθούν στέλνονται πάλι πίσω στον αντιδραστήρα πυρόλυσης τύπου ρευστοποιημένης κλίνης. Είναι δηλαδή το μέσο ρευστοποίησης της κλίνης και με την καύση τους τροφοδοτούν με θερμότητα τις αντιδράσεις πυρόλυσης κάνοντας τη μονάδα ενεργειακά αυτόνομη. Ο επανασχεδιασμός της μονάδας κατέληξε στην κατασκευή της βελτιωμένης έκδοσης MPS 200 με δυνατότητα επεξεργασίας 6 τόνων βιομάζας ημερησίως. Το συγκεκριμένο μοντέλο σχεδιάζεται να τεθεί σε πειραματική λειτουργία στο Μεξικό (University of Veracruz) αξιοποιώντας τα υπολείμματα από καλλιέργειες ζαχαροκάλαμου. Τα μελλοντικά σχέδια της Agri-Therm είναι μετά από δοκιμή 12 μηνών σε πραγματικές συνθήκες του μοντέλου MPS 200 να περάσει στην κατασκευή του MPS 300 το οποίο θα έχει τη δυνατότητα επεξεργασίας 10 τόνων βιομάζας ημερησίως και θα παράγει 5,5 τόνους έλαιο πυρόλυσης και 2 τόνους στερεά εξανθρακώματα. [110, 112] Παραγωγή ενέργειας Η μονάδα MPS 100 είναι η μόνη κινητή μονάδα πυρόλυσης στον κόσμο με αντιδραστήρα αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης. Η μονάδα στοχεύει στην παραγωγή ελαίου πυρόλυσης αλλά παράλληλα παράγονται και σημαντικές ποσότητες στερεών εξανθρακωμάτων που μπορούν να βρουν διάφορες εφαρμογές. Διαχείριση Καυσαερίων Λόγω του ότι η κινητή μονάδα πυρόλυσης MPS 100 βρίσκεται ακόμη στο στάδιο της δοκιμαστικής πειραματικής λειτουργίας δεν είναι γνωστό αν προβλέπονται διατάξεις για τη διαχείριση των καυσαερίων που ενδεχομένως να παράγονται από τη λειτουργία της

259 Καύσιμο Εικόνα 4.32: Σύστημα τροφοδοσίας SPI 100 με το οποίο είναι εξοπλισμένη η κινητή μονάδα MPS 100 Η μονάδα MPS 100 είναι εξοπλισμένη με ένα νέου τύπου σύστημα τροφοδοσίας το οποίο αναπτύχθηκε και αυτό από την εταιρία Agri-Therm. Χάρη στο σύστημα τροφοδοσίας SPI 100 το οποίο εισάγει με περιοδικές εγχύσεις (pulse injection) τα σωματίδια βιομάζας μέσα στον αντιδραστήρα επιτυγχάνονται διάφορα πλεονεκτήματα έναντι άλλων συστημάτων: Έχουμε καλύτερο έλεγχο της ροής Χρειαζόμαστε σημαντικά λιγότερη ποσότητα αέρα για τη μεταφορά των σωματιδίων, που έχει ως συνέπεια το σύστημα τροφοδοσίας SPI 100 να καταναλώνει μικρότερα ποσά ενέργειας ( που χρειάζεται για τη συμπίεση του αέρα ) από άλλα πνευματικά συστήματα. Για παράδειγμα η παροχή μάζας των σωματιδίων που προωθούνται μπορεί να είναι έως και 20 φορές μεγαλύτερη από την παροχή μάζας του συμπιεσμένου αέρα που χρησιμοποιείται. Αυτό το χαρακτηριστικό είναι πολύ σημαντικό για την συνολική απόδοση της διάταξης. Η παροχή βιομάζας μπορεί να διατηρείται σταθερή και να ρυθμιστεί μέσω ηλεκτρομαγνητικών βαλβίδων από ένα ελάχιστο 0,5 gr/sec έως 55,5 gr/sec (δηλαδή 200 kg/h) Δεν επιτρέπει φαινόμενα αντιστροφής της ροής, σύνδεσης των σωματιδίων μεταξύ τους και καθυστέρησης της τροφοδοσίας να λάβουν χώρα. Μπορεί να διαχειρισθεί μία μεγάλη ποικιλία από είδη βιομάζας και σε μεγέθη από 30 μm (σκόνη) έως 3 cm (τσιπς). Η μονάδα MPS 100 μπορεί να δεχθεί διαφόρων ειδών βιομάζας όπως : πριονίδια, τσάμπουρα από οινοποιεία, άχυρο, πυρινόξυλο, αλέσματα από καφέ, υπολείμματα δασοκομίας και διαφόρων καλλιεργειών όπως του μήλου, του σταφυλιού, του καπνού, του ζαχαροκάλαμου, του καλαμποκιού, κτηνοτροφικά απόβλητα όπως π.χ. από κοτόπουλα και άλογα ακόμη και ιλύ από μονάδες επεξεργασίας λυμάτων κ.ά. Αναλόγως τη βιομάζα που χρησιμοποιείται προκύπτει και αντίστοιχη σύνθεση των προϊόντων. Πάντως η ξυλώδης βιομάζα έχει ως αποτέλεσμα τη μεγιστοποίηση της παραγωγής ελαίου πυρόλυσης. [112]

260 Συμπερασματικά Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα της μονάδας πυρόλυσης MPS 100 είναι ότι μπορεί να ρυμουλκηθεί. Είναι δηλαδή ιδανική για την αξιοποίηση εποχιακών αποθεμάτων βιομάζας σε απομακρυσμένες αγροτικές περιοχές. Πρέπει να αναφερθεί ότι στην περίπτωση μίας σταθερής εργοστασιακής μονάδας η μεταφορά της βιομάζας από απόσταση άνω των 100 χιλιομέτρων κρίνεται ασύμφορη. Έτσι, τα προϊόντα πυρόλυσης καθώς έχουν μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα από την αρχική βιομάζα μπορούν να μειώσουν σημαντικά το κόστος μεταφοράς και αποθήκευσης. Για παράδειγμα, χρειάζονται 5 φορτηγά πριονίδι για να μετακινήσουμε το ίδιο ενεργειακό περιεχόμενο (BTU) με 2 φορτηγά που μεταφέρουν έλαιο πυρόλυσης

261 4.7.6 Κινητή Μονάδα Πυρόλυσης : Huber Πίνακας 4.22: Γενικά χαρακτηριστικά κινητής μονάδας πυρόλυσης Huber Χώρα κατασκευής Η.Π.Α. Έτος έναρξης λειτουργίας 2010 (πειραματικό επίπεδο) Μέθοδος ενεργειακής αξιοποίησης Καταλυτική πυρόλυση σε αντιδραστήρα κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης Παραγωγή αρωματικών υδρογονανθράκων - τόνους ημερησίως (ΒΤΧ) και ολεφινών Βαθμός απόδοσης 50 γαλόνια ανά τόνο βιομάζας. Καύσιμο Πολλαπλά είδη λιγνοκυτταρινούχας βιομάζας Απόβλητα πλαστικά υλικά Ιδιοκτήτης Anellotech Κόστος κατασκευής - Επιδότηση - Κατασκευαστής University of Massachusetts Amherst

262 Λειτουργία μονάδας πυρόλυσης Η εταιρία Anellotech έχει κατοχυρώσει την αποκλειστικότητα στην επιχειρηματική εκμετάλλευση μίας πολλά υποσχόμενης τεχνολογίας πυρόλυσης βιομάζας για την παραγωγή ολεφινών όπως αιθυλένιο και προπυλένιο και αρωματικών ενώσεων (ΒΤΧ) όπως βενζόλιο, τολουόλιο και ξυλόλια τα οποία μπορούν να απορροφηθούν, χωρίς καμία επεξεργασία, από την υπάρχουσα πετροχημική βιομηχανία και από την υπάρχουσα υποδομή υγρών καυσίμων κίνησης. Τα προϊόντα της συγκεκριμένης μονάδας πυρόλυσης αναμένεται να είναι πολύ πιο φθηνά και ίδιας ποιότητας με τα αντίστοιχα που παράγονται από την διύλιση του πετρελαίου. Η πολύ οικονομική παραγωγή τους οφείλεται στο γεγονός ότι όλες οι χημικές αντιδράσεις πραγματοποιούνται μόνο σε έναν αντιδραστήρα χρησιμοποιώντας ένα φθηνό καταλύτη και παράλληλα φθηνή πρώτη ύλη - βιομάζα. Η τεχνολογία που εφαρμόζει η μονάδα αναπτύχθηκε από το εργαστήριο του καθηγητή George Huber στο πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης (University of Massachusetts Amherst) και οι εφαρμογές της έχουν κατοχυρωθεί με πατέντα ( Biomass to Aromatics TM ). [113,116] Καύσιμο Η μονάδα πυρόλυσης Huber μπορεί να δεχθεί διαφόρων ειδών βιομάζας όπως πριονίδι, απόβλητη ξυλεία, κοτσάνια καλαμποκιού, υπολείμματα ζαχαροκάλαμου - (bagasse), προϊόντα από ενεργειακές καλλιέργιες και κάθε είδους γεωργικά απόβλητα. Γενικά μπορεί να δεχθεί κάθε είδους λιγνοκυτταρινούχα βιομάζα. Το ενδιαφέρων όμως είναι ότι η συγκεκριμένη μονάδα πυρόλυσης έχει τη δυνατότητα να δεχθεί απόβλητα πλαστικά υλικά. Γενικά Η λιγνοκυτταρινούχα βιομάζα αποτελείται από τα εξής 3 βασικά δομικά συστατικά: λιγνίνη, κυτταρίνη και ημικυτταρίνη. Κάθε ένα από αυτά τα συστατικά παρουσιάζει διαφορετική συμπεριφορά κατά την πυρόλυση και αποδίδει διαφορετικά προϊόντα. Το έλαιο πυρόλυσης αποτελείται από τα προϊόντα διάσπασης της λιγνίνης, της κυτταρίνης και της ημικυτταρίνης και επομένως η σύστασή του επηρεάζεται καθοριστικά από την περιεκτικότητα της πρώτης ύλης σε αυτά τα συστατικά. Όπως έχουμε αναφέρει μπορούμε σε κατάλληλους αντιδραστήρες πυρόλυσης να επιτύχουμε παραγωγή ελαίου πυρόλυσης έως και 75% του αρχικού βάρους της βιομάζας. Με τη χρήση καταλύτη στη διεργασία (καταλυτική πυρόλυση βιομάζας) δύναται να βελτιωθεί η ποιότητα του παραγόμενου ελαίου πυρόλυσης, να ευνοηθεί η παραγωγή των επιθυμητών συστατικών και να περιοριστεί η παραγωγή των ανεπιθύμητων

263 Παραγωγή ενέργειας Εικόνα 4.33: Διεργασία πυρόλυσης της κινητής μονάδας Huber Στην εικόνα 4.33 απεικονίζεται ένα απλό διάγραμμα της διεργασίας που εφαρμόζεται στην κινητή μονάδα πυρόλυσης Huber. Σε πρώτη φάση η βιομάζα τεμαχίζεται σε πολύ μικρά σωματίδια και μετά από μία διεργασία ξήρανσης μειώνεται περαιτέρω η υγρασία της. Στη συνέχεια τα σωματίδια βιομάζας προωθούνται με έγχυση (injection) μέσα σε έναν αντιδραστήρα κυκλοφορούσας ρευστοποιημένης κλίνης. Εκεί απουσία οξυγόνου, η βιομάζα πυρολύεται στη θερμοκρασία των 600 ο C και παράγονται αέρια πυρόλυσης και στερεά εξανθρακώμτα. [114] Το μέσο πλήρωσης της ρευστοποιημένης κλίνης είναι κόκκοι γάλλιου-ζεόλιθου (Ga/ZSM-5) με μεγάλη μοριακή αναλογία πυριτίου προς αλουμίνιο (Si/Al = 60). Η εισερχόμενη ροή μάζας των κόκκων ζεόλιθου είναι από 5 έως 20 φορές μεγαλύτερη από τη ροή της εισερχόμενης βιομάζας. Οι ζεόλιθοι αποτελούν ιδιαίτερη κατηγορία υλικών με πορώδες μικροδομή που παρουσιάζουν υψηλή καταλυτική εκλεκτικότητα στη μετατροπή μορίων που προέρχονται από τη θερμική αποδόμηση της βιομάζας σε αρωματικούς υδρογονάνθρακες και ολεφίνες. Είναι ιδιαίτερα διαδεδομένοι και η τιμή τους είναι σχετικά χαμηλή. Γενικά, ως αρωματικοί υδρογονάνθρακες χαρακτηρίζονται οι οργανικές ενώσεις των οποίων τα άτομα του άνθρακα σχηματίζουν δακτύλιο (αποτελούμενο από 6 άτομα άνθρακα). Ο χρόνος που χρειάζεται για να λάβουν χώρα οι αντιδράσεις σχηματισμού των αρωματικών ουσιών μέσα στον καταλύτη είναι λιγότερο από 2 min. Αυξομειώνοντας το χρόνο που διατίθεται για να λάβουν χώρα οι αντιδράσεις, επιτυγχάνεται και η παραγωγή διαφορετικού μείγματος υγρών υδρογονανθράκων

264 Στην εικόνα 4.34 παρουσιάζεται η σειρά των αντιδράσεων για την περίπτωση καταλυτικής πυρόλυσης των μορίων κυτταρίνης. Τα παραγόμενα αέρια πυρόλυσης εισέρχονται μέσα στους πόρους του καταλύτη και μετατρέπονται σε αρωματικούς υδρογονάνθρακες και ολεφίνες σε αέρια κατάσταση ενώ παράλληλα παράγονται ποσότητες CO, CO 2, H 2 O και στερεών εξανθρακωμάτων. [115] Εικόνα 4.34: Καταλυτική πυρόλυση κυτταρίνης Η διάταξη πυρόλυσης Huber είναι μία σχετικά απλή κατασκευή και αυτό έχει μεγάλη σημασία στο κόστος της. Το πιο σημαντικό ρόλο στη συγκεκριμένη διεργασία διαδραματίζει ο καταλύτης που χρησιμοποιείται. Οι ζεόλιθοι ως καταλύτες αναπτύχθηκαν το 1975 από τη Mobile Oil και έκτοτε χρησιμοποιούνται ευρέως στις αντιδράσεις διύλισης του πετρελαίου. Η περαιτέρω έρευνα πάνω στους ζεόλιθους οδήγησε στην κατασκευή ζεόλιθων (Ga/ZSM-5) κατάλληλης σύνθεσης που να επιτυγχάνουν μεγάλα ποσοστά μετατροπής των αερίων πυρόλυσης βιομάζας σε αρωματικές ουσίες και ολεφίνες (αλκένια). Αυτό που έχει μεγάλη σημασία είναι το μέγεθος των πόρων του καταλύτη. Αν οι πόροι είναι πολύ μεγάλοι παγιδεύονται μικρά σωματίδια εξανθρακωμάτων και ο καταλύτης καταστρέφεται. Αν οι πόροι είναι πολύ μικροί τα αντιδρώντα δεν χωρούν στο εσωτερικό τους. Οι αντιδραστήρες της εταιρίας Anellotech έχουν μεγάλες ομοιότητες με αυτούς που χρησιμοποιούνται στη διύλιση πετρελαίου. Όμως έχουν σχεδιασθεί με τέτοιο τρόπο ώστε να επιτυγχάνονται υψηλοί συντελεστές μετάδοσης θερμότητας και κατάλληλη ρευστοδυναμική ώστε τα αντιδρώντα να εισέρχονται στον καταλύτη πριν αυτά μετασχηματιστούν σε στερεά εξανθρακώματα. Υψηλοί ρυθμοί μετάδοσης θερμότητας προς τη βιομάζα και μεγάλος λόγος ροής μάζας καταλύτη προς ροή βιομάζας μέσα στον αντιδραστήρα, ενισχύουν το σχηματισμό αρωματικών ενώσεων και μειώνουν το σχηματισμό των στερεών εξανθρακωμάτων. Όλα τα αέρια προϊόντα των αντιδράσεων, το υλικό πλήρωσης και τα στερεά εξανθρακώματα οδηγούνται σε ένα κυκλώνα ( catalyst separator ) για να γίνει ο διαχωρισμός αερίων και στερεών. Τα στερεά σωματίδια αποτελούνται από στερεά εξανθρακώματα και σωματίδια καταλύτη (Ga/ZSM-5) των οποίων η επιφάνεια έχει καλυφθεί από ένα στρώμα εξανθρακωμάτων περιορίζοντας έτσι την αντιδραστικότητα του καταλύτη. Όλα αυτά τα σωματίδια οδηγούνται σε ένα αντιδραστήρα ( catalyst regenerator ) για να πραγματοποιηθεί η καύση των στερεών εξανθρακωμάτων η οποία προσφέρει την αναγκαία για τις αντιδράσεις

265 πυρόλυσης θερμότητα, και η αναγέννηση του καταλύτη. Στη συνέχεια τα θερμά σωματίδια του αναγεννημένου καταλύτη οδηγούνται εκ νέου στον αντιδραστήρα πυρόλυσης. Οι αέριες ποσότητες που παράγονται από τον αντιδραστήρα πυρόλυσης οδηγούνται προς συμπύκνωση. Μετά το στάδιο της συμπύκνωσης προκύπτει ένα μείγμα από αρωματικούς υδρογονάνθρακες (BTX), ολεφίνες και νερό ενώ τα αέρια που δε γίνεται να συμπυκνωθούν (CO, CO 2 και H 2 ) οδηγούνται εκ νέου στον αντιδραστήρα πυρόλυσης όπου με την καύση τους τροφοδοτούν με θερμική ενέργεια τις αντιδράσεις πυρόλυσης. Το παραγόμενο μείγμα αρωματικών ενώσεων (ΒΤΧ) και ολεφινών μετά το σχετικά εύκολο διαχωρισμό του από το νερό, μπορεί να πωληθεί στην πετροχημική βιομηχανία ώστε να διαχωριστεί σε υπάρχουσες εγκαταστάσεις διυλιστήρια. Η συγκεκριμένη διάταξη πυρόλυσης έχει τη δυνατότητα να παράγει 50 γαλόνια ( 227,3 lit) μείγμα αρωματικών ενώσεων και ολεφινών από κάθε τόνο βιομάζας που πυρολύεται. Δηλαδή επιτυγχάνει μία παραγωγή περίπου 40 % του αρχικού βάρους βιομάζας που πυρολύεται. Στην εικόνα 4.35 παρουσιάζονται τα προϊόντα από την καταλυτική πυρόλυση τεσσάρων βασικών οργανικών ουσιών: ξυλιτόλη, γλυκόζη, κελλοβιόζη και κυτταρίνη που αποτελεί το κυριότερο συστατικό της βιομάζας. Παρατηρούμε ότι στην περίπτωση της καταλυτικής πυρόλυσης της κυτταρίνης οι αρωματικές ουσίες περιέχουν το 30 % της ποσότητας άνθρακα του μορίου της κυτταρίνης που πυρολύθηκε. [115] Εικόνα 4.35: Προϊόντα καταλυτικής πυρόλυσης ξυλιτόλης, γλυκόζης, κελλοβιόζης και κυτταρίνης Διαχείριση Καυσαερίων H κινητή μονάδα πυρόλυσης Huber οδηγεί τις πλεονάζουσες ποσότητες αερίων που προκύπτουν από τη διεργασία της καταλυτικής πυρόλυσης (CO, CO 2, H 2 ) προς καύση (όσες δηλαδή δε γίνεται να σταλούν στον αντιδραστήρα πυρόλυσης λόγω κορεσμού). Δεν υπάρχουν συστήματα διαχείρισης των καυσαερίων που προκύπτουν. Όσο αναφορά τους αρωματικούς υδρογονάνθρακες που παράγονται μπορούν να αναμιχθούν σε ποσοστό μέχρι και 25 % με βενζίνη για καύση στις υπάρχουσες μηχανές εσωτερικής καύσης. Με αυτό τον τρόπο προκύπτουν σημαντικά περιβαλλοντικά οφέλη καθώς η καύση τους ( αφού προέρχονται από θερμική επεξεργασία βιομάζας ) δε συνεισφέρει στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. Οι ποσότητες CO 2 που απελευθερώνονται κατά την καύση τους έχουν ήδη δεσμευτεί από την ατμόσφαιρα για τη δημιουργία της βιομάζας

266 Συμπερασματικά Υπάρχουν πολλές διαθέσιμες τεχνολογίες για τη μετατροπή της βιομάζας σε καύσιμα, μερικές από τις οποίες βρίσκονται ήδη σε εμπορική εφαρμογή όπως π.χ. η μετατροπή φυτικών ελαίων σε βιοντίζελ και σακχαρούχων καρπών σε βιοαιθανόλη. Λόγω του υψηλού κόστους όμως, οι τεχνολογίες αυτές δεν έχουν τη δυνατότητα να ανταγωνιστούν τα ορυκτά καύσιμα και η βιωσιμότητά τους βασίζεται σε κρατικές επιδοτήσεις και φοροαπαλλαγές. Επιπλέον, η εκτροπή της πρώτης ύλης από την τροφική αλυσίδα με σκοπό την ενεργειακή αξιοποίησή της καθώς και η αντικατάσταση των παραδοσιακών καλλιεργειών με ενεργειακές, οδηγεί σε αύξηση των τιμών των τροφίμων παγκοσμίως. Η λιγνοκυτταρινούχα βιομάζα είναι μία ελκυστική εναλλακτική ανανεώσιμη πηγή ενέργειας η οποία δεν ανταγωνίζεται την τροφική αλυσίδα. Αποτελεί μία πολύ φθηνή πρώτη ύλη η οποία βρίσκεται σε μεγάλη αφθονία τόσο σε ανεπτυγμένα όσο και σε αναπτυσσόμενα κράτη και η αξιοποίησή της συμβάλει στην ενεργειακή αυτονομία και στην ενίσχυση των εγχώριων οικονομικών δραστηριοτήτων. Η συγκεκριμένη διεργασία καταλυτικής πυρόλυσης που αναπτύχθηκε από το πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης φαίνεται να έχει καλές προοπτικές καθώς υπάρχει μεγάλη και σταθερή ζήτηση για τα προϊόντα που παράγονται. Οι ολεφίνες αλλά και οι αρωματικοί υδρογονάνθρακες μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην παραγωγή πλαστικών, διαλυτών και άλλων χημικών. Στις μέρες μας η παραγωγή BTX από διύλιση πετρελαίου κοστίζει US $3 το γαλόνι ενώ χρησιμοποιώντας τη μονάδα πυρόλυσης του Huber το κόστος παραγωγής υπολογίζεται μεταξύ US $1-2 το γαλόνι. Μέχρι στιγμής όμως οι διατάξεις που έχουν κατασκευαστεί είναι εργαστηριακής κλίμακας. Είναι αμφίβολο αν θα μπορούσε να κατασκευαστεί τα προσεχή χρόνια μία μονάδα μεγάλης κλίμακας εφαρμόζοντας τη συγκεκριμένη τεχνολογία διότι είναι ιδιαίτερα δύσκολο να αναπαραχθούν οι ίδιες παράμετροι των αντιδράσεων που επιτεύχθηκαν σε εργαστηριακή κλίμακα. Συνεπώς η συγκεκριμένη μέθοδος καταλυτικής πυρόλυσης έχει χαρακτηριστικά που ταιριάζουν περισσότερο στην κατασκευή κινητών μονάδων πυρόλυσης. Παρόλα αυτά η εταιρία Anellotech σχεδιάζει την κατασκευή μίας μονάδας καταλυτικής πυρόλυσης βιομηχανικής κλίμακας μέσα στο 2014 η οποία θα έχει τη δυνατότητα να δέχεται τόνους βιομάζας ημερησίως

267 4.7.7 Μονάδα Συμπαραγωγής Ηλεκτρισμού Θερμότητας και Ελαίου Πυρόλυσης : Empyro Πίνακας 4.23: Γενικά χαρακτηριστικά μονάδας πυρόλυσης Empyro Χώρα εγκατάστασης Ολλανδία ( Hengelo ) Έτος έναρξης λειτουργίας Μέθοδος ενεργειακής αξιοποίησης Πυρόλυση σε αντιδραστήρα περιστρεφόμενου κώνου Ισχύς ηλεκτρική 0,8 MW el Παραγωγή ελαίου πυρόλυσης τόνοι ετησίως Παραγωγή ηλεκτρισμού MWh ετησίως Παραγωγή ατμού τόνοι ετησίως Βαθμός απόδοσης 65% - 70% κ.β Καύσιμο Ξυλώδης βιομάζα Ιδιοκτήτες Empyro BV, Tree Power BV Κόστος κατασκευής Υπό κατασκευή. Εκτίμηση : ( /τόνο βιομάζας την ώρα) Επιδότηση Ευρωπαϊκή Ένωση (7th Framework Programme) Ανάδοχος έργου BTG BTL

268 Λειτουργία μονάδας πυρόλυσης Η τεχνολογία πυρόλυσης βιομάζας σε αντιδραστήρα περιστρεφόμενου κώνου αρχικά αναπτύχθηκε από πανεπιστήμιο της Ολλανδίας (University of Twente) στις αρχές της δεκαετίας του 90. Η εταιρία BTG (Biomass Technology Group) ανέλαβε την περαιτέρω ανάπτυξη της τεχνολογίας και κατασκεύασε δύο πειραματικές μονάδες πυρόλυσης βιομάζας τύπου περιστρεφόμενου κώνου στις εργαστηριακές της εγκαταστάσεις στην πόλη Enschede της Ολλανδίας. Πολλά πειράματα πραγματοποιήθηκαν με σκοπό τη βελτιστοποίηση της διεργασίας και τη μελέτη της συμπεριφοράς διαφορετικών ειδών βιομάζας. Η πρώτη πιλοτική μονάδα κατασκευάστηκε από την εταιρία το 1998 με δυνατότητα να δέχεται μέχρι και 200 kg βιομάζας / h. Μέχρι σήμερα έχουν παραχθεί περισσότεροι από 50 τόνοι ελαίου πυρόλυσης από τη συγκεκριμένη μονάδα. Η δεύτερη εργαστηριακή μονάδα κατασκευάστηκε το 2004 με δυνατότητα να δέχεται 2-5 kg βιομάζας / h. Ο λόγος κατασκευής της ήταν η δυνατότητα οικονομικότερης και μικρότερης κλίμακας διεξαγωγής πειραμάτων με διάφορα είδη βιομάζας. Με τη συγκεκριμένη μονάδα μελετήθηκε η συμπεριφορά περισσότερων από 45 διαφορετικών ειδών βιομάζας. [118] Εικόνα 4.36: Μονάδα πυρόλυσης της εταιρίας BTG στη Μαλαισία Η εταιρία BTG το 2005 ολοκλήρωσε την κατασκευή μίας μονάδας πυρόλυσης τύπου περιστρεφόμενου κώνου εργοστασιακής κλίμακας στη Μαλαισία η οποία σχεδιάστηκε με δυνατότητα να δέχεται 2 τόνους βιομάζας / h (τελικά αποδείχθηκε ότι για συνεχή λειτουργία 24 ωρών η πραγματική δυνατότητα του εργοστασίου είναι 1,7 τόνοι βιομάζας / h). Η μονάδα πυρόλυσης κατασκευάστηκε δίπλα από μία μονάδα παραγωγής φοινικέλαιου (βρώσιμο φυτικό λάδι με χαμηλό κόστος παραγωγής που εξάγεται από τον καρπό του φοινικόδεντρου Elaeis guyneensis που ευδοκιμεί στην Αφρική, Νοτιοανατολική Ασία και Νότια Αμερική). Ως βιομάζα χρησιμοποιούνται τα άδεια τσαμπιά (empty fruit bunches - EFB) που περιέχουν τους καρπούς από τους οποίους εξάγεται το φοινικέλαιο. Πριν την κατασκευή της μονάδας πυρόλυσης τα άδεια τσαμπιά αποτεφρώνονταν χωρίς να αξιοποιούνται ενεργειακά. Η βιομάζα πριν εισέρθει στον αντιδραστήρα συμπιέζεται, τεμαχίζεται και στη συνέχεια ξηραίνεται. Η μείωση της υγρασίας της βιομάζας από το 65 % στο 5 % επιτυγχάνεται μέσω θερμότητας που παράγεται από την ίδια τη μονάδα πυρόλυσης. Η τέφρα από το συγκεκριμένο καύσιμο λιώνει σε μικρή σχετικά θερμοκρασία (700 ο C) γι αυτό ήταν απαραίτητες ρυθμίσεις στον αντιδραστήρα καύσης ώστε η θερμοκρασία μέσα στον αντιδραστήρα να μην υπερβαίνει αυτό το όριο. Το έλαιο πυρόλυσης (1,2 τόνους / h) που παράγει η μονάδα χρησιμεύει ως υποκατάστατο του πετρελαίου diesel σε λέβητα μονάδας διαχείρισης αστικών λυμάτων. Το 2007 η εταιρία BTG ίδρυσε την εταιρία BTG - BTL ( BTG BioLiquids B.V.) με σκοπό την περαιτέρω εμπορική αξιοποίηση όλης της τεχνογνωσίας που είχε αποκτηθεί από τη λειτουργία των δύο πειραματικών και της εργοστασιακής μονάδας που είχαν κατασκευαστεί. [118]

269 Εικόνα 4.37: Ανάπτυξη μονάδων πυρόλυσης από την εταιρία BTG Empyro project : Είναι ένα πρόγραμμα το οποίο ξεκίνησε το Δεκέμβριο του 2009 και αναμένεται να λήξει το Νοέμβριο του Ο στόχος αυτού του προγράμματος είναι η κατασκευή μίας μονάδας πυρόλυσης η οποία θα παράγει ηλεκτρισμό, ατμό διεργασιών και έλαιο πυρόλυσης χρησιμοποιώντας ως καύσιμο, ξυλώδης βιομάζα. Επίσης στοχεύετε η ανάκτηση οξικού οξέος από το υδάτινο διάλυμα οργανικών οξέων που παράγεται από τη διεργασία παραγωγής του ελαίου πυρόλυσης. Επικεφαλής του προγράμματος είναι η εταιρία BTG (Biomass Technology Group B.V.) ενώ η κατασκευή της μονάδας θα λάβει χώρα από μία κοινοπραξία 9 εταιριών. Ο νομικός φορέας της μονάδας είναι η εταιρία Empyro B.V. Η κατασκευή της μονάδας Empyro αναμενόταν να ξεκινήσει το φθινόπωρο του 2012 ενώ έχει εξασφαλιστεί η χρηματοδότηση και η περιβαλλοντική άδεια της μονάδας. [117] Η μονάδα θα κατασκευαστεί παρακείμενα του εργοστασίου παραγωγής αλατιού της εταιρίας AkzoNobel στην πόλη Hengelo της Ολλανδίας. Το συγκεκριμένο εργοστάσιο της AkzoNobel παράγει τόνους αλάτι το χρόνο και απασχολεί 400 εργαζόμενους. Οι απαραίτητες ποσότητες ατμού για την παραγωγή αλατιού έως σήμερα εξασφαλίζονται κυρίως από μία γειτονική μονάδα συμπαραγωγής ηλεκτρισμού θερμότητας που ως καύσιμο χρησιμοποιεί φυσικό αέριο. Η μονάδα Empyro θα καλύπτει μέρος των αναγκών του εργοστασίου της AkzoNobel σε ατμό. Η Ολλανδική κυβέρνηση στα πλαίσια προώθησης παραγωγής ηλεκτρισμού θερμότητας από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας έχει ευνοϊκά τιμολόγια για την προσφερόμενη ενέργεια από αντίστοιχες μονάδες. Πρόσφατα καθορίστηκε η τιμή αγοράς θερμικής ενέργειας από λέβητα ( ισχύος μεγαλύτερης από 0,5 MW th ) που τροφοδοτείται με έλαιο πυρόλυσης προς 20,8 /GJ. Αυτή η αναγνώριση του ελαίου πυρόλυσης ως καύσιμο αναμένεται να ενισχύσει τη διάδοση των λεβήτων που θα το χρησιμοποιούν και προφανώς αναμένεται να ενισχύσει τις πωλήσεις σε έλαιο πυρόλυσης της μονάδας Empyro. [117] Εικόνα 4.38: Μονάδα πυρόλυσης Empyro

270 Εικόνα 4.39: Δείγμα υδατικού διαλύματος οργανικών οξέων που θα παράγεται από τη μονάδα Empyro Κατά την αναβάθμιση ( upgrading ) του ελαίου πυρόλυσης παράγεται ένα κίτρινο, διαφανές υδατικό διάλυμα οργανικών οξέων που φαίνεται και στην εικόνα Αυτό το διάλυμα περιέχει οξικό οξύ, μυρμηκικό οξύ, προπιονικό οξύ και μία μικρή ποσότητα φουρφουράλης. Το οξικό οξύ εμφανίζεται σε ικανές συγκεντρώσεις ώστε να είναι δυνατή η βιώσιμη ανάκτησή του. Η τεχνική η οποία θα χρησιμοποιηθεί για την ανάκτηση του οξικού οξέως στη μονάδα Empyro δεν είναι ακόμη γνωστή καθώς η διαδικασία της ανάκτησης βρίσκεται ακόμη σε πειραματικό εργαστηριακό επίπεδο. Σήμερα δεν υπάρχει καμία μονάδα πυρόλυσης βιομάζας βιομηχανικής κλίμακας στην Ευρώπη που να παράγει έλαιο πυρόλυσης. Η μονάδα πυρόλυσης Empyro ίσως θα είναι η πρώτη που θα κατασκευαστεί με δυνατότητα να δέχεται 120 τόνους βιομάζα την ημέρα που ισοδυναμεί με εισερχόμενη θερμική ενέργεια 25 MW th. Σε ετήσια βάση η μονάδα θα είναι σε θέση να παράγει τόνους ελαίου πυρόλυσης, MWh ηλεκτρική ενέργεια και τόνους ατμού. [117] Καύσιμο Γενικά, η διάταξη πυρόλυσης τύπου περιστρεφόμενου κώνου μπορεί να δεχθεί πολλών ειδών καυσίμων. Θα πρέπει όμως να επεξεργαστούν ώστε το πάχος τους να είναι γίνει μικρότερο από 3 mm και η υγρασία τους να γίνει λιγότερη από 10 % κ.β. κατά την είσοδό τους στον αντιδραστήρα. Ένας ξηραντήρας είναι ενσωματωμένος στη διάταξη της btg-btl ο οποίος κάνει χρήση της απορριπτόμενης θερμότητας από τη διεργασία της πυρόλυσης αυξάνοντας έτσι το συνολικό βαθμό απόδοσης της μονάδας. Επίσης τα σωματίδια βιομάζας πριν εισέρθουν στο ξηραντήρα κοσκινίζονται ώστε να διαχωρίζονται ανεπιθύμητα σωματίδια όπως μικρές πέτρες. Οι πειραματικές δοκιμές έχουν δείξει ότι το είδος της βιομάζας που χρησιμοποιείται επιδρά πάνω στην ποσότητα και την ποιότητα του παραγόμενου ελαίου πυρόλυσης καθώς και στον επιμέρους σχεδιασμό του εργοστασίου αλλά και στις διαστάσεις του. Γενικά, η υψηλή περιεκτικότητα σε λιγνίνη της βιομάζας περιορίζει την παραγωγή ελαίου πυρόλυσης ενώ η υψηλή περιεκτικότητα σε κυτταρίνη ενισχύει την παραγωγή ελαίου πυρόλυσης. Έχει διαπιστωθεί ότι η ξυλώδης βιομάζα ως καύσιμο έχει την καλύτερη συμπεριφορά. [118] Η μονάδα πυρόλυσης Empyro θα δέχεται ξυλώδη βιομάζα τύπου Α-wood, τσιπς ξύλου, πέλλετ καθώς και κλαδέματα από τη βιώσιμη διαχείριση των δασών της περιοχής. Ως ξυλώδη βιομάζα τύπου Α-wood ορίζουμε καθαρή απορριπτόμενη ξυλεία από διάφορες βιοτεχνίες που δεν έχει βαφεί και δεν περιέχει βλαβερές για το περιβάλλον προσμίξεις. Όλη η βιομάζα θα συγκεντρώνεται και θα επεξεργάζεται σε ένα χώρο που απέχει 20 χλμ από τη μονάδα. Στη συνέχεια θα μεταφέρεται στη μονάδα Empyro με φορτηγά

271 Παραγωγή ενέργειας Εικόνα 4.40: Διάταξη πυρόλυσης τύπου περιστρεφόμενου κώνου της εταιρίας BTG - BTL Η τεχνολογία πυρόλυσης που ανέπτυξε η εταιρία BTG BTL χρησιμοποιεί αντιδραστήρα πυρόλυσης τύπου περιστρεφόμενου κώνου. Όπως φαίνεται και από το παραπάνω διάγραμμα μικρά σωματίδια βιομάζας θερμοκρασίας περιβάλλοντος και θερμή άμμος εισάγονται στο εσωτερικό ενός περιστρεφόμενου κώνου. Εκεί τα σωματίδια έρχονται σε επαφή με αποτέλεσμα την πυρόλυση των σωματιδίων βιομάζας. Λόγω της περιστροφής του κώνου αναπτύσσονται φυγόκεντρες δυνάμεις στα σωματίδια τα οποία προωθούνται προς το άνω χείλος του κώνου για να τον εγκαταλείψουν και να πέσουν στη βάση του αντιδραστήρα. Η άμμος και τα στερεά εξανθρακώματα που προκύπτουν οδηγούνται σε ένα διαφορετικό αντιδραστήρα ρευστοποιημένης κλίνης για να λάβει χώρα η καύση των στερεών εξανθρακωμάτων. Ως μέσο ρευστοποίησης του αντιδραστήρα χρησιμοποιείται ατμοσφαιρικός αέρας. Εκεί η άμμος παραλαμβάνει θερμότητα που εκλύεται κατά την καύση και οδηγείται εκ νέου στο εσωτερικό του περιστρεφόμενου κώνου. Τα καυσαέρια που προκύπτουν στον αντιδραστήρα καύσης διέρχονται από ένα κυκλώνα έτσι ώστε να απομακρυνθούν τα σωματίδια τέφρας και άμμου που έχουν παρασυρθεί. Στη συνέχεια οδηγούνται προς καύση για να καούν όσα από τα αέρια συστατικά τους μπορούν να καούν. Τα αέρια πυρόλυσης που παράγονται στον αντιδραστήρα πυρόλυσης οδηγούνται προς συμπύκνωση έτσι ώστε να παραχθεί το έλαιο πυρόλυσης. Τα αέρια πυρόλυσης που δε γίνεται να συμπυκνωθούν μέσα στον συμπυκνωτήρα οδηγούνται προς καύση. [118, 119] Στον συμπυκνωτήρα παρατηρούμε ότι η θερμότητα που εκλύεται κατά τη συμπύκνωση των ατμών πυρόλυσης θα μπορούσε να αξιοποιηθεί για τη θέρμανση νερού προκειμένου να καλυφθούν οι ανάγκες ενός δικτύου τηλεθέρμανσης. Από την καύση των αερίων πυρόλυσης που δε γίνεται να συμπυκνωθούν και των καυσαερίων που μπορούν να καούν παράγεται ατμός o οποίος χρησιμοποιείται από έναν ατμοστρόβιλο για παραγωγή ηλεκτρισμού. Ο ατμός χαμηλής πίεσης που προκύπτει στην

272 έξοδο του ατμοστροβίλου χρησιμοποιείται για τη ξήρανση της εισερχόμενης βιομάζας ενώ επίσης στέλνονται ποσότητες στο παρακείμενο εργοστάσιο παραγωγής αλατιού( AkzoNobel). Από τη μέθοδο πυρόλυσης που περιγράφηκε μπορεί να επιτευχθεί παραγωγή ποσότητας ελαίου πυρόλυσης ίση με περίπου το 70 % του αρχικού βάρους βιομάζας που πυρολύθηκε. Το υπόλοιπο 30 % αποτελούν τα στερεά εξανθρακώματα και τα αέρια πυρόλυσης που δε γίνεται να συμπυκνωθούν όπως φαίνεται και στην εικόνα Εικόνα 4.41: Διεργασία πυρόλυσης τύπου περιστρεφόμενου κώνου Χαρακτηριστικό αυτής της διάταξης είναι το σχετικά μικρό μέγεθος του αντιδραστήρα πυρόλυσης. Επίσης το γεγονός ότι η καύση γίνεται σε ξεχωριστό αντιδραστήρα από την πυρόλυση σημαίνει ότι τα παραγόμενα αέρια πυρόλυσης δεν είναι αναμιγμένα με τα καυσαέρια. Αυτό έχει ως συνέπεια τα αέρια πυρόλυσης που εγκαταλείπουν τον αντιδραστήρα πυρόλυσης να έχουν μεγάλο ενεργειακό περιεχόμενο και η παροχή μάζας τους είναι μικρότερη κάνοντας ευκολότερη την περαιτέρω διαχείριση τους. Τέλος το παραγόμενο έλαιο πυρόλυσης είναι σχετικά καθαρό από προσμίξεις στερεών σωματιδίων (0,05% κ.β.). Στον πίνακα 4.24 παρουσιάζονται ορισμένα βασικά χαρακτηριστικά του ελαίου πυρόλυσης που παράγεται από τη μέθοδο της BTG BTL για την περίπτωση της ξυλώδους βιομάζας. Στην εικόνα 4.42 παρουσιάζεται πως μεταβάλλεται το ιξώδες του ελαίου πυρόλυσης (cst) συναρτήσει της θερμοκρασίας ( ο C). [120] Πίνακας 4.24 : Χαρακτηριστικά ελαίου πυρόλυσης BTG - BTL Χαρακτηριστικά ελαίου πυρόλυσης BTG BTL Πυκνότητα kg/m 3 Κατώτερη θερμογόνος δύναμη MJ/kg Περιεχόμενο σε νερό % Οξύτητα 2,5 3,5 PH

273 Εικόνα 4.42: Μεταβολή του ιξώδους του ελαίου πυρόλυσης συναρτήσει της θερμοκρασίας Εικόνα 4.43: Δείγμα ελαίου πυρόλυσης

274 Εφαρμογές του ελαίου πυρόλυσης Στις μέρες μας οι προσπάθειες εύρεσης αγοράς για το έλαιο πυρόλυσης επικεντρώνονται κυρίως στη χρήση του σε βιομηχανικούς λέβητες από 1 MW th έως 20 MW th για παραγωγή θερμότητας ή/και ηλεκτρισμού. Το έλαιο πυρόλυσης μπορεί να αντικαταστήσει σε βιομηχανικούς λέβητες το μαζούτ, το πετρέλαιο diesel καθώς και το φυσικό αέριο. Υπάρχουν βέβαια και άλλοι τρόποι χρήσης του ελαίου πυρόλυσης οι οποίοι μάλιστα καταλήγουν σε προϊόντα μεγαλύτερης αξίας από τη θερμότητα και τον ηλεκτρισμό όπως : Αεριοποίηση ελαίου πυρόλυσης Υδρογόνωση ελαίου πυρόλυσης Διύλιση του ελαίου πυρόλυσης προς παραγωγή καυσίμων κίνησης και χημικών ουσιών Εικόνα 4.44: Δυνατότητες αξιοποίησης του ελαίου πυρόλυσης Παρακάτω αναφέρονται τρεις περιπτώσεις όπου το έλαιο πυρόλυσης της εταιρίας BTG δοκιμάστηκε επιτυχώς

275 Εφαρμογή αξιοποίησης του παραγόμενου ελαίου πυρόλυσης : University of Twente Το πανεπιστήμιο: University of Twente από το 2014 θα μπορεί να καλύψει το 50 % των αναγκών του (1,5 MW el ) σε ηλεκτρισμό και θερμότητα τροφοδοτώντας έναν αεριοστρόβιλο αποκλειστικά με έλαιο πυρόλυσης που θα παράγει η μονάδα πυρόλυσης Empyro. Ο ακτινικός αεριοστρόβιλος ΟΡ16 θα παραδοθεί στο πανεπιστήμιο από την εταιρία κατασκευής αεριοστρόβιλων OPRA που είναι εγκατεστημένη από το 1991 στην πόλη Hengelo της Ολλανδίας και θα είναι προσαρμοσμένος στις ιδιαιτερότητες του ελαίου πυρόλυσης : H χαμηλή θερμογόνος δύναμη του ελαίου πυρόλυσης επιβάλει την αυξημένη παροχή μάζας του καυσίμου που έχει ως επακόλουθο σχετικά μεγάλους θαλάμους καύσης με όγκο πέντε φορές μεγαλύτερο από τους αντίστοιχους θαλάμους καύσης υγρών ορυκτών καυσίμων όπως φαίνεται και στην εικόνα Εικόνα 4.45: Σχηματική απεικόνιση αεριοστρόβιλου ΟΡ16, με θάλαμο καύσης που δέχεται έλαιο πυρόλυσης και θάλαμο καύσης που δέχεται πετρέλαιο, για λόγους σύγκρισης των όγκων τους. Το υψηλό ιξώδες του ελαίου πυρόλυσης απαιτεί την προθέρμανσή του πριν την εισαγωγή του στον αεριοστρόβιλο. Η θερμοκρασία προθέρμανσής του περιορίζεται από την έναρξη των αντιδράσεων πολυμερισμού του (140 ο C). Η μεγάλη οξύτητα του ελαίου πυρόλυσης επιβάλει τη χρήση υλικών με την αντίστοιχη αντοχή ιδίως για το σύστημα έγχυσης του καυσίμου. Το σύστημα διαχείρισης του καυσίμου θα πρέπει να μπορεί να ανταπεξέρθει σε αποκλίσεις των χαρακτηριστικών του ελαίου πυρόλυσης. Το έλαιο πυρόλυσης χρειάζεται περισσότερο χρόνο για μία ολοκληρωμένη καύση από τα υγρά ορυκτά καύσιμα. Η εισαγωγή του αέρα μέσα στο θάλαμο καύσης πρέπει να γίνεται από διάφορα σημεία ώστε να επιτυγχάνεται πλήρη καύση του ελαίου πυρόλυσης χωρίς να σχηματίζονται ιζήματα. Οι επιφάνειες των πτερυγίων του στροβίλου που έρχονται σε επαφή με τα θερμά καυσαέρια πρέπει να παρουσιάζουν ανθεκτικότητα στη διάβρωση. Γενικότερα η απόδοση των ακτινικών στροβίλων επηρεάζεται λιγότερο από την παραμόρφωση των επιφανειών των πτερυγίων σε σχέση με τους αξονικούς στροβίλους

276 Εικόνα 4.46: Εσωτερικό αεριοστρόβιλου ΟΡ16 της εταιρίας OPRA Ο αεριοστρόβιλος OP16 μπορεί να αποδώσει, εισάγοντας έλαιο πυρόλυσης στους 4 περιμετρικά διατεταγμένους σωληνοειδείς θαλάμους καύσης που διαθέτει, ηλεκτρική ισχύ 1,9 MW el και θερμική ισχύ 4,5 MW th από την ανάκτηση της θερμότητας των καυσαερίων, με ένα συνολικό βαθμό απόδοσης 90 %. Κατά την εκκίνηση του αεριοστρόβιλου μέσα στο θάλαμο καύσης εισάγεται αιθανόλη ή φυσικό αέριο μέχρι να επιτευχθεί η θερμοκρασία λειτουργίας και στη συνέχεια εισάγεται έλαιο πυρόλυσης (duel fuel combustor). Ο λόγος συμπίεσης του αέρα εισαγωγής είναι 6,7. [120, 121] Εικόνα 4.47: Αεριοστρόβιλος ΟΡ16 της εταιρίας OPRA Πίνακας 4.25: Βασικά χαρακτηριστικά αεριοστρόβιλου ΟΡ16 της εταιρίας OPRA Αεριοστρόβιλος OP16 OPRA Turbines Ηλεκτρική ισχύς 1,9 MW el Θερμική ισχύς 4,5 MW th Ηλεκτρικός βαθμός απόδοσης 26 % Συνολικός βαθμός απόδοσης 90 % Ταχύτητα ρότορα rpm Θερμοκρασία καυσαερίων 570 ο C Ροή μάζας καυσαερίων 8,7 kg /sec

277 Εφαρμογή αξιοποίησης του παραγόμενου ελαίου πυρόλυσης : Stork Technical Services Στις εγκαταστάσεις της εταιρίας Stork Technical Services στην πόλη Utrecht στην Ολλανδία, πραγματοποιήθηκε πρόσφατα (2012) πείραμα για τη μελέτη της συμπεριφοράς του ελαίου πυρόλυσης ως καυσίμου όταν αυτό εισάγεται σε ένα βιομηχανικής κλίμακας λέβητα ( 9 MW th ). Το πείραμα είχε σκοπό να εξακριβώσει κατά πόσο είναι εφικτό το έλαιο πυρόλυσης να αντικαταστήσει το μαζούτ και το φυσικό αέριο στους υπάρχοντες βιομηχανικής κλίμακας λέβητες. Ο λέβητας διπλού καυσίμου της εταιρίας Stork ο οποίος χρησιμοποιήθηκε για το πείραμα δεν υπέστη καμία τροποποίηση προκειμένου να δεχθεί το έλαιο πυρόλυσης. Τις ποσότητες ελαίου πυρόλυσης τις προμήθευσε η εταιρία BTG BioLiquids B.V. και προήρθαν από πυρόλυση ξυλώδους βιομάζας (πεύκα). Τα αποτελέσματα του πειράματος έδειξαν ότι η καύση ελαίου πυρόλυσης είναι δυνατή σε συμβατικούς λέβητες καθώς οι εκπομπές των καυσαερίων που προκύπτουν βρίσκονται μέσα σε αποδεκτά επίπεδα ενώ δεν παρουσιάστηκαν προβλήματα στο λέβητα από τη χρήση ελαίου πυρόλυσης. Η καύση του ελαίου πυρόλυσης συγκρίθηκε με την καύση μαζούτ στον ίδιο λέβητα. Τα καύσιμα εισέρχονται στο θάλαμο καύση με ψεκασμό ενώ πριν εισέρθουν προθερμαίνονται ώστε να μειωθεί το ιξώδες τους. Το έλαιο πυρόλυσης προθερμάνθηκε στους 60 ο C ενώ το μαζούτ στους 100 ο C. Τα χαρακτηριστικά των καυσίμων που χρησιμοποιήθηκαν στο πείραμα παρουσιάζονται στον πίνακα [122] Πίνακας 4.26: Βασικά χαρακτηριστικά μαζούτ και ελαίου πυρόλυσης Βασικά χαρακτηριστικά Μαζούτ Έλαιο Πυρόλυσης Πυκνότητα (kg/m 3 ) Κατώτερη θερμογόνος δύναμη (MJ/kg) 40,36 15 Άζωτο (% κ.β.) 0,42 0,1 Νερό (% κ.β.) 0,7 22 Τέφρα (% κ.β.) 1 0,03 Στο πείραμα το οποίο υποστηρίχθηκε τεχνικά από το ερευνητικό κέντρο ECN (Energy research Centre of the Netherlands) μετρήθηκαν οι εκπομπές των καυσαερίων καθώς η τάση για απόθεση ακαθαρσιών στους σωλήνες του λέβητα που προκαλείται από το λιώσιμο της ιπτάμενης τέφρας. Όσο αναφορά την καύση του ελαίου πυρόλυσης κρίθηκε απαραίτητο να γίνεται η παράλληλη καύση του με φυσικό αέριο ισχύος 0,6 MW th για λόγους σταθεροποίησης της φλόγας. Εκτός του φυσικού αερίου μπορεί να χρησιμοποιηθεί και κάποιο υγρό ορυκτό καύσιμο. Στην περίπτωση που ο αέρας εισαγωγής προθερμαίνεται αυτή η φλόγα οδηγός από κάποιο άλλο βοηθητικό καύσιμο δε χρειάζεται. Τα αποτελέσματα από τις μετρήσεις των καυσαερίων παρουσιάζονται στους παρακάτω πίνακες : Πίνακας 4.27: Παράμετροι πειράματος Θερμική ισχύς εισόδου (MW th ) Περιεκτικότητα υγρού καυσίμου (%) Παροχή υγρού καυσίμου (kg/h) Μαζούτ 4, Έλαιο πυρόλυσης 2, Φυσικό αέριο

278 Πίνακας 4.28: Μετρήσεις καυσαερίων CO (ppmvd) NO x (mg/m 3 ) Αιωρούμενα σωματίδια (mg/m 3 ) Μαζούτ < Έλαιο πυρόλυσης < Φυσικό αέριο Παρατηρείται ότι με την καύση του ελαίου πυρόλυσης παράγονται λιγότερες ποσότητες NO x σε σχέση με την καύση του μαζούτ που οφείλεται στη μικρότερη θερμοκρασία της φλόγας και στη μικρότερη περιεκτικότητα σε άζωτο του καυσίμου. Η θερμοκρασία της φλόγας στην περίπτωση του ελαίου πυρόλυσης, είναι μειωμένη λόγω της υψηλής περιεκτικότητας σε υγρασία του καυσίμου και στη χαμηλή θερμογόνο δύναμή του. Η τάση για απόθεση ακαθαρσιών από το λιώσιμο της τέφρας που προέρχεται από την καύση του ελαίου πυρόλυσης και του μαζούτ παρουσιάζεται στην εικόνα Η μέτρηση αυτού του χαρακτηριστικού της τέφρας έγινε για δύο θερμοκρασίες 250 ο C και 500 ο C της μεταλλικής επιφάνειας του ανιχνευτή. Παρατηρείται ότι η τάση για δημιουργία ακαθαρσιών της τέφρας που παράγεται από την καύση του ελαίου πυρόλυσης είναι περίπου η μισή από την αντίστοιχη τάση της τέφρας από την καύση του μαζούτ. Εικόνα 4.48: Συντελεστής απόθεσης ακαθαρσιών από το λιώσιμο της τέφρας πάνω στις θερμοκρασίες των 250 ο C και 500 ο C για την περίπτωση καύσης ελαίου πυρόλυσης και μαζούτ Λαμβάνοντας επίσης υπόψη ότι η περιεκτικότητα σε τέφρα του ελαίου πυρόλυσης είναι 30 φορές μικρότερη συγκρινόμενη με την περιεκτικότητα σε τέφρα του μαζούτ, μπορούμε να συμπεράνουμε πως η καύση του ελαίου πυρόλυσης δε δημιουργεί ιδιαίτερο πρόβλημα απόθεσης ακαθαρσιών στις μεταλλικές επιφάνειες των εναλλακτών θερμότητας που βρίσκονται μέσα στο λέβητα. Με βάση όλη την εμπειρία που έχει αποκτηθεί από διάφορα πειράματα η εταιρία Stork Technical Services είναι σε θέση να κατασκευάσει και να εγκαταστήσει λέβητες κατάλληλους για αποκλειστική καύση ελαίου πυρόλυσης σε μία περιοχή παραγόμενης ισχύος από 5 έως 100 MW th. Επίσης, υπάρχοντες λέβητες μπορούν μετά από ορισμένες τροποποιήσεις να καταστούν κατάλληλοι για συνδυασμένη καύση ελαίου πυρόλυσης με υγρά ορυκτά καύσιμα ή φυσικό αέριο. [123]

279 Εφαρμογή αξιοποίησης του παραγόμενου ελαίου πυρόλυσης : Electrabel, Harculo Εικόνα 4.49: Εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρισμού Electrabel στις όχθες του ποταμού IJssel στην Ολλανδία Το Σεπτέμβριο του 2002 πραγματοποιήθηκε δοκιμαστική, παράλληλη καύση ελαίου πυρόλυσης με φυσικό αέριο στη μονάδα παραγωγής ηλεκτρισμού ισχύος 350 MW el της εταιρίας Electrabel, που βρίσκεται στις όχθες του ποταμού IJssel κοντά στο χωριό Harculo στην περιοχή Zwolle της Ολλανδίας. Πιο συγκεκριμένα το πείραμα έλαβε χώρα στις 17 και 18 Σεπτέμβρη όπου και συνολικά κάηκαν 15,2 τόνοι ελαίου πυρόλυσης που είχαν ως αποτέλεσμα την παραγωγή συνολικής ηλεκτρικής ενέργειας 25 MWh. Κάθε μέρα τροφοδοτούταν έλαιο πυρόλυσης ( παράλληλα με φυσικό αέριο ) μέσα στο λέβητα της μονάδας με μία παροχή 1,9 τόνους / h ( που ισοδυναμεί με θερμική ισχύ εισόδου 8 MW th ) και για διάρκεια 4 ωρών. Τα αποτελέσματα του πειράματος έδειξαν ότι μονάδες παραγωγής ηλεκτρισμού οι οποίες χρησιμοποιούν ως καύσιμο φυσικό αέριο έχουν τη δυνατότητα να αντικαταστήσουν μέρος της ποσότητας του φυσικού αερίου που τροφοδοτούν το λέβητά τους με έλαιο πυρόλυσης με ελάχιστες τροποποιήσεις του εξοπλισμού τους και υψηλή αξιοπιστία. Αυτό συμβαίνει διότι όλα τα ηλεκτροπαραγωγά εργοστάσια που χρησιμοποιούν φυσικό αέριο είναι εξοπλισμένα για λόγους ασφαλείας με καυστήρες πετρελαίου ή διπλού καυσίμου προκειμένου να αντιμετωπίσουν μία ενδεχόμενη παύση της τροφοδοσίας τους με φυσικό αέριο. Αυτό βέβαια ισχύει και για τις ηλεκτροπαραγωγές μονάδες που χρησιμοποιούν λιγνίτη. [124] Εικόνα 4.50: Συνεργασία μονάδας πυρόλυσης βιομάζας με μονάδα παραγωγής ηλεκτρισμού

280 Οι 15,2 τόνοι ελαίου πυρόλυσης που χρησιμοποιήθηκαν στο πείραμα παρασκευάστηκαν τον Απρίλιο του 2002 από την πιλοτική μονάδα πυρόλυσης της εταιρίας BTG και προέρχονται από πυρόλυση μείγματος ξυλώδους βιομάζας οξιάς και βελανιδιάς. Πριν τη χρήση του το έλαιο πυρόλυσης αποθηκεύτηκε σε ειδικό βυτιοφόρο για 5 μήνες διατηρώντας τα χαρακτηριστικά του τα οποία παρουσιάζονται στον παρακάτω πίνακα. [124] Πίνακας 4.29: Χαρακτηριστικά και περιεκτικότητα του ελαίου πυρόλυσης που παρήγαγε η εταιρία BTG Χαρακτηριστικά ελαίου πυρόλυσης BTG Πυκνότητα (15 ο C) 1152 kg/m 3 Ιξώδες (50 ο C) 5,7 mm 2 /s Σημείο ανάφλεξης 70 ο C Ανώτερη θερμογόνος δύναμη 16,9 MJ/kg Κατώτερη θερμογόνος δύναμη 15,2 MJ/kg Περιεκτικότητα ελαίου πυρόλυσης BTG Νερό Τέφρα Άνθρακας Υδρογόνο Οξυγόνο Άζωτο 25 % κ.β. 0,03 % κ.β. 40,4 % κ.β. 7,9 % κ.β 51,5 % κ.β. 0,3 % κ.β. Το έτος 2000 οι Ολλανδικοί σταθμοί παραγωγής ηλεκτρισμού προμηθευόταν κάρβουνο προς 2 /GJ, φυσικό αέριο προς 4,17 /GJ και μαζούτ προς 5,11 /GJ. Στην εικόνα 4.51 παρουσιάζεται η διακύμανση της τιμής του παραγόμενου ελαίου πυρόλυσης ως συνάρτηση της τιμής αγοράς της βιομάζας και του μεγέθους της μονάδας πυρόλυσης. Σύμφωνα με τα δεδομένα του 2000 για να μπορέσει το έλαιο πυρόλυσης να ανταγωνιστεί το φυσικό αέριο θα πρέπει η τιμή αγοράς της βιομάζας να βρίσκεται κάτω από 1 /GJ th. Η τιμή αγοράς της βιομάζας σε ορισμένες περιπτώσεις έχει μηδενικό κόστος, όταν για παράδειγμα το κόστος της διαχείρισης της είναι μεγαλύτερο. Εικόνα 4.51: Διακύμανση της τιμής παραγωγής του ελαίου πυρόλυσης ως συνάρτηση του κόστους αγοράς της βιομάζας και του μεγέθους της μονάδας

281 Ισοζύγιο Ενέργειας και Μάζας της μονάδας Electrabel (Harculo) 350 MW el Ατμοσφαιρικός Φυσικό Καυσαέρια Καυσαέρια Φυσικό Καυσαέρια Αέρας Αέριο Αέριο T ( ο C) P(bar) 1,00 8,45 1,06 1,02 1,2 1,00 M(kg/sec) 358 6, , Κ.Θ.Δ , ,8 0 (MW th ) Θερμική Ενέργεια (MW th ) ,88 70, ,65 Είσοδος Έξοδος Βαθμός Απόδοσης Φυσικό αέριο (MW th ) Θερμότητα (MW th ) Ηλεκτρισμός (MW el ) Θερμότητα (MW th ) Αεριοστρόβιλος 293, ,57 203,88 30,52 HC62 (520 ο C) Ατμοστρόβιλος HC61 264,8 133,83 161,45 237,18 40,5 (30 ο C) Σύνολο μονάδας HC60 558, ,02 307,23 (30 ο C) 44,97 Πίνακας 4.30 : Χαρακτηριστικά φυσικού αερίου Πυκνότητα 0,808 kg/m 3 Κατώτερη θερμογόνος δύναμη 35,57 MJ/m

282 Η ηλεκτροπαραγωγός μονάδα της Electrabel στο Harculo σε κανονική λειτουργία χρησιμοποιεί ως καύσιμο αποκλειστικά φυσικό αέριο σε ένα συνδυασμένο κύκλο αεριοστρόβιλου ατμοστροβίλου. Όπως φαίνεται και στο παραπάνω διάγραμμα η ηλεκτροπαραγωγή ξεκινά στον αεριοστρόβιλο. Εκεί ατμοσφαιρικός αέρας συμπιέζεται σε πίεση 8,5 bar και οδηγείται στο θάλαμο καύσης. Στο θάλαμο καύσης επίσης οδηγείται φυσικό αέριο με παροχή 8,7 m 3 /sec. Από την καύση του φυσικού αερίου παράγονται καυσαέρια θερμοκρασίας 975 ο C τα οποία εκτονώνονται στο στρόβιλο που ακολουθεί παράγοντας ηλεκτρισμό ισχύος 89,57 MW el Το μοντέλο αεριοστρόβιλου που χρησιμοποιείται είναι το MS 9001 B και κατασκευάστηκε από την εταιρία General Electric. Τα καυσαέρια από την έξοδο του αεριοστρόβιλου, θερμοκρασίας 520 ο C χωρίζονται σε δύο παροχές. Μία από αυτές οδηγείται προς αναθέρμανση του νερού που χρησιμοποιείται στο κύκλωμα και η άλλη οδηγείται στο λέβητα της μονάδας. Στο λέβητα επίσης οδηγούνται επιπλέον ποσότητες φυσικού αερίου. Ο λέβητας της μονάδας έχει ύψος 40 m και στο εσωτερικό του υπάρχουν 12 καυστήρες διπλού καυσίμου. Έχουν δηλαδή τη δυνατότητα να κάψουν φυσικό αέριο αλλά και μαζούτ. Οι καυστήρες είναι τοποθετημένοι σε τέσσερα επίπεδα στα 9 m, 13 m, 18 m και 22 m. ενώ σε κάθε επίπεδο βρίσκονται 3 καυστήρες. Η φλόγα από την καύση του φυσικού αερίου φθάνει τους 1600 ο C. Η θερμότητα που παράγεται μεταδίδεται στα σωληνοειδή φυλλοειδή τοιχώματα του λέβητα μέσα στα οποία διέρχεται νερό σε πίεση 170 bar. Το νερό απορροφά τη θερμότητα και μετατρέπεται σε υπέρθερμο ατμό θερμοκρασίας 530 ο C o οποίος εκτονώνεται στον ατμοστρόβιλο της μονάδας παράγοντας ηλεκτρισμό ισχύος 161,45 MW el Ο ατμοστρόβιλος της μονάδας κατασκευάστηκε από την εταιρία ΑΒΒ. Η ροή του ατμού στην έξοδο του ατμοστροβίλου έχει πίεση 0,034 bar και θερμοκρασία 30 ο C ενώ στη συνέχεια οδηγείται προς συμπύκνωση αποβάλλοντας θερμότητα στον ποταμό IJssel. Κατά τη διεξαγωγή του πειράματος ήταν σε λειτουργία 8 καυστήρες φυσικού αερίου και τέθηκε σε λειτουργία ακόμα ένας καυστήρας που τροφοδοτήθηκε με έλαιο πυρόλυσης, από τους συνολικά 12 καυστήρες που διαθέτει ο λέβητας. Η μόνη τροποποίηση που υπέστη η μονάδα ήταν η χρήση μίας αντλίας (10 bar) για την τροφοδοσία του καυστήρα με έλαιο πυρόλυσης. Στην εικόνα 4.52 παρουσιάζεται το βυτιοφόρο και η αντλία που χρησιμοποιήθηκε στο εξωτερικό του λέβητα. Στην εικόνα 4.53 παρουσιάζεται μία συστοιχία 3 καυστήρων σε ένα επίπεδο του λέβητα. [124] Εικόνα 4.52: Τροφοδοσία του εργοστασίου με έλαιο πυρόλυσης

283 Εικόνα 4.43: Συστοιχία τριών καυστήρων σε ένα από τα τέσσερα επίπεδα του λέβητα Κατά τη διάρκεια του πειράματος, η παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς της μονάδας παρέμεινε σταθερή : 251 MW el. Με την έναρξη τροφοδοσίας του καυστήρα με έλαιο πυρόλυσης παροχής lit/h (1900 kg/h) ο αυτόματος έλεγχος της λειτουργίας του λέβητα μείωσε την παροχή φυσικού αερίου στους υπόλοιπους καυστήρες του λέβητα από m 3 /h σε m 3 /h δηλαδή μείωση κατά 800 lit/h ώστε να εξισορροπηθεί η επιπλέον πρόσδωση θερμότητας (8 MW th ) από την καύση του ελαίου πυρόλυσης. Όσο αναφορά την μέτρηση των αερίων ρύπων η ηλεκτροπαραγωγός μονάδα της Electrabel στο Harculo είναι εξοπλισμένη με δύο αισθητήρες NO x στην έξοδο των καυσαερίων. Κατά τη λειτουργία της μονάδας μόνο με φυσικό αέριο οι δύο αισθητήρες δείχνουν συγκέντρωση NO x στα καυσαέρια ίση με 64 ppm. Κατά τη διάρκεια του πειράματος όπου έγινε παράλληλη καύση ελαίου πυρόλυσης και φυσικού αερίου, για την ίδια παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ, η συγκέντρωση NO x στα καυσαέρια έγινε ίση με 67 ppm. Δηλαδή παρατηρήθηκε μία αύξηση της συγκέντρωσης των NO x κατά 3 ppm όπως φαίνεται και στην παρακάτω απεικόνιση. [124] Εικόνα 4.44: Μέτρηση περιεκτικότητας σε NO x των καυσαερίων του εργοστασίου Electrabel Η αύξηση κατά 3 ppm της περιεκτικότητας των καυσαερίων σε NO x οφείλεται στην περιεκτικότητα του ελαίου πυρόλυσης σε άζωτο (0,3 % κ.β.) ενώ η περιεκτικότητα του φυσικού αερίου σε άζωτο είναι μηδενική. Γενικά, το 65 % της ποσότητας αζώτου που περιέχεται στο έλαιο πυρόλυσης μετατρέπεται σε NO x που στη συγκεκριμένη περίπτωση αντιστοιχεί σε επιπλέον επιβάρυνση των καυσαερίων με 1gr NO x /sec. Στην εικόνα 4.55 παρουσιάζεται ο καυστήρας που τροφοδοτήθηκε με έλαιο πυρόλυσης ενώ στην εικόνα 4.56 παρουσιάζεται η φλόγα από την καύση του ελαίου πυρόλυσης που εκτείνεται για 1m μέσα στο λέβητα

284 Εικόνα 4.45: Εξωτερική όψη του καυστήρα που τροφοδοτήθηκε με έλαιο πυρόλυσης Εικόνα 4.46: Φλόγα από την καύση του ελαίου πυρόλυσης μέσα στο λέβητα Το έλαιο πυρόλυσης ψεκάζεται με τη βοήθεια πεπιεσμένου αέρα στο εσωτερικό του λέβητα γι αυτό στο πίσω μέρος του καυστήρα υπάρχουν δύο αισθητήρες πίεσης όπως φαίνεται και στη φωτογραφία. Ο ένας αισθητήρας δείχνει ότι η πίεση του ελαίου πυρόλυσης είναι 3,85 bar ενώ ο άλλος ότι η πίεση του αέρα είναι 4,2 bar. Η ψύξη του ακροφυσίου δεν είναι απαραίτητη καθώς ψύχεται από τη ροή του ελαίου πυρόλυσης. Ένα θερμοστοιχείο το οποίο τοποθετήθηκε μέσα στο κανάλι τροφοδοσίας του ελαίου πυρόλυσης έδειξε θερμοκρασία 40 ο C κοντά στο ακροφύσιο όπου λαμβάνει χώρα ο ψεκασμός του ελαίου πυρόλυσης. Επίσης μετά τη λήξη του πειράματος οι οπές του ακροφυσίου επιθεωρήθηκαν για ανίχνευση τυχών επικαθίσεων και βρέθηκε ότι οι οπές παρέμεναν διαμπερείς. Γενικά η εικόνα του ακροφυσίου ήταν παρόμοια με τις περιπτώσεις όπου χρησιμοποιείται μαζούτ. Είναι σημαντικό οι οπές να διατηρούνται διαμπερείς διότι έτσι διασφαλίζεται μία σταθερή λειτουργία. Συμπερασματικά λοιπόν, η χρήση του ελαίου πυρόλυσης στη μονάδα θεωρήθηκε επιτυχής. [124]

285 Διαχείριση Καυσαερίων Έρευνα που πραγματοποιήθηκε από τη BTG δείχνει ότι η παραγωγή ελαίου πυρόλυσης από τη μονάδα Empyro έρχεται σε συμφωνία με τον Ευρωπαϊκές οδηγίες για την προώθηση της χρήσης ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές (2009/28/EC). Αυτός ο οδηγός περιέχει απαιτήσεις για τις ελάχιστες μειώσεις σε εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου που επιτυγχάνεται από τη χρήση καυσίμων που προέρχονται από επεξεργασία της βιομάζας. Τα καύσιμα που πληρούν αυτές τις προϋποθέσεις τυγχάνουν ευνοϊκής μεταχείρισης και γενικότερα προωθείται η διάδοσή τους διότι συμμετέχουν στην κάλυψη των υποχρεώσεων που έχει ένα κράτος για χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Από την εταιρία BTG υπολογίστηκαν οι εκπομπές αερίων θερμοκηπίου από τη λειτουργία της μονάδας Empyro. Καθώς η διάταξη πυρόλυσης περιστρεφόμενου κώνου μπορεί να δεχθεί πολλών ειδών βιομάζας, οι εκπομπές υπολογίστηκαν για τρεις περιπτώσεις βιομάζας : δασικά υπολείμματα βιομάζας, καθαρό ξύλο ( A-wood ) καθώς και ξύλο με μικρές προσμίξεις ( B-wood ). Όπως φαίνεται και στον πίνακα 4.31 οι συνολικές εκπομπές αερίων θερμοκηπίου από την παραγωγή και μεταφορά ελαίου πυρόλυσης από τη μονάδα Empyro είναι 9,18 gr equivalent. CO 2 / MJ παραγόμενου ελαίου πυρόλυσης στην περίπτωση που ως βιομάζα χρησιμοποιείται Α-wood. Λόγω του ότι η μονάδα Empyro παράγει επίσης ηλεκτρισμό και θερμότητα εκτός από έλαιο πυρόλυσης, λαμβάνοντας υπόψη τη συνολική απόδοση του εργοστασίου οι συνολικές εκπομπές αερίων θερμοκηπίου που αντιστοιχούν στην παραγωγή ελαίου πυρόλυσης είναι λιγότερες και ίσες με 7,04 gr equivalent CO 2 / MJ παραγόμενου ελαίου πυρόλυσης. Πίνακας 4.31: Εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου από τη λειτουργία της μονάδας πυρόλυσης Empyro Εκπομπές αερίων θερμοκηπίου (gr equivalent CO 2 / MJ pyrolysis oil) Δασικά υπολείμματα A-wood B-wood Παραγωγή 5,89 5,57 8,6 Μεταφορά & Διανομή 4,14 3,61 4,16 Συνολικές εκπομπές 10,03 9,18 12,76 Συνολικές εκπομπές (συνολική απόδοση) 8,7 7,04 8,67 Στον παρακάτω πίνακα αναφέρονται τα ποσοστά μείωσης των παραγόμενων αερίων του θερμοκηπίου που προκύπτουν εάν αντικαταστήσουμε τα υγρά ορυκτά καύσιμα με έλαιο πυρόλυσης σε διάφορες εφαρμογές. Παρατηρούμε ότι για την περίπτωση βιομάζας A-wood η μείωση που προκύπτει σε όλες τις εφαρμογές, ξεπερνά το 90 %. [119] Πίνακας 4.32: Ποσοστιαία μείωση εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου από χρήση ελαίου πυρόλυσης Ποσοστιαία μείωση εκπομπών αερίων θερμοκηπίου από χρήση ελαίου πυρόλυσης Δασικά υπολείμματα A-wood B-wood Παραγωγή ηλεκτρισμού 90,4 % 92,3 % 90,5 % Παραγωγή θερμότητας 88,7 % 90,9 % 88,7 % Συμπαραγωγή 89,8 % 91,7 % 89,8 %

286 Συμπερασματικά Γενικά, το κόστος παραγωγής του ελαίου πυρόλυσης εξαρτάται από το αρχικό κόστος (CAPEX) για την κατασκευή της μονάδας συμπαραγωγής, το μέγεθος της μονάδας και τα λειτουργικά έξοδα (OPEX) της μονάδας. Το αρχικό κόστος κατασκευής της μονάδας συμπαραγωγής ενδεχομένως να παρουσιάζει ορισμένες διαφοροποιήσεις αναλόγως την τοποθεσία της εγκατάστασης. Τα λειτουργικά έξοδα εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από το κόστος της πρώτης ύλης (βιομάζα) αλλά και από άλλους παράγοντες όπως από τον αριθμό και το μισθό των εργαζομένων, το κόστος του ηλεκτρικού ρεύματος κ.ά. Συνεπώς η τιμή του ελαίου πυρόλυσης που θα παράγεται από μία μονάδα όμοια με αυτή του Empyro καθορίζεται από πολλούς παράγοντες και δε μπορεί να καθορισθεί με ακρίβεια αν δεν περάσει ένα εύλογο χρονικό διάστημα από την έναρξη λειτουργίας της. Στο παρακάτω γράφημα δίνεται το εύρος της τιμής του ελαίου πυρόλυσης που θα παράγεται από μία μονάδα συμπαραγωγής όμοια με αυτή του Empyro ως συνάρτηση του κόστους αγοράς της βιομάζας που θα χρησιμοποιείται. Παρατηρούμε ότι η τιμή του ελαίου πυρόλυσης εξαρτάται από το ποσοστό υγρασίας της βιομάζας που δέχεται η μονάδα. Η μπλε καμπύλη 40 % υγρασία οδηγεί σε υψηλότερες τιμές του ελαίου πυρόλυσης από την πράσινη καμπύλη 15 % υγρασία. Επίσης καθοριστικό ρόλο παίζει η τιμή του ατμού ( /GJ). Κατά τη διαδικασία πυρόλυσης που εφαρμόζει η εταιρία BTG-BTL παράγεται ατμός ο οποίος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη ξήρανση της βιομάζας. Στην περίπτωση που η βιομάζα λόγω μειωμένης περιεκτικότητας σε υγρασία καταναλώνει λιγότερες ποσότητες ατμού για ξήρανση, τότε ο ατμός που παράγεται από τη διεργασία της πυρόλυσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε άλλες εφαρμογές μειώνοντας έτσι το κόστος παραγωγής. Εικόνα 4.47: Τιμή πώλησης του ελαίου πυρόλυσης ως συνάρτηση της τιμής αγοράς της βιομάζας για τη μονάδα Empyro Οι παραπάνω υπολογισμοί αναφέρονται σε μία εγκατεστημένη μονάδα όμοια με αυτή του Empyro με δυνατότητα δηλαδή να δέχεται 5 τόνους τη μέρα βιομάζα, να λειτουργεί 7500 ώρες το χρόνο και με παραγωγή ελαίου πυρόλυσης % του αρχικού βάρους βιομάζας. Λαμβάνοντας όλα τα έξοδα υπόψη υπολογίζεται ότι μία τέτοια επένδυση θα έχει αποσβεστεί μέσα σε 5 χρόνια

287

288 Κεφάλαιο 5 Επίλογος 5.1 Σύγκριση τεχνολογιών αξιοποίησης βιομάζας Στην παρούσα έκθεση περιγράφηκαν οι κύριες θερμοχημικές διεργασίες ενεργειακής αξιοποίησης βιομάζας που έχουν τη δυνατότητα να εφαρμοστούν από μία ηλεκτροπαραγωγό μονάδα καθώς και ορισμένες περιπτώσεις μονάδων σε λειτουργία ή υπό κατασκευή. Ανακεφαλαιώνοντας μπορούμε να συνοψίσουμε τις θερμοχημικές διεργασίες αξιοποίησης βιομάζας στον πίνακα 5.1 : [125] Πίνακας 5.1: Θερμοχημικές διεργασίες αξιοποίησης βιομάζας Θερμοχημική διεργασία μετατροπής Αεριοποίηση Παροχή οξυγόνου Λιγότερη από την απαιτούμενη στοιχειομετρική Θερμοκρασιακό εύρος ( ο C) Κύρια προϊόντα Θερμότητα Αέριο αεριοποίησης Εξανθρακώματα Καύση Σε περίσσεια Θερμότητα Πυρόλυση Πλήρης απουσίας Θερμότητα Έλαιο πυρόλυσης Εξανθρακώματα Στην εικόνα 5.1 γίνεται μία σύγκριση του βαθμού απόδοσης των μονάδων παραγωγής ηλεκτρισμού που βασίζονται στις διεργασίες της αεριοποίησης, της πυρόλυσης και της καύσης βιομάζας. Ο βαθμός απόδοσης των μονάδων παρουσιάζεται ως συνάρτηση της εγκατεστημένης τους ισχύς. Παρατηρείται ότι μεγαλύτερος βαθμός απόδοσης στην παραγωγή ηλεκτρισμού μπορεί να επιτευχθεί από μονάδα αεριοποίησης υψηλής πίεσης που χρησιμοποιεί αεριοστρόβιλο σε παράλληλη συνδυασμένη λειτουργία με ατμοστρόβιλο. [126] Οι μονάδες ηλεκτροπαραγωγής ατμοσφαιρικής αεριοποίησης και πυρόλυσης που χρησιμοποιούν μηχανές εσωτερικής καύσης εμφανίζουν συγκριτικά με τα υπόλοιπα συστήματα, υψηλό βαθμό απόδοσης σε περιπτώσεις μικρής εγκατεστημένης ισχύος. Παρατηρείται όμως ότι ο βαθμός απόδοσής τους δε βελτιώνεται σημαντικά καθώς αυξάνεται η εγκατεστημένη τους ισχύς. Αντιθέτως οι μονάδες ηλεκτροπαραγωγής για την περίπτωση της αεριοποίησης υψηλής πίεσης που χρησιμοποιούν αεριοστρόβιλο σε συνδυασμένο κύκλο με έναν ατμοστρόβιλο, ο βαθμός απόδοσής τους βελτιώνεται αισθητά καθώς αυξάνεται η εγκατεστημένη ισχύς

289 Οι μονάδες καύσης βιομάζας εμφανίζουν μικρό βαθμό απόδοσης όταν έχουν μικρή εγκατεστημένη ισχύ, όμως καθώς η εγκατεστημένη τους ισχύς αυξάνεται, για παράδειγμα όταν γίνεται πάνω από 20 MW el, εμφανίζουν παρόμοιους βαθμούς απόδοσης με τις μονάδες ηλεκτροπαραγωγής ατμοσφαιρικής αεριοποίησης ή πυρόλυσης βιομάζας που χρησιμοποιούν μηχανές εσωτερικής καύσης. Αεριοποίηση υψηλής πίεσης / Αεριοστρόβιλος & Ατμοστρόβιλος Αεριοποίηση ατμοσφαιρικής πίεσης / Μηχανή εσωτερικής καύσης - Diesel Γρήγορη πυρόλυση / Μηχανή εσωτερικής καύσης - Diesel Καύση / Ατμοστρόβιλος Εικόνα 5.1: Βαθμοί απόδοσης συστημάτων παραγωγής ηλεκτρισμού ως συνάρτηση της εγκατεστημένης τους ισχύς Πίνακας 5.2: Σύγκριση τεχνολογιών αξιοποίησης βιομάζας [127] Ωριμότητα τεχνολογίας Οικονομική απόδοση Περιβαλλοντική επιβάρυνση Διαθέσιμη αγορά Εγκατεστημένη ισχύς Καύση (Θέρμανση) Καύση + + (+) + + (+) (Ηλεκτρισμός) Αεριοποίηση + (+) + (+ +) Πυρόλυση (+) (+ + +) + + (+)

290 Σύγκριση αεριοποίησης καύσης Κατά τη διάρκεια της καύσης, λόγω του υψηλής παροχής οξυγόνου, το σύνολο του άνθρακα της βιομάζας μετατρέπεται σε διοξείδιο του άνθρακα, το υδρογόνο σε νερό και το θείο προς διοξείδιο του θείου. Αυτό σημαίνει ότι τα καυσαέρια που προκύπτουν από την καύση της βιομάζας είναι ουσιαστικά ένα μείγμα διοξειδίου του άνθρακα, νερού, οξειδίων του αζώτου και διοξειδίου του θείου. Καμία από αυτές τις ουσίες δεν μπορεί να χαρακτηριστεί ως καύσιμο, έτσι ο μόνος τρόπος για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας μέσω της καύσης είναι μέσω της παραγωγής ατμού και της χρήσης του σε ατμοστρόβιλο (ή μέσω της πιο αποτελεσματικής εναλλακτικής λύσης του Οργανικού Κύκλου Rankine (ORC)). Στην αεριοποίηση, το αέριο που παράγεται από τη διεργασία, αέριο αεριοποίησης ή αλλιώς αέριο σύνθεσης-syngas, είναι ένα μείγμα αερίων το οποίο περιέχει, μεταξύ άλλων, μονοξείδιο του άνθρακα, υδρογόνο, μεθάνιο και άλλους υδρογονάνθρακες. Αυτές οι χημικές ενώσεις είναι εύφλεκτες και καύσιμες. Ως αποτέλεσμα, το αέριο αεριοποίησης μπορεί να τροφοδοτήσει αεριοστρόβιλους αφού έχει πρώτα καθαριστεί από διάφορες προσμείξεις. Η τυπική ηλεκτρική απόδοση των συστημάτων ατμοστροβίλων κυμαίνεται μεταξύ %, ενώ με τη χρήση αεριοστρόβιλων μπορεί να επιτευχθεί πολύ υψηλότερη ηλεκτρική απόδοση που κυμαίνεται μεταξύ %. Εφόσον οι αεριοστρόβιλοι επιτυγχάνουν υψηλότερη ηλεκτρική απόδοση από ότι οι ατμοστρόβιλοι, η αεριοποίηση φαίνεται να είναι πιο ελκυστική από την καύση όσον αφορά τον ηλεκτρικό βαθμό απόδοσης που επιτυγχάνεται από μία ηλεκτροπαραγωγό μονάδα. Αντιθέτως, μία μονάδα παραγωγής θερμότητας (π.χ. θερμού νερού για δίκτυο τηλεθέρμανσης) είναι πιο αποδοτικό να κάνει χρήση της διεργασίας καύσης βιομάζας. Εκτός από το αέριο αεριοποίησης, η διεργασία της αεριοποίησης παράγει ταυτόχρονα και διάφορα άλλα υποπροϊόντα, όπως τα εξανθρακώματα (char). Ενώ στις εγκαταστάσεις καύσης στοχεύεται η ελαχιστοποίηση των παραγόμενων εξανθρακωμάτων έτσι ώστε να επιτυγχάνεται η μέγιστη δυνατή έκλυση θερμικής ενέργειας από τη βιομάζα, στις μονάδες αεριοποίησης τα εξανθρακώματα θεωρούνται εμπορεύσιμο προϊόν που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για παράδειγμα ως πρόσθετη ύλη για τα εργοστάσια τσιμέντου ή ως βελτιωτικό εδάφους. Ο τύπος αντιδραστήρα αεριοποίησης και οι υπάρχουσες συνθήκες λειτουργίας επηρεάζουν σημαντικά τις ποσότητες των εξανθρακωμάτων που παράγονται, συνεπώς είναι καθοριστική η επιλογή του βέλτιστου τύπου αντιδραστήρα αεριοποίησης, έτσι ώστε να συνδυαστεί η αποδοτική παραγωγή ενέργειας με την ταυτόχρονη παραγωγή υψηλής ποιότητας εξανθρακωμάτων. Αυτή είναι μια παράμετρος που δε λαμβάνεται υπόψη στους αντιδραστήρες καύσης βιομάζας. Τα καυσαέρια από την καύση της βιομάζας μπορούν να αξιοποιηθούν μόνο για την παραγωγή υπέρθερμου ατμού σε εναλλάκτες θερμότητας (υπερθερμαντήρες). Το αέριο αεριοποίησης μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο σε αεριοστρόβιλους, αλλά επίσης έχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθεί ως πρώτη ύλη για την παραγωγή άλλων καυσίμων μεγαλύτερης εμπορικής αξίας (π.χ. αιθανόλη, μεθανόλη, βιοντίζελ, υδρογόνο) ή άλλων χημικών ουσιών (π.χ. οξικό οξύ, αμμωνία). Ένα ακόμη πλεονέκτημα της αεριοποίησης έναντι της καύσης είναι το γεγονός ότι το παραγόμενο αέριο αεριοποίησης έχει πολύ μικρότερο όγκο από τα καυσαέρια που παράγονται κατά την καύση. Αυτό έχει ως συνέπεια την ευκολότερη διαχείριση τους και συνεπώς τη χρήση εξοπλισμού μικρότερων διαστάσεων. Η

291 ευκολότερη διαχείριση του αερίου αεριοποίησης έχει ως αποτέλεσμα και τον πιο αποτελεσματικό περιορισμό των εκπομπών σε NO x και SO x. Επίσης, οι θερμοκρασίες που αναπτύσσονται στους αντιδραστήρες αεριοποίησης είναι γενικά λίγο χαμηλότερες από ότι στους αντιδραστήρες καύσης. Οι χαμηλότερες θερμοκρασίες που αναπτύσσονται εκτός από το γεγονός ότι καταπονούν λιγότερο τον εξοπλισμό, έχουν ως αποτέλεσμα τη μειωμένη αεριοποίηση αλκαλίων και βαρέων μετάλλων, όπως επίσης και τη μειωμένη ένταση του φαινομένου της πυροσυσσωμάτωσης των σωματιδίων τέφρας μέσα στον αντιδραστήρα. Τέλος, ένα πολύ σημαντικό πλεονέκτημα της διεργασίας αεριοποίησης είναι το γεγονός ότι είναι δυνατή η κατασκευή μικρότερων, οικονομικά βιώσιμων, μονάδων παραγωγής ηλεκτρισμού. Είναι δηλαδή πιο κατάλληλη η μέθοδος της αεριοποίησης για μικρές, αποκεντρωμένες ηλεκτροπαραγωγές μονάδες. Η σημαντικότερη πτυχή αυτής της σύγκρισης που ευνοεί τη διεργασία της καύσης, έχει να κάνει με την ωριμότητα της τεχνολογίας. Ακόμα κι αν έχουν εγκατασταθεί αρκετές μονάδες αεριοποίησης βιομάζας τα τελευταία 10 χρόνια, εξακολουθεί να θεωρείται ως μια αναδυόμενη τεχνολογία, σε σύγκριση με την τεχνολογία της καύσης βιομάζας η οποία έχει χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας τα τελευταία 150 χρόνια. Ένα σημαντικό μειονέκτημα της διεργασίας αεριοποίησης βιομάζας είναι η ανάγκη καθαρισμού του παραχθέντος αερίου αεριοποίησης. Η επιλογή του αντιδραστήρα αεριοποίησης έχει καθοριστική επίδραση στην ποιότητα του παραγόμενου αερίου αεριοποίησης. Όσο αναφορά τη χρήση του σε μηχανές εσωτερικής καύσης το αέριο αεριοποίησης θα πρέπει να είναι απαλλαγμένο από προσμίξεις σε πίσσες και από αιωρούμενα σωματίδια. Επίσης, για λόγους αποδοτικότητας μίας μηχανής εσωτερικής καύσης, το αέριο αεριοποίησης πρέπει να ψύχεται (ώστε να μειώνεται ο όγκος του) πριν την εισαγωγή του στο θάλαμο καύσης γεγονός που προκαλεί τη συμπύκνωση των περιεχόμενων πισσών και αντίστοιχα αυξάνει τις απαιτήσεις ως προς την αποτελεσματικότητα της διάταξης καθαρισμού. Όσο αναφορά τη χρήση του αερίου αεριοποίησης σε αεριοστρόβιλους είναι αναγκαία η μειωμένη περιεκτικότητα του σε αλκάλια (< 1ppmv) πράγμα που απαιτεί ειδικές διατάξεις καθαρισμού που να μπορούν να λειτουργήσουν αποτελεσματικά σε υψηλές θερμοκρασίες (π.χ. 700 ο C). Τέλος, όσο αναφορά τη χρήση του αερίου αεριοποίησης σε κυψέλες καυσίμου εκτός του ότι πρέπει το αέριο αεριοποίησης να είναι αρκετά καθαρό από προσμίξεις, ορισμένοι τύποι κυψελών καυσίμου (π.χ. PEM) απαιτούν επιπλέον χαμηλές περιεκτικότητες σε CO. Ένα ακόμη μειονέκτημα της διεργασίας αεριοποίησης είναι ότι οι αντιδραστήρες αεριοποίησης περιορίζονται ως προς την κλιμάκωσή τους σε μεγαλύτερα μεγέθη. Συνεπώς για τη δημιουργία μίας μονάδας αεριοποίησης με μεγάλη παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ χρειάζεται η εγκατάσταση πολλαπλών αντιδραστήρων αεριοποίησης. Τέλος, σε γενικές γραμμές, οι αντιδραστήρες αεριοποίησης έχουν υψηλότερες απαιτήσεις ως προς τη μειωμένη περιεχόμενη υγρασία της βιομάζας και το μέγεθος των σωματιδίων που μπορούν να δεχθούν συγκριτικά με τους αντιδραστήρες καύσης αυξάνοντας έτσι τις αντίστοιχες απαιτήσεις σε εξοπλισμό επεξεργασίας της εισερχόμενης βιομάζας. [125]

292 Σύγκριση αεριοποίησης πυρόλυσης Όπως έχει ήδη αναφερθεί, αεριοποίηση βιομάζας συμβαίνει όταν η ποσότητα του οξυγόνου που παρέχεται είναι μικρότερη από την απαιτούμενη για τη στοιχειομετρική καύση της. Άρα, επί της ουσίας, η αεριοποίηση βιομάζας είναι η μερική οξείδωση της. Όταν, όμως, γίνεται αναφορά στην πυρόλυση, είναι απαραίτητο να διατηρηθούν συνθήκες άνευ οξυγόνου κατά την διάρκεια της θερμικής μετατροπής της βιομάζας. Κατά τη διάρκεια της πυρόλυσης, η βιομάζα θερμαίνεται μέχρι τα πτητικά αέρια που περιέχει να εξέλθουν από τη στερεή μάζα. Τα πτητικά αέρια στη συνέχεια συμπυκνώνονται ώστε να παραχθεί τελικά το έλαιο πυρόλυσης (το έλαιο πυρόλυσης δεν είναι το ίδιο με το βιοντίζελ). Ίσως η πιο πολλά υποσχόμενη μέθοδος πυρόλυσης βιομάζας είναι η μέθοδος της γρήγορης πυρόλυσης (fast pyrolysis). Αυτή λαμβάνει χώρα σε ένα μέσο εύρος θερμοκρασίας ( C) με εξαιρετικά μικρό χρόνο παραμονής των πτητικών αερίων στο εσωτερικό του αντιδραστήρα (μεταξύ 2-3 sec ). Οι συνθήκες υπό τις οποίες λαμβάνει χώρα η γρήγορη πυρόλυση έχουν ως αποτέλεσμα την παραγωγή σχετικά μικρής ποσότητας εξανθρακωμάτων καθώς επίσης και την παραγωγή ελαίου πυρόλυσης με μικρή περιεκτικότητα σε νερό. Η μικρή περιεκτικότητα σε νερό προσδίδει στο έλαιο πυρόλυσης αυξημένη ενεργειακή αξία. Μεταβάλλοντας τις παραμέτρους διεξαγωγής της πυρόλυσης λαμβάνονται και τα αντίστοιχα προϊόντα. Στην εικόνα 5.2 παρουσιάζονται τα προϊόντα που παράγονται από τη διεργασία της γρήγορης, ενδιάμεσης ταχύτητας και αργής πυρόλυσης καθώς και από την αεριοποίηση. [126] Αέρια μικρών μορίων Εξανθρακώματα Νερό Οργανικά έλαια Εικόνα 5.2 Προϊόντα από διαφορετικές θερμοχημικές διεργασίες

293 Τόσο η αεριοποίηση όσο και η πυρόλυση είναι θερμοχημικές διεργασίες επεξεργασίας βιομάζας που έχουν ως αποτέλεσμα την παραγωγή ρευστών καυσίμων. Από την αεριοποίηση προκύπτει αέριο καύσιμο ενώ από την πυρόλυση προκύπτει υγρό καύσιμο. Η αλήθεια είναι, ότι το αέριο αεριοποίησης και το έλαιο πυρόλυσης έχουν ορισμένες ομοιότητες όπως για παράδειγμα τη δυνατότητα ενεργειακής τους αξιοποίησης σε διατάξεις με υψηλό βαθμό απόδοσης ( σε αεριοστρόβιλους ή σε μηχανές εσωτερικής καύσης ) και τη δυνατότητα χρήσης τους ως πρώτη ύλη για την παραγωγή άλλων καυσίμων ή χημικών ουσιών μεγαλύτερης εμπορικής αξίας. Οι δύο διεργασίες όμως παρουσιάζουν και ορισμένες σημαντικές διαφορές όπως για παράδειγμα την τεχνολογική ωριμότητα της παραγωγικής τους διαδικασίας. Αν, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η αεριοποίηση θεωρείται αναδυόμενη τεχνολογία και συγκριτικά με την καύση λιγότερο ώριμη, τότε η πυρόλυση θα πρέπει να θεωρείται ότι εξακολουθεί να είναι στο στάδιο της πειραματικής εφαρμογής της. Εξακολουθούν να υπάρχουν ορισμένοι τομείς που πρέπει να ερευνηθούν περισσότερο στην περίπτωση της πυρόλυσης. Το πιο σημαντικό σε αυτή τη μέθοδο είναι η επίτευξη μιας καλής ποιότητας του ελαίου πυρόλυσης που παράγεται. Το έλαιο πυρόλυσης όπως έχει αναφερθεί δεν είναι μία χημικά σταθερή ουσία αλλά τα χαρακτηριστικά του αλλάζουν με την πάροδο ορισμένων μηνών. Επίσης, έχει έντονα όξινο χαρακτήρα και συνεπώς οι μηχανές εσωτερικής καύσης στις οποίες τροφοδοτείται θα πρέπει να έχουν τις κατάλληλες κατασκευαστικές διαμορφώσεις. Ακόμη λόγω του όξινου χαρακτήρα του ελαίου πυρόλυσης η αποθήκευση και μεταφορά του απαιτούν τις ανάλογες προσαρμογές. Ένα βασικό στοιχείο που παίζει καθοριστικό ρόλο στη σύγκριση των δύο διεργασιών είναι το γεγονός ότι η αεριοποίηση είναι γενικά πιο ενεργοβόρα από τη διεργασία της πυρόλυσης βιομάζας. Αυτό έχει ως συνέπεια οι διατάξεις αεριοποίησης να απαιτούν μεγαλύτερο κόστος για την εγκατάσταση και λειτουργία τους. Επίσης το παραγόμενο αέριο αεριοποίησης πρέπει να καταναλώνεται από την ίδια τη μονάδα αεριοποίησης αμέσως μετά την παραγωγή του διότι η μεταφορά του και η αποθήκευσή του δεν οικονομικά δυνατή. Αντίθετα το έλαιο πυρόλυσης παρέχει τη δυνατότητα μεταφοράς και αποθήκευσης και συνεπώς το μέρος της παραγωγής του να διαφέρει από το μέρος της κατανάλωσής του. [125]

294 5.2 Συμπεράσματα Όπως αναλύθηκε στην παρούσα έκθεση, τα τελευταία δέκα χρόνια έχει γίνει σημαντική πρόοδος σε παγκόσμια κλίμακα από διάφορα ερευνητικά κέντρα και εταιρίες που ασχολούνται με τον τομέα της ενέργειας όσο αναφορά την έρευνα πάνω στην αξιοποίηση της βιομάζας για παραγωγή ηλεκτρισμού. Μέχρι σήμερα έχουν εγκατασταθεί ορισμένες εκατοντάδες μονάδες καύσης βιομάζας και μερικές δεκάδες μονάδες αεριοποίησης βιομάζας για την παραγωγή ηλεκτρισμού ενώ δεν υπάρχει ακόμη εγκατεστημένη μονάδα πυρόλυσης βιομάζας για παραγωγή ηλεκτρισμού. Ο κύριος μοχλός ανάπτυξης των τεχνολογιών αξιοποίησης βιομάζας για την παραγωγή ηλεκτρισμού είναι η ένταση του ενεργειακού προβλήματος που θα αντιμετωπίσει η ανθρωπότητα τα επόμενα χρόνια. Ως ενεργειακό πρόβλημα ορίζεται το πρόβλημα εύρεσης της αναγκαίας ποσότητας ενέργειας από την ανθρωπότητα με σκοπό την κάλυψη των αναγκών της. Η ουσία του ενεργειακού προβλήματος βρίσκεται στη συσχέτιση των ενεργειακών αποθεμάτων που διαρκώς μειώνονται, με τις απαιτήσεις για κατανάλωση ενέργειας που διαρκώς αυξάνονται. Είναι βέβαιο ότι τα καύσιμα που χρησιμοποιούνται μέχρι και σήμερα για να τροφοδοτηθεί με ενέργεια ο πολιτισμός μας σε λίγες δεκαετίες θα έχουν εξαντληθεί. Στην εικόνα 5.3 παρουσιάζεται ο λόγος των αποθεμάτων των βασικών ορυκτών καυσίμων που χρησιμοποιούνται προς τον ρυθμό εξόρυξής τους, για τα δεδομένα του Όπως φαίνεται στην τέταρτη στήλη τα παγκόσμια αποθέματα του πετρελαίου επαρκούν για ακόμη 50 χρόνια, τα αποθέματα του φυσικού αερίου για ακόμη 70 χρόνια και τα αποθέματα του ορυκτού άνθρακα για ακόμη 140 χρόνια. Με την πάροδο των χρόνων λοιπόν, θα γίνεται όλο και πιο επιτακτική η εύρεση νέων πηγών ενέργειας και συνεπώς οι εφαρμογές αξιοποίησης βιομάζας για παραγωγή ηλεκτρισμού θα εκσυγχρονίζονται και διαδίδονται ακόμη περισσότερο. [128] Εικόνα 5.3: Επάρκεια σε χρόνια του πετρελαίου, του φυσικού αερίου και του ορυκτού άνθρακα σύμφωνα με τα γνωστά αποθέματα και τους ρυθμούς εξόρυξης του

295 5.3 Προτάσεις για περαιτέρω έρευνα Πρόταση 1 Όπως περιγράφηκε στην παρούσα έκθεση, οι διατάξεις αξιοποίησης βιομάζας για παραγωγή ηλεκτρισμού αυξάνουν το βαθμό απόδοσής τους όταν η λειτουργία τους βρίσκεται σε συνεργασία με τη λειτουργία παρακείμενων παραγωγικών μονάδων. Λόγω των χαρακτηριστικών της βιομάζας ( χαμηλή πυκνότητα, χαμηλή θερμογόνο δύναμη) είναι πολύ καθοριστικός παράγοντας ο βαθμός απόδοσης που μπορεί να επιτευχθεί από μία μονάδα αξιοποίησης βιομάζας για την παραγωγή ηλεκτρισμού, που στο τέλος θα κρίνει και τη βιωσιμότητά της. Οι μονάδες αξιοποίησης βιομάζας για παραγωγή ηλεκτρισμού που είναι σε θέση να χρησιμοποιήσουν προϊόντα που προκύπτουν από την παραγωγική διαδικασία γειτονικών μονάδων και που δε μπορούν να αξιοποιηθούν διαφορετικά, έχουν σημαντικές προοπτικές μίας κερδοφόρας λειτουργίας. Έτσι λοιπόν το τμήμα των Μηχανολόγων Μηχανικών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης θα μπορούσε στα πλαίσια των διπλωματικών εργασιών που εκπονούν οι φοιτητές να καταγράψει σε πρώτη φάση όλες τις παραγωγικές μονάδες της Ελλάδας που παράγουν είδη βιομάζας υπολειμματικής μορφής ή θερμότητα, από την παραγωγική διαδικασία των κύριων προϊόντων τους και που παραμένουν αναξιοποίητα. Ορισμένα παραδείγματα τέτοιων μονάδων παρουσιάζονται στον πίνακα 5.2. Σε δεύτερη φάση, το τμήμα μας θα μπορούσε για κάθε περίπτωση να προτείνει την κατάλληλη τεχνολογία αξιοποίησης βιομάζας για παραγωγή ηλεκτρισμού και να συντάξει μία τεχνοοικονομική μελέτη. Με αυτόν τον τρόπο οι ιδιοκτήτες βιοτεχνιών μικρών εργοστασίων στη Ελλάδα θα μπορούσαν να ενημερωθούν για τις επιπλέον παραγωγικές δυνατότητες που θα μπορούσε να έχει η επιχείρησή τους με την παράλληλη παραγωγή ηλεκτρισμού (και θερμότητας). Είναι πολύ πιθανόν σε ορισμένες περιπτώσεις να προχωρήσει η εγκατάσταση μονάδων αξιοποίησης βιομάζας με όλα τα οφέλη (οικονομικά περιβαλλοντικά) που μπορούν να έχουν τέτοια έργα για την Ελλάδα. Πίνακας 5.3: Κατηγορίες βιοτεχνιών - βιομηχανιών που θα μπορούσαν να παράγουν αναξιοποίητα είδη βιομάζας ή αναξιοποίητη θερμότητα Παραγωγικές μονάδες Θερμοηλεκτρικοί σταθμοί που χρησιμοποιούν λιγνίτη ή φυσικό αέριο Ζυθοποιίες Οινοποιεία Κτηνοτροφικές εγκαταστάσεις (πτηνοτροφία, βουστάσια, προβατοστάσια, χοιροτροφία) Εργοστάσια παραγωγής ελαιόλαδου - πυρινέλαιου Χαρτοβιομηχανίες Σφαγεία Βυρσοδεψεία Υπολειμματικά προϊόντα που προκύπτουν από την κύρια παραγωγική τους διαδικασία Θερμότητα Στερεή βιομάζα που προκύπτει από την παραγωγική διαδικασία της μπύρας (υπολείμματα ζυθόγλευκους, υπολείμματα διήθησης κ.ά) Απόβλητη βιομάζα οινοποίησης Κοπριά Ελαιοπυρήνας Πυρινόξυλο Ιλύς που αποτελείται κυρίως από ίνες και κόκκους καολίνης Απόβλητη βιομάζα σφαγείων Απόβλητη βιομάζα βυρσοδεψίων

296 Πρόταση 2 Τα ελληνικά νησιά δεν είναι συνδεδεμένα με το σύστημα διακίνησης ηλεκτρισμού της ηπειρωτικής Ελλάδας. Εξαίρεση αποτελούν τα νησιά του Ιονίου, οι Σποράδες, η Θάσος, η Σαμοθράκη, η Κέα και τα Κύθηρα. Λόγω των τεχνολογικών εξελίξεων στον τομέα των υποβρυχίων καλωδίων, τα τελευταία χρόνια μελετάται επίσης η σύνδεση ορισμένων νησιών όπως η Χίος, η Λήμνος, η Σάμος, η Ικαρία και η Λέσβος με το ηπειρωτικό σύστημα. Μέχρι στιγμής όμως τα ελληνικά νησιά πρέπει να παράγουν τον ηλεκτρισμό που καταναλώνουν. Η μεγάλη πλειοψηφία των ηλεκτροπαραγωγών μονάδων στα νησιά χρησιμοποιεί ως καύσιμο πετρέλαιο ντίζελ ή μαζούτ ενώ επίσης είναι παλαιού τύπου με χαμηλούς βαθμούς απόδοσης ενώ ένα μικρότερο ποσοστό παράγεται από αιολικά και φωτοβολταϊκά πάρκα. Συνεπώς η παραγωγή ηλεκτρισμού στα ελληνικά νησιά είναι ιδιαίτερα ακριβή ενώ παράλληλα διενεργείται σημαντική περιβαλλοντική επιβάρυνση. Στην εικόνα 5.4 παρουσιάζεται η μηνιαία παραγωγή ηλεκτρισμού στα μη διασυνδεδεμένα νησιά. [129] Το τμήμα των Μηχανολόγων Μηχανικών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης θα μπορούσε αρχικά να συγκεντρώσει στοιχεία όσο αναφορά τις ενεργειακές ανάγκες του κάθε ελληνικού νησιού καθώς το είδος και την ποσότητα της βιομάζας υπολειμματικής μορφής που κάθε νησί παράγει. Για παράδειγμα στα ελληνικά νησιά παράγονται αρκετές ποσότητες ελαιοπυρήνα και πυρηνόξυλου αλλά και άλλες υπολειμματικές μορφές βιομάζας από τη γεωργία κτηνοτροφία. Στη συνέχεια θα μπορούσε να προταθεί η καταλληλότερη τεχνολογία αξιοποίησης βιομάζας και να γίνει μία τεχνοοικονομική μελέτη για την κάθε περίπτωση. Με αυτόν τον τρόπο ίσως ορισμένοι δήμοι αναλάβουν πρωτοβουλίες ώστε να διεκδικήσουν χρηματοδότηση και να προχωρήσουν στην εγκατάσταση μονάδων αξιοποίησης βιομάζας για παραγωγή ηλεκτρισμού (και θερμότητας). Εικόνα 5.4: Μηνιαία παραγωγή ηλεκτρισμού στα μη διασυνδεδεμένα ελληνικά νησιά

Ενεργειακή Αξιοποίηση Βιομάζας. Δρ Θρασύβουλος Μανιός Αναπληρωτής Καθηγητής ΤΕΙ Κρήτης ΣΕΠ στην ΠΣΕ50

Ενεργειακή Αξιοποίηση Βιομάζας. Δρ Θρασύβουλος Μανιός Αναπληρωτής Καθηγητής ΤΕΙ Κρήτης ΣΕΠ στην ΠΣΕ50 Ενεργειακή Αξιοποίηση Βιομάζας Δρ Θρασύβουλος Μανιός Αναπληρωτής Καθηγητής ΤΕΙ Κρήτης ΣΕΠ στην ΠΣΕ50 Τι ορίζουμε ως «βιομάζα» Ως βιομάζα ορίζεται η ύλη που έχει βιολογική (οργανική) προέλευση. Πρακτικά,

Διαβάστε περισσότερα

Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (Α.Π.Ε.)

Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (Α.Π.Ε.) ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (Α.Π.Ε.) Ενότητα 6: Βιομάζα Σπύρος Τσιώλης Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΤΕ Άδειες Χρήσης Το παρόν

Διαβάστε περισσότερα

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΑΠΕ. Βισκαδούρος Γ. Ι. Φραγκιαδάκης Φ. Μαυροματάκης

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΑΠΕ. Βισκαδούρος Γ. Ι. Φραγκιαδάκης Φ. Μαυροματάκης ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΑΠΕ Βισκαδούρος Γ. Ι. Φραγκιαδάκης Φ. Μαυροματάκης ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ο όρος βιομάζα μπορεί να δηλώσει : α) Τα υλικά ή τα υποπροϊόντα και κατάλοιπα της φυσικής, ζωικής δασικής και αλιευτικής παραγωγής

Διαβάστε περισσότερα

Παράρτημα καυσίμου σελ.1

Παράρτημα καυσίμου σελ.1 Παράρτημα καυσίμου σελ.1 Περιγραφές της σύστασης καύσιμης βιομάζας Η βιομάζα που χρησιμοποιείται σε ενεργειακές εφαρμογές μπορεί να προέρχεται εν γένει από δέντρα ή θάμνους (ξυλώδης ή λιγνο-κυτταρινούχος

Διαβάστε περισσότερα

ΕΡΓΑΣΙΑ ΣΤΑ ΠΛΑΣΙΑ ΤΟΥ PROJECT

ΕΡΓΑΣΙΑ ΣΤΑ ΠΛΑΣΙΑ ΤΟΥ PROJECT ΕΡΓΑΣΙΑ ΣΤΑ ΠΛΑΣΙΑ ΤΟΥ PROJECT Οι μαθήτριες : Αναγνωστοπούλου Πηνελόπη Αποστολοπούλου Εύα Βαλλιάνου Λυδία Γερονικόλα Πηνελόπη Ηλιοπούλου Ναταλία Click to edit Master subtitle style ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2012 Η ΟΜΑΔΑ

Διαβάστε περισσότερα

Η αγροτική Βιομάζα και οι δυνατότητες αξιοποίησής της στην Ελλάδα. Αντώνης Γερασίμου Πρόεδρος Ελληνικής Εταιρίας Ανάπτυξης Βιομάζας

Η αγροτική Βιομάζα και οι δυνατότητες αξιοποίησής της στην Ελλάδα. Αντώνης Γερασίμου Πρόεδρος Ελληνικής Εταιρίας Ανάπτυξης Βιομάζας Η αγροτική Βιομάζα και οι δυνατότητες αξιοποίησής της στην Ελλάδα Αντώνης Γερασίμου Πρόεδρος Ελληνικής Εταιρίας Ανάπτυξης Βιομάζας 1 Η ΕΛΕΑΒΙΟΜ και ο ρόλος της Η Ελληνική Εταιρία (Σύνδεσμος) Ανάπτυξης

Διαβάστε περισσότερα

Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας

Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Εισηγητές : Βασιλική Σπ. Γεμενή Διπλ. Μηχανολόγος Μηχανικός Δ.Π.Θ Θεόδωρος Γ. Μπιτσόλας Διπλ. Μηχανολόγος Μηχανικός Π.Δ.Μ Λάρισα 2013 1 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. ΑΠΕ 2. Ηλιακή ενέργεια

Διαβάστε περισσότερα

Παρουσίαση από Νικόλαο Σαμαρά.

Παρουσίαση από Νικόλαο Σαμαρά. Παρουσίαση από Νικόλαο Σαμαρά. από το 1957 με γνώση και μεράκι Βασικές Αγορές Βιομηχανία Οικίες Βιομάζα Με τον όρο βιομάζα ονομάζουμε οποιοδήποτε υλικό παράγεται από ζωντανούς οργανισμούς (όπως είναι το

Διαβάστε περισσότερα

ΦΟΙΤΗΤΗΣ: ΔΗΜΑΣ ΝΙΚΟΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΠΕΙΡΑΙΑ ΣΧΟΛΗ: ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ: ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ

ΦΟΙΤΗΤΗΣ: ΔΗΜΑΣ ΝΙΚΟΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΠΕΙΡΑΙΑ ΣΧΟΛΗ: ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ: ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΦΟΙΤΗΤΗΣ: ΔΗΜΑΣ ΝΙΚΟΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΠΕΙΡΑΙΑ ΣΧΟΛΗ: ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ: ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ Θέμα της εργασίας είναι Η αξιοποίηση βιομάζας για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Πρόκειται

Διαβάστε περισσότερα

Ο ρόλος της βιομάζας για την ανάπτυξη της Ελληνικής οικονομίας

Ο ρόλος της βιομάζας για την ανάπτυξη της Ελληνικής οικονομίας 4η Ενότητα: «Βιοκαύσιμα 2ης Γενιάς» Ο ρόλος της βιομάζας για την ανάπτυξη της Ελληνικής οικονομίας Αντώνης Γερασίμου Πρόεδρος Δ.Σ. Ελληνικής Εταιρείας Βιοµάζας ΕΛ.Ε.Α.ΒΙΟΜ ΒΙΟΜΑΖΑ Η αδικημένη μορφή ΑΠΕ

Διαβάστε περισσότερα

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ ΚΑΥΣΗ

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ ΚΑΥΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ ΚΑΥΣΗ Την εργασία επιμελήθηκαν οι: Αναστασοπούλου Ευτυχία Ανδρεοπούλου Μαρία Αρβανίτη Αγγελίνα Ηρακλέους Κυριακή Καραβιώτη Θεοδώρα Καραβιώτης Στέλιος Σπυρόπουλος Παντελής Τσάτος Σπύρος

Διαβάστε περισσότερα

ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΕΙΚΟΝΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΕΙΚΟΝΑ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ Αποφευχθέν CO 2 (Kg / εκτάριο / έτος) Προϊόντα: Υψηλό κόστος σακχαρούχων και αμυλούχων προϊόντων (τεύτλα, καλαμπόκι, κ.ά.) που χρησιμοποιούνται

Διαβάστε περισσότερα

οικονομία- Τεχνολογία ΜΑΘΗΜΑ: : OικιακήO : Σχολικό έτος:2011 Β2 Γυμνασίου Νεάπολης Κοζάνης

οικονομία- Τεχνολογία ΜΑΘΗΜΑ: : OικιακήO : Σχολικό έτος:2011 Β2 Γυμνασίου Νεάπολης Κοζάνης ΜΑΘΗΜΑ: : OικιακήO οικονομία- Τεχνολογία Σχολικό έτος:2011 :2011-20122012 Β2 Γυμνασίου Νεάπολης Κοζάνης ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΥΜΒΑΤΙΚΕΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΜΑΘΗΤΕΣ ΠΟΥ ΕΡΓΑΣΤΗΚΑΝ: J ΧΡΗΣΤΟΣ ΣΑΝΤ J ΣΤΕΡΓΙΟΣ

Διαβάστε περισσότερα

1. ΠΗΓΕΣ ΚΑΙ ΜΟΡΦΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

1. ΠΗΓΕΣ ΚΑΙ ΜΟΡΦΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 1. ΠΗΓΕΣ ΚΑΙ ΜΟΡΦΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 1.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η ενέργεια είναι κύρια ιδιότητα της ύλης που εκδηλώνεται με διάφορες μορφές (κίνηση, θερμότητα, ηλεκτρισμός, φως, κλπ.) και γίνεται αντιληπτή (α) όταν μεταφέρεται

Διαβάστε περισσότερα

ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΕΣ ΚΑΙ ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΑ ΩΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ

ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΕΣ ΚΑΙ ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΑ ΩΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΕΣ ΚΑΙ ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΑ ΩΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ Project για το μάθημα: «Οικονομική του Περιβάλλοντος και των Φυσικών Πόρων» ΒΛΑΣΣΗ ΕΛΕΝΗ Α.Μ.: 2419 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

Διαβάστε περισσότερα

ΑΕΡΙΟΠΟΙΗΣΗ ΒΙΟΜΑΖΑΣ - Προοπτικές συµπαραγωγής θερµότητας / ηλεκτρισµού

ΑΕΡΙΟΠΟΙΗΣΗ ΒΙΟΜΑΖΑΣ - Προοπτικές συµπαραγωγής θερµότητας / ηλεκτρισµού TEE / ΤΜΗΜΑ ΚΕΝΤΡΙΚΗΣ & ΥΤΙΚΗΣ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ Ανανεώσιµες Πηγές Ενέργειας - Η θέση τους στο νέο ενεργειακό τοπίο της χώρας και στην περιοχή της Θεσσαλίας Λάρισα, 29 Νοεµβρίου -1 εκεµβρίου 2007 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ

Διαβάστε περισσότερα

Μικρές Μονάδες Αεριοποίησης σε Επίπεδο Παραγωγού και Κοινότητας

Μικρές Μονάδες Αεριοποίησης σε Επίπεδο Παραγωγού και Κοινότητας Μικρές Μονάδες Αεριοποίησης σε Επίπεδο Παραγωγού και Κοινότητας από το Σπύρο ΚΥΡΙΤΣΗ Προσκεκλημένο Ομιλητή Ημερίδα «Αεριοποίησης Βιομάζας για την Αποκεντρωμένη Συμπαραγωγή Θερμότητας και Ηλεκτρισμού» Αμύνταιο

Διαβάστε περισσότερα

Συνδυασµένη καύση (σύγκαυση) άνθρακα και βιοµάζας Ιωάννα Παπαµιχαήλ Τµήµα βιοµάζας, ΚΑΠΕ Ορισµός καύση βιοµάζας µαζί µε ορυκτά καύσιµα, συχνότερα άνθρακα αλλά και φυσικό αέριο, στον ίδιο σταθµό ηλεκτροπαραγωγής

Διαβάστε περισσότερα

Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας

Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Ορισμός «Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) είναι οι μη ορυκτές ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, δηλαδή η αιολική, η ηλιακή και η γεωθερμική ενέργεια, η ενέργεια κυμάτων, η παλιρροϊκή ενέργεια, η υδραυλική

Διαβάστε περισσότερα

ΤΕΧΝΙΚΟ ΕΠΙΜΕΛΗΤΗΡΙΟ ΕΛΛΑΔΑΣ Περιφερειακό Τμήμα Νομού Αιτωλοακαρνανίας

ΤΕΧΝΙΚΟ ΕΠΙΜΕΛΗΤΗΡΙΟ ΕΛΛΑΔΑΣ Περιφερειακό Τμήμα Νομού Αιτωλοακαρνανίας ΤΕΧΝΙΚΟ ΕΠΙΜΕΛΗΤΗΡΙΟ ΕΛΛΑΔΑΣ Περιφερειακό Τμήμα Νομού Αιτωλοακαρνανίας Παρατηρήσεις για την λειτουργία μονάδας ηλεκτροπαραγωγής με χρήση βιορευστών καυσίμων, στον Δήμο Μεσολογγίου. Αγρίνιο 10-7-2017 1.

Διαβάστε περισσότερα

ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΒΙΟΜΑΖΑΣ. Απόστολος Βλυσίδης Καθηγητής ΕΜΠ

ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΒΙΟΜΑΖΑΣ. Απόστολος Βλυσίδης Καθηγητής ΕΜΠ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΒΙΟΜΑΖΑΣ Απόστολος Βλυσίδης Καθηγητής ΕΜΠ Η ενέργεια από βιόµαζα είναι µία ανανεώσιµη µορφή ενέργειας Τι ονοµάζουµε ανανεώσιµη ενέργεια ; Η ενέργεια που αναπληρώνεται από το φυσικό

Διαβάστε περισσότερα

η βελτίωση της ποιότητας του αέρα στα κράτη µέλη της ΕΕ και, ως εκ τούτου, η ενεργός προστασία των πολιτών έναντι των κινδύνων για την υγεία που

η βελτίωση της ποιότητας του αέρα στα κράτη µέλη της ΕΕ και, ως εκ τούτου, η ενεργός προστασία των πολιτών έναντι των κινδύνων για την υγεία που Τεχνολογίες ελέγχου των εκποµπών των Συµβατικών Ατµοηλεκτρικών Σταθµών (ΣΑΗΣ) µε καύσιµο άνθρακα ρ. Αντώνιος Τουρλιδάκης Τµ. Μηχανολόγων Μηχανικών, Πανεπιστήµιο υτικής Μακεδονίας Τύποι εκποµπών που εκλύονται

Διαβάστε περισσότερα

Διπλ. Μηχανικός Βασιλειάδης Μιχαήλ ΑΟΥΤΕΒ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Α.Ε. 04 Φεβρουαρίου 2011 Hotel King George II Palace Πλατεία Συντάγματος Αθήνα

Διπλ. Μηχανικός Βασιλειάδης Μιχαήλ ΑΟΥΤΕΒ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Α.Ε. 04 Φεβρουαρίου 2011 Hotel King George II Palace Πλατεία Συντάγματος Αθήνα Διπλ. Μηχανικός Βασιλειάδης Μιχαήλ ΑΟΥΤΕΒ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Α.Ε. 04 Φεβρουαρίου 2011 Hotel King George II Palace Πλατεία Συντάγματος Αθήνα Είδη πρώτων υλών Αγροτικού τομέα Κτηνοτροφικού τομέα Αστικά απόβλητα Αγροτικός

Διαβάστε περισσότερα

04-04: «Ιδιαίτερα» κλάσματα βιομάζας Ιδιότητες και διεργασίες

04-04: «Ιδιαίτερα» κλάσματα βιομάζας Ιδιότητες και διεργασίες Κεφάλαιο 04-04 σελ. 1 04-04: «Ιδιαίτερα» κλάσματα βιομάζας Ιδιότητες και διεργασίες Εισαγωγή Γενικά, υπάρχουν πέντε διαφορετικές διεργασίες που μπορεί να χρησιμοποιήσει κανείς για να παραχθεί χρήσιμη ενέργεια

Διαβάστε περισσότερα

Σταθµοί ηλεκτροπαραγωγής συνδυασµένου κύκλου µε ενσωµατωµένη αεριοποίηση άνθρακα (IGCC) ρ. Αντώνιος Τουρλιδάκης Καθηγητής Τµ. Μηχανολόγων Μηχανικών, Πανεπιστήµιο υτικής Μακεδονίας 1 ιαδικασίες, σχήµατα

Διαβάστε περισσότερα

Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Project Τμήμα Α 3

Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Project Τμήμα Α 3 Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας Project Τμήμα Α 3 Ενότητες εργασίας Η εργασία αναφέρετε στις ΑΠΕ και μη ανανεώσιμες πήγες ενέργειας. Στην 1ενότητα θα μιλήσουμε αναλυτικά τόσο για τις ΑΠΕ όσο και για τις μη

Διαβάστε περισσότερα

ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ ΦΙΛΙΠΠΟΠΟΥΛΟΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ Α.Τ.Ε. 1ο ΧΛΜ ΝΕΟΧΩΡΟΥΔΑΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ

ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ ΦΙΛΙΠΠΟΠΟΥΛΟΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ Α.Τ.Ε. 1ο ΧΛΜ ΝΕΟΧΩΡΟΥΔΑΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ . ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΒΙΟΜΑΖΑΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ ΓΙΑ ΗΛΕΚΤΡΟΠΑΡΑΓΩΓΗ ΜΕ ORC ΕΚΜΕΤΑΛΛΕΥΣΗ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ ΚΑΥΣΑΕΡΙΩΝ ΚΑΙ ΤΗΣ ΑΠΟΡΡΙΠΤΟΜΕΝΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΦΙΛΙΠΠΟΠΟΥΛΟΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ

Διαβάστε περισσότερα

Οργανικά απόβλητα στην Κρήτη

Οργανικά απόβλητα στην Κρήτη Οργανικά απόβλητα στην Κρήτη Τα κύρια οργανικά απόβλητα που παράγονται στην ευρύτερη περιοχή της Κρήτης είναι: Απόβλητα από τη λειτουργία σφαγείων Απόβλητα από τη λειτουργία ελαιουργείων Απόβλητα από τη

Διαβάστε περισσότερα

Πανεπιστήμιο Πατρών Πολυτεχνική σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών Ακαδημαϊκό Έτος 2007-20082008 Μάθημα: Οικονομία Περιβάλλοντος για Οικονομολόγους Διδάσκων:Σκούρας Δημήτριος ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ

Διαβάστε περισσότερα

ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΑ. Πολυχρόνης Καραγκιοζίδης Χημικός Mcs Σχολικός Σύμβουλος.

ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΑ. Πολυχρόνης Καραγκιοζίδης Χημικός Mcs Σχολικός Σύμβουλος. ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΑ Πολυχρόνης Καραγκιοζίδης Χημικός Mcs Σχολικός Σύμβουλος. ΤΑ ΚΥΡΙΟΤΕΡΑ ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΑ 1. Τα καυσόξυλα και το ξυλοκάρβουνο, γνωστά από τους προϊστορικούς χρόνους. 2. Οι πελλέτες (pellets). Προκύπτουν

Διαβάστε περισσότερα

Εργαστήριο ΑΠΕ I. Εισαγωγικά στοιχεία: Δομή εργαστηρίου. Τεχνολογίες ΑΠΕ. Πολυζάκης Απόστολος Καλογήρου Ιωάννης Σουλιώτης Εμμανουήλ

Εργαστήριο ΑΠΕ I. Εισαγωγικά στοιχεία: Δομή εργαστηρίου. Τεχνολογίες ΑΠΕ. Πολυζάκης Απόστολος Καλογήρου Ιωάννης Σουλιώτης Εμμανουήλ Εργαστήριο ΑΠΕ I Εισαγωγικά στοιχεία: Δομή εργαστηρίου. Τεχνολογίες ΑΠΕ. Πολυζάκης Απόστολος Καλογήρου Ιωάννης Σουλιώτης Εμμανουήλ Ενότητες Εργαστηρίου ΑΠΕ Ι και Ασκήσεις Ενότητα 1 - Εισαγωγή: Τεχνολογίες

Διαβάστε περισσότερα

Αντιμετώπιση ενεργειακού προβλήματος. Περιορισμός ενεργειακών αναγκών (εξοικονόμηση ενέργειας)

Αντιμετώπιση ενεργειακού προβλήματος. Περιορισμός ενεργειακών αναγκών (εξοικονόμηση ενέργειας) Αντιμετώπιση ενεργειακού προβλήματος Μεγάλο μέρος των συνηθειών μας αλλά και της τεχνολογίας έχει δημιουργηθεί σε περιόδους «ενεργειακής ευημερίας» Περιορισμός ενεργειακών αναγκών (εξοικονόμηση ενέργειας)

Διαβάστε περισσότερα

Ήπιες µορφές ενέργειας

Ήπιες µορφές ενέργειας ΕΒ ΟΜΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟ Ήπιες µορφές ενέργειας Α. Ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής Επιλέξετε τη σωστή από τις παρακάτω προτάσεις, θέτοντάς την σε κύκλο. 1. ΥΣΑΡΕΣΤΗ ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΣΥΝΕΠΕΙΑ ΤΗΣ ΧΡΗΣΗΣ ΤΩΝ ΟΡΥΚΤΩΝ ΚΑΥΣΙΜΩΝ

Διαβάστε περισσότερα

ΑΛΕΞΑΝ ΡΕΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙ ΕΥΤΙΚΟ Ι ΡΥΜΑ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΓΕΩΠΟΝΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΦΥΤΙΚΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ

ΑΛΕΞΑΝ ΡΕΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙ ΕΥΤΙΚΟ Ι ΡΥΜΑ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΓΕΩΠΟΝΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΦΥΤΙΚΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΑΛΕΞΑΝ ΡΕΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙ ΕΥΤΙΚΟ Ι ΡΥΜΑ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΓΕΩΠΟΝΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΦΥΤΙΚΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΘΕΜΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ: «ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΦΥΤΑ ΚΑΙ ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΑ» ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: ΦΙΝΟΣ ΛΟΥΚΑΣ (Α.Μ. 107/03) ΕΙΣΗΓΗΤΗΣ

Διαβάστε περισσότερα

ΕΝΑΤΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟ. Μορφές Ενέργειας

ΕΝΑΤΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟ. Μορφές Ενέργειας ΕΝΤΟ ΚΕΦΛΙΟ Μορφές Ενέργειας ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΚΛΕΙΣΤΟΥ ΤΥΠΟΥ Ερωτήσεις της µορφής σωστό-λάθος Σηµειώστε αν είναι σωστή ή λάθος καθεµιά από τις παρακάτω προτάσεις περιβάλλοντας µε ένα κύκλο το αντίστοιχο γράµµα.

Διαβάστε περισσότερα

ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΕΡΓΟΥ

ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΕΡΓΟΥ ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΕΡΓΟΥ ΒΑΘΜΟΙ ΑΠΟΔΟΣΗΣ Συντελεστής διάθεσης ενέργειας - EUF (Energy Utilisation Factor) ΒΑΘΜΟΙ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΚΑΙ ΑΛΛΟΙ ΟΡΙΣΜΟΙ P ch-s : η συνολική χημική ισχύς των καυσίμων

Διαβάστε περισσότερα

Πράσινο & Κοινωνικό Επιχειρείν

Πράσινο & Κοινωνικό Επιχειρείν Πράσινο & Κοινωνικό Επιχειρείν 1 Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) Eίναι οι ενεργειακές πηγές (ο ήλιος, ο άνεμος, η βιομάζα, κλπ.), οι οποίες υπάρχουν σε αφθονία στο φυσικό μας περιβάλλον Το ενδιαφέρον

Διαβάστε περισσότερα

2. ΠΑΓΚΟΣΜΙΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΙΣΟΖΥΓΙΟ Η

2. ΠΑΓΚΟΣΜΙΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΙΣΟΖΥΓΙΟ Η 2. ΠΑΓΚΟΣΜΙΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΙΣΟΖΥΓΙΟ Η παγκόσμια παραγωγή (= κατανάλωση + απώλειες) εκτιμάται σήμερα σε περίπου 10 Gtoe/a (10.000 Mtoe/a, 120.000.000 GWh/a ή 420 EJ/a), αν και οι εκτιμήσεις αποκλίνουν: 10.312

Διαβάστε περισσότερα

ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΦΕΡΕΙΑ ΔΥΤ.ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ

ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΦΕΡΕΙΑ ΔΥΤ.ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΦΕΡΕΙΑ ΔΥΤ.ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ Αναστασία Α.Ζαμπανιώτου, Αν.Καθ. Τμήμα Χημικών Μηχανικών, ΑΠΘ Υπεύθυνη Ομάδας Βιομάζας Θ. Χατζηαυγουστής, Ερευνητής Πεδίου Βασιλική

Διαβάστε περισσότερα

«Βιοκαύσιμα και περιβάλλον σε όλο τον κύκλο ζωής»

«Βιοκαύσιμα και περιβάλλον σε όλο τον κύκλο ζωής» «Βιοκαύσιμα και περιβάλλον σε όλο τον κύκλο ζωής» Δρ Γιώργος Αγερίδης Μηχανολόγος Μηχανικός Μέλος της Επιστημονικής Επιτροπής του Ecocity Υπεύθυνος της Διεύθυνσης Οικονομικών Υπηρεσιών & Διαχείρισης του

Διαβάστε περισσότερα

Μελέτη και οικονομική αξιολόγηση φωτοβολταϊκής εγκατάστασης σε οικία στη νήσο Κω

Μελέτη και οικονομική αξιολόγηση φωτοβολταϊκής εγκατάστασης σε οικία στη νήσο Κω Μελέτη και οικονομική αξιολόγηση φωτοβολταϊκής εγκατάστασης σε οικία στη νήσο Κω ΙΩΑΝΝΙΔΟΥ ΠΕΤΡΟΥΛΑ /04/2013 ΓΑΛΟΥΖΗΣ ΧΑΡΑΛΑΜΠΟΣ Εισαγωγή Σκοπός αυτής της παρουσίασης είναι μία συνοπτική περιγραφή της

Διαβάστε περισσότερα

Συνδυασµός Θερµοχηµικής και Βιοχηµικής

Συνδυασµός Θερµοχηµικής και Βιοχηµικής Εθνικό Κέντρο Έρευνας & Τεχνολογικής Ανάπτυξης Ινστιτούτο Τεχνολογίας & Εφαρµογών Στερεών Καυσίµων (ΕΚΕΤΑ / ΙΤΕΣΚ) Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Εργαστήριο Ατµοπαραγωγών & Θερµικών Εγκαταστάσεων (ΕΜΠ / ΕΑ&ΘΕ

Διαβάστε περισσότερα

ΥΠΕΥΘΥΝΕΣ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΕΣ: Κωνσταντινιά Τσιρογιάννη. Βασιλική Χατζηκωνσταντίνου (ΠΕ04)

ΥΠΕΥΘΥΝΕΣ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΕΣ: Κωνσταντινιά Τσιρογιάννη. Βασιλική Χατζηκωνσταντίνου (ΠΕ04) ΥΠΕΥΘΥΝΕΣ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΕΣ: Κωνσταντινιά Τσιρογιάννη (ΠΕ02) Βασιλική Χατζηκωνσταντίνου (ΠΕ04) Β T C E J O R P Υ Ν Η Μ Α Ρ Τ ΤΕ Α Ν Α Ν Ε Ω ΣΙ Μ ΕΣ Π Η ΓΕ Σ ΕΝ Ε Ρ ΓΕ Ι Α Σ. Δ Ι Ε Ξ Δ Σ Α Π ΤΗ Ν Κ Ρ Ι ΣΗ 2 Να

Διαβάστε περισσότερα

ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ VΙ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕ ΤΙΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΚΑΥΣΗΣ. Μέρος 1

ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ VΙ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕ ΤΙΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΚΑΥΣΗΣ. Μέρος 1 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ VΙ [Άρθρα 2(1), 47(2), (3), (4), (5), (8), (9), (10), 48 (1), (2)(α), 49(3)(γ) και (4)(δ), 50(1)(δ), 51(2), 55(1), (2), 56, 57(1)(α), (2), (3) και 99(1), (2) και (3)] ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΣΧΕΤΙΚΑ

Διαβάστε περισσότερα

Το σήμερα και το αύριο της αξιοποίησης βιομάζας στην ελληνική πραγματικότητα. Αντώνιος Ε. Γερασίμου Πρόεδρος ΕΛΕΑΒΙΟΜ

Το σήμερα και το αύριο της αξιοποίησης βιομάζας στην ελληνική πραγματικότητα. Αντώνιος Ε. Γερασίμου Πρόεδρος ΕΛΕΑΒΙΟΜ Το σήμερα και το αύριο της αξιοποίησης βιομάζας στην ελληνική πραγματικότητα Αντώνιος Ε. Γερασίμου Πρόεδρος ΕΛΕΑΒΙΟΜ 1 2 Η ΕΛΕΑΒΙΟΜ ΚΑΙ Ο ΡΟΛΟΣ ΤΗΣ Η Ελληνική Εταιρεία Ανάπτυξης Βιομάζας (ΕΛΕΑΒΙΟΜ) είναι

Διαβάστε περισσότερα

ΓΓ/Μ ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΑΙΔΕΙΑΣ ΟΡΟΣΗΜΟ. Τεύχος 2ο: Υδρογονάνθρακες Πετρέλαιο Προϊόντα από υδρογονάνθρακες Αιθανόλη - Ζυμώσεις

ΓΓ/Μ ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΑΙΔΕΙΑΣ ΟΡΟΣΗΜΟ. Τεύχος 2ο: Υδρογονάνθρακες Πετρέλαιο Προϊόντα από υδρογονάνθρακες Αιθανόλη - Ζυμώσεις ΓΓ/Μ2 05-06 ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΑΙΔΕΙΑΣ ΟΡΟΣΗΜΟ Τεύχος 2ο: Υδρογονάνθρακες Πετρέλαιο Προϊόντα από υδρογονάνθρακες Αιθανόλη - Ζυμώσεις 140 ΧΗΜΕΙΑ: Υδρογονάνθρακες- Πετρέλαιο - Προιόντα από υδρογονάνθρακες - Αιθανόλη

Διαβάστε περισσότερα

ΑΠΟΦΑΣΗ ΤΗΣ ΕΠΙΤΡΟΠΗΣ. της 21ης Δεκεμβρίου 2006

ΑΠΟΦΑΣΗ ΤΗΣ ΕΠΙΤΡΟΠΗΣ. της 21ης Δεκεμβρίου 2006 6.2.2007 EL Επίσημη Εφημερίδα της Ευρωπαϊκής Ένωσης L 32/183 ΑΠΟΦΑΣΗ ΤΗΣ ΕΠΙΤΡΟΠΗΣ της 21ης Δεκεμβρίου 2006 περί καθορισμού εναρμονισμένων τιμών αναφοράς απόδοσης για τη χωριστή παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας

Διαβάστε περισσότερα

Προοπτικές ηλεκτροπαραγωγής και χρησιμοποίησης εναλλακτικών καυσίμων στη Δυτική Μακεδονία

Προοπτικές ηλεκτροπαραγωγής και χρησιμοποίησης εναλλακτικών καυσίμων στη Δυτική Μακεδονία Δημόσια Επιχείρηση Ηλεκτρισμού Α.Ε. Προοπτικές ηλεκτροπαραγωγής και χρησιμοποίησης εναλλακτικών καυσίμων στη Δυτική Μακεδονία Φλώρινα, 26 Μαΐου 2010 Χ. Παπαπαύλου, Σ. Τζιβένης, Δ. Παγουλάτος, Φ. Καραγιάννης

Διαβάστε περισσότερα

Πηγές Ενέργειας για τον 21ο αιώνα

Πηγές Ενέργειας για τον 21ο αιώνα Πηγές Ενέργειας για τον 21ο αιώνα Πετρέλαιο Κάρβουνο ΑΠΕ Εξοικονόμηση Φυσικό Αέριο Υδρογόνο Πυρηνική Σύντηξη (?) Γ. Μπεργελές Καθηγητής Ε.Μ.Π www.aerolab.ntua.gr e mail: bergeles@fluid.mech.ntua.gr Ενέργεια-Περιβάλλον-Αειφορία

Διαβάστε περισσότερα

Η ΧΡΗΣΗ ΒΙΟΜΑΖΑΣ ΓΙΑ ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΚΤΙΡΙΩΝ

Η ΧΡΗΣΗ ΒΙΟΜΑΖΑΣ ΓΙΑ ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΚΤΙΡΙΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥ ΩΝ ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ Η ΧΡΗΣΗ ΒΙΟΜΑΖΑΣ ΓΙΑ ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΚΤΙΡΙΩΝ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: ΓΙΑΝΝΙΟΥ ΑΝΝΑ ΧΑΝΙΑ, ΙΟΥΝΙΟΣ 2004 ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ

Διαβάστε περισσότερα

Εγκαταστάσεις Κλιματισμού. Α. Ευθυμιάδης,

Εγκαταστάσεις Κλιματισμού. Α. Ευθυμιάδης, ΙΕΝΕ : Ετήσιο 13ο Εθνικό Συνέδριο - «Ενέργεια & Ανάπτυξη 08» (12-13/11-Ίδρυμα Ευγενίδου) Ενεργειακές Επιθεωρήσεις σε Λεβητοστάσια και Εγκαταστάσεις Κλιματισμού Α. Ευθυμιάδης, ρ. Μηχανικός, ιπλ. Μηχ/γος-Ηλ/γος

Διαβάστε περισσότερα

Ορθή περιβαλλοντικά λειτουργία μονάδων παραγωγής βιοαερίου με την αξιοποίηση βιομάζας

Ορθή περιβαλλοντικά λειτουργία μονάδων παραγωγής βιοαερίου με την αξιοποίηση βιομάζας Ορθή περιβαλλοντικά λειτουργία μονάδων παραγωγής βιοαερίου με την αξιοποίηση βιομάζας ΑΡΓΥΡΩ ΛΑΓΟΥΔΗ Δρ. Χημικός TERRA NOVA ΕΠΕ περιβαλλοντική τεχνική συμβουλευτική ΣΥΝΕΔΡΙΟ ΤΕΕ «ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗ»

Διαβάστε περισσότερα

Ατομικό Θέμα: Συμπαραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας από ελαιοπυρηνόξυλο μέσω θερμοχημικής ή βιοχημικής μετατροπής

Ατομικό Θέμα: Συμπαραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας από ελαιοπυρηνόξυλο μέσω θερμοχημικής ή βιοχημικής μετατροπής Ατομικό Θέμα: Συμπαραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας από ελαιοπυρηνόξυλο μέσω θερμοχημικής ή βιοχημικής μετατροπής Τζιάσιου Γεωργία Ηλεκτρολόγος Μηχανικός Άδεια Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται

Διαβάστε περισσότερα

Ανάπτυξη Έργων Βιοαερίου στην Κρήτη

Ανάπτυξη Έργων Βιοαερίου στην Κρήτη Ανάπτυξη Έργων Βιοαερίου στην Κρήτη Ομιλητής: Αντώνης Πουντουράκης, MSc Μηχανικός Περιβάλλοντος Εμπορικός Διευθυντής Plasis Τεχνική - Ενεργειακή Χανιά Νοέμβριος 2015 Plasis Τεχνική-Ενεργειακή Δραστηριοποιείται

Διαβάστε περισσότερα

ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ. Εργασία των μαθητριών: Μπουδαλάκη Κλεοπάτρα, Λιολιοσίδου Χριστίνα, Υψηλοπούλου Δέσποινα.

ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ. Εργασία των μαθητριών: Μπουδαλάκη Κλεοπάτρα, Λιολιοσίδου Χριστίνα, Υψηλοπούλου Δέσποινα. ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ Εργασία των μαθητριών: Μπουδαλάκη Κλεοπάτρα, Λιολιοσίδου Χριστίνα, Υψηλοπούλου Δέσποινα. ΤΙ ΕΙΝΑΙ ΤΟ ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ Το φυσικό αέριο είναι: Το φυσικό αέριο είναι ένα φυσικό προϊόν που βρίσκεται

Διαβάστε περισσότερα

Βιοκαύσιμα Αλκοόλες(Αιθανόλη, Μεθανόλη) Κιαχίδης Κυριάκος

Βιοκαύσιμα Αλκοόλες(Αιθανόλη, Μεθανόλη) Κιαχίδης Κυριάκος Βιοκαύσιμα Αλκοόλες(Αιθανόλη, Μεθανόλη) Κιαχίδης Κυριάκος Βιοκαύσιμα (Αλκοόλες) Η εξάντληση των αποθεμάτων του πετρελαίου και η ανάγκη για μείωση των αερίων του θερμοκηπίου ενισχύουν τη χρήση εναλλακτικών

Διαβάστε περισσότερα

α(6) Ο επιθυμητός στόχος, για την καύση πετρελαίου σε κινητήρες diesel οχημάτων, είναι

α(6) Ο επιθυμητός στόχος, για την καύση πετρελαίου σε κινητήρες diesel οχημάτων, είναι ΗΜΟΚΡΙΤΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΡΑΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ Μάθημα: ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΚΑΥΣΙΜΩΝ (ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΚΑΥΣΗΣ) ιδάσκων: ρ.αναστάσιος Καρκάνης ΘΕΜΑΤΑ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ εξετάσεων Ακαδημαϊκού έτους 2017-18 ΘΕΜΑ 1

Διαβάστε περισσότερα

Παγκόσμια Κατανάλωση Ενέργειας

Παγκόσμια Κατανάλωση Ενέργειας ΘΕΜΕΛΙΩΔΕΙΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Ήλιος Κίνηση και ελκτικό δυναμικό του ήλιου, της σελήνης και της γης Γεωθερμική ενέργεια εκλύεται από ψύξη του πυρήνα, χημικές αντιδράσεις και ραδιενεργό υποβάθμιση στοιχείων

Διαβάστε περισσότερα

1 ο Λύκειο Ναυπάκτου Έτος: Τμήμα: Α 5 Ομάδα 3 : Σίνης Γιάννης, Τσιλιγιάννη Δήμητρα, Τύπα Ιωάννα, Χριστοφορίδη Αλεξάνδρα, Φράγκος Γιώργος

1 ο Λύκειο Ναυπάκτου Έτος: Τμήμα: Α 5 Ομάδα 3 : Σίνης Γιάννης, Τσιλιγιάννη Δήμητρα, Τύπα Ιωάννα, Χριστοφορίδη Αλεξάνδρα, Φράγκος Γιώργος 1 ο Λύκειο Ναυπάκτου Έτος: 2017-2018 Τμήμα: Α 5 Ομάδα 3 : Σίνης Γιάννης, Τσιλιγιάννη Δήμητρα, Τύπα Ιωάννα, Χριστοφορίδη Αλεξάνδρα, Φράγκος Γιώργος Θέμα : Εξοικονόμηση ενέργειας σε διάφορους τομείς της

Διαβάστε περισσότερα

Κεφάλαιο 8: Λοιπές Πηγές Ενέργειας. Αιολική & Ηλιακή ενέργεια 30/5/2016. Αιολική ενέργεια. Αιολική ενέργεια. Αιολική ισχύς στην Ευρώπη

Κεφάλαιο 8: Λοιπές Πηγές Ενέργειας. Αιολική & Ηλιακή ενέργεια 30/5/2016. Αιολική ενέργεια. Αιολική ενέργεια. Αιολική ισχύς στην Ευρώπη Ενεργειακές Πηγές & Ενεργειακές Πρώτες Ύλες Αιολική ενέργεια Κεφάλαιο 8: Λοιπές Πηγές Ενέργειας Ανεμογεννήτριες κατακόρυφου (αριστερά) και οριζόντιου άξονα (δεξιά) Κίμων Χρηστάνης Τομέας Ορυκτών Πρώτων

Διαβάστε περισσότερα

ΠΙΛΟΤΙΚΗ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΕΛΑΙΟΚΡΑΜΒΗΣ ΣΕ ΗΜΟΥΣ ΤΗΣ ΥΤ. ΜΑΚΕ ΟΝΙΑΣ. Από Ερευνητική Οµάδα της Γεωπονικής Σχολής του ΑΠΘ

ΠΙΛΟΤΙΚΗ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΕΛΑΙΟΚΡΑΜΒΗΣ ΣΕ ΗΜΟΥΣ ΤΗΣ ΥΤ. ΜΑΚΕ ΟΝΙΑΣ. Από Ερευνητική Οµάδα της Γεωπονικής Σχολής του ΑΠΘ ΠΙΛΟΤΙΚΗ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΕΛΑΙΟΚΡΑΜΒΗΣ ΣΕ ΗΜΟΥΣ ΤΗΣ ΥΤ. ΜΑΚΕ ΟΝΙΑΣ Από Ερευνητική Οµάδα της Γεωπονικής Σχολής του ΑΠΘ ΒΟΤΑΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΗΣ ΕΛΑΙΟΚΡΑΜΒΗΣ Η ελαιοκράµβη (Brassica spp.) είναι ετήσιο φυτό

Διαβάστε περισσότερα

Διαβιβάζεται συνημμένως στις αντιπροσωπίες το έγγραφο - C(2015) 6863 final - Annexes 1-4.

Διαβιβάζεται συνημμένως στις αντιπροσωπίες το έγγραφο - C(2015) 6863 final - Annexes 1-4. Συμβούλιο της Ευρωπαϊκής Ένωσης Βρυξέλλες, 14 Οκτωβρίου 2015 (OR. en) 13021/15 ADD 1 ENER 354 ENV 627 DELACT 136 ΔΙΑΒΙΒΑΣΤΙΚΟ ΣΗΜΕΙΩΜΑ Αποστολέας: Ημερομηνία Παραλαβής: Αποδέκτης: Για το Γενικό Γραμματέα

Διαβάστε περισσότερα

ιασφάλιση Περιβαλλοντικών Απαιτήσεων σε Σύγχρονες Εγκαταστάσεις Αξιοποίησης Στερεής Βιομάζας

ιασφάλιση Περιβαλλοντικών Απαιτήσεων σε Σύγχρονες Εγκαταστάσεις Αξιοποίησης Στερεής Βιομάζας ΦΙΛΙΠΠΟΠΟΥΛΟΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ Α.Τ.Ε. ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΒΙΟΜΑΖΑΣ ΚΑΙ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ιασφάλιση Περιβαλλοντικών Απαιτήσεων σε Σύγχρονες Εγκαταστάσεις Αξιοποίησης Στερεής Βιομάζας ΦΙΛΙΠΠΟΠΟΥΛΟΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ Α.Τ.Ε.

Διαβάστε περισσότερα

ΜΗ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

ΜΗ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Το μεγαλύτερο μέρος των ενεργειακών μας αναγκών καλύπτεται από τα ορυκτά καύσιμα, το πετρέλαιο, τους ορυκτούς άνθρακες και το φυσικό αέριο. Τα αποθέματα όμως του πετρελαίου

Διαβάστε περισσότερα

Περιβαλλοντική Διάσταση των Τεχνολογιών ΑΠΕ

Περιβαλλοντική Διάσταση των Τεχνολογιών ΑΠΕ Περιβαλλοντική Διάσταση των Τεχνολογιών ΑΠΕ Ομιλητές: Ι. Νικολετάτος Σ. Τεντζεράκης, Ε. Τζέν ΚΑΠΕ ΑΠΕ και Περιβάλλον Είναι κοινά αποδεκτό ότι οι ΑΠΕ προκαλούν συγκριτικά τη μικρότερη δυνατή περιβαλλοντική

Διαβάστε περισσότερα

1. Τί ονομάζουμε καύσιμο ή καύσιμη ύλη των ΜΕΚ; 122

1. Τί ονομάζουμε καύσιμο ή καύσιμη ύλη των ΜΕΚ; 122 Απαντήσεις στο: Διαγώνισμα στο 4.7 στις ερωτήσεις από την 1 η έως και την 13 η 1. Τί ονομάζουμε καύσιμο ή καύσιμη ύλη των ΜΕΚ; 122 Είναι διάφοροι τύποι υδρογονανθράκων ΗC ( υγρών ή αέριων ) που χρησιμοποιούνται

Διαβάστε περισσότερα

Καύσιµα Μεταφορών και Αειφορός Ανάπτυξη

Καύσιµα Μεταφορών και Αειφορός Ανάπτυξη ΤΕΧΝΙΚΟ ΕΠΙΜΕΛΗΤΗΡΙΟ ΕΛΛΑ ΟΣ / ΤΜΗΜΑ ΚΕΝΤΡΙΚΗΣ ΜΑΚΕ ΟΝΙΑΣ «ΚΑΥΣΙΜΑ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ & ΑΕΙΦΟΡΟΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗ» Παρασκευή 28 Νοεµβρίου 2008 ΑΜΦΙΘΕΑΤΡΟ ΤΟΠΟΓΡΑΦΩΝ «ΑΛ. ΤΣΙΟΥΜΗΣ» ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΑΠΘ Καύσιµα Μεταφορών

Διαβάστε περισσότερα

Διερεύνηση των Επιλογών στις Χρήσεις Γης και των Δυνατοτήτων Επίτευξης των Στόχων του 2020 στη Βιοενέργεια

Διερεύνηση των Επιλογών στις Χρήσεις Γης και των Δυνατοτήτων Επίτευξης των Στόχων του 2020 στη Βιοενέργεια Διερεύνηση των Επιλογών στις Χρήσεις Γης και των Δυνατοτήτων Επίτευξης των Στόχων του 2020 στη Βιοενέργεια Βασίλης Λυχναράς (ΚΕΠΕ) Καλλιόπη Πανούτσου(Imperial College) Ελληνική Γεωργία 2012 2020: Η Αγροτική

Διαβάστε περισσότερα

ΣΤΑΘΜΟΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

ΣΤΑΘΜΟΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ ΣΤΑΘΜΟΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Ενότητα 10: Ρύποι από τους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας Χατζηαθανασίου Βασίλειος, Καδή

Διαβάστε περισσότερα

ΘΕΡΜΙΚΕΣ Ι ΙΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥ ΞΥΛΟΥ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ Ι ΙΟΤΗΤΕΣ ΞΥΛΟΥ

ΘΕΡΜΙΚΕΣ Ι ΙΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥ ΞΥΛΟΥ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ Ι ΙΟΤΗΤΕΣ ΞΥΛΟΥ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ Ι ΙΟΤΗΤΕΣ ΞΥΛΟΥ ΘΕΡΜΙΚΕΣ Ι ΙΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥ ΞΥΛΟΥ ρ. Γεώργιος Μαντάνης Εργαστήριο Επιστήµης Ξύλου Τµήµα Σχεδιασµού & Τεχνολογίας Ξύλου - Επίπλου ΙΑΣΤΟΛΗ - ΣΥΣΤΟΛΗ Όταν θερµαίνεται το ξύλο αυξάνονται

Διαβάστε περισσότερα

ΘΕΩΡΙΑ ΚΑΥΣΗΣ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΥΣΗΣ

ΘΕΩΡΙΑ ΚΑΥΣΗΣ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΥΣΗΣ Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών ΘΕΩΡΙΑ ΚΑΥΣΗΣ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΥΣΗΣ Εισαγωγή στη Βιομάζα Πηγές Ιδιότητες - Βιοκαύσιμα Καθ. Μ. Φούντη Δ. Γιαννόπουλος, Μηχ. Μηχ., MSc Περιεχόμενα 2 1.

Διαβάστε περισσότερα

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ. ΠΡΟΛΟΓΟΣ Σελίδα 13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΕΝΕΡΓΕΙΑ (ΓΕΝΙΚΑ) «17

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ. ΠΡΟΛΟΓΟΣ Σελίδα 13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΕΝΕΡΓΕΙΑ (ΓΕΝΙΚΑ) «17 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ Σελίδα 13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΕΝΕΡΓΕΙΑ (ΓΕΝΙΚΑ) «17 1.1.Ορισμός, ιστορική αναδρομή «17 1.2. Μορφές ενέργειας «18 1.3. Θερμική ενέργεια «19 1.4. Κινητική ενέργεια «24 1.5. Δυναμική ενέργεια

Διαβάστε περισσότερα

Πηγές ενέργειας - Πηγές ζωής

Πηγές ενέργειας - Πηγές ζωής Πηγές ενέργειας - Πηγές ζωής Κέντρο Περιβαλλοντικής Εκπαίδευσης Καστρίου 2014 Παράγει ενέργεια το σώμα μας; Πράγματι, το σώμα μας παράγει ενέργεια! Για να είμαστε πιο ακριβείς, παίρνουμε ενέργεια από τις

Διαβάστε περισσότερα

Καύση υλικών Ηλιακή ενέργεια Πυρηνική ενέργεια Από τον πυρήνα της γης Ηλεκτρισμό

Καύση υλικών Ηλιακή ενέργεια Πυρηνική ενέργεια Από τον πυρήνα της γης Ηλεκτρισμό Ενεργειακή Μορφή Θερμότητα Φως Ηλεκτρισμός Ραδιοκύματα Μηχανική Ήχος Τι είναι; Ενέργεια κινούμενων σωματιδίων (άτομα, μόρια) υγρής, αέριας ή στερεάς ύλης Ακτινοβολούμενη ενέργεια με μορφή φωτονίων Ενέργεια

Διαβάστε περισσότερα

ΕΛΛΗΝΙΚΑ ΠΕΤΡΕΛΑΙΑ ΚΑΙ ΒΙΩΣΙΜΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗ. Πηνελόπη Παγώνη ιευθύντρια Υγιεινής, Ασφάλειας & Περιβάλλοντος Οµίλου ΕΛΠΕ

ΕΛΛΗΝΙΚΑ ΠΕΤΡΕΛΑΙΑ ΚΑΙ ΒΙΩΣΙΜΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗ. Πηνελόπη Παγώνη ιευθύντρια Υγιεινής, Ασφάλειας & Περιβάλλοντος Οµίλου ΕΛΠΕ ΕΛΛΗΝΙΚΑ ΠΕΤΡΕΛΑΙΑ ΚΑΙ ΒΙΩΣΙΜΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗ Πηνελόπη Παγώνη ιευθύντρια Υγιεινής, Ασφάλειας & Περιβάλλοντος Οµίλου ΕΛΠΕ ΗΕλληνικά Πετρέλαια Ανταποκρίνεται στον Στόχο της για Βιώσιµη Ανάπτυξη Αναβάθµιση των

Διαβάστε περισσότερα

ΒΙΟΓΕΩΧΗΜΙΚΟΙ ΚΥΚΛΟΙ Βιογεωχημικός κύκλος

ΒΙΟΓΕΩΧΗΜΙΚΟΙ ΚΥΚΛΟΙ Βιογεωχημικός κύκλος ΒΙΟΓΕΩΧΗΜΙΚΟΙ ΚΥΚΛΟΙ Βιογεωχημικός κύκλος ενός στοιχείου είναι, η επαναλαμβανόμενη κυκλική πορεία του στοιχείου στο οικοσύστημα. Οι βιογεωχημικοί κύκλοι, πραγματοποιούνται με την βοήθεια, βιολογικών, γεωλογικών

Διαβάστε περισσότερα

Καθ. Ζήσης Σαμαράς, Τμ. Μηχ. Μηχ. ΑΠΘ Δημήτρης Μερτζής, Τμ. Μηχ. Μηχ. ΑΠΘ

Καθ. Ζήσης Σαμαράς, Τμ. Μηχ. Μηχ. ΑΠΘ Δημήτρης Μερτζής, Τμ. Μηχ. Μηχ. ΑΠΘ Επιδεικτική λειτουργία μικρής κλίμακας κινητής μονάδας αεριοποίησης αγροτικών υπολειμμάτων για την αποκεντρωμένη συμπαραγωγή θερμότητας και ηλεκτρισμού Καθ. Ζήσης Σαμαράς, Τμ. Μηχ. Μηχ. ΑΠΘ Δημήτρης Μερτζής,

Διαβάστε περισσότερα

ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΜΟΝΑ ΩΝ ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΑΠΟ ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΑ ΜΕΣΩ Υ ΡΟΓΟΝΟΥ

ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΜΟΝΑ ΩΝ ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΑΠΟ ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΑ ΜΕΣΩ Υ ΡΟΓΟΝΟΥ ΕΛΒΙΟ Α.Ε. Συστηµάτων Παραγωγής Υδρογόνου και Ενέργειας ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΜΟΝΑ ΩΝ ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΑΠΟ ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΑ ΜΕΣΩ Υ ΡΟΓΟΝΟΥ Θ. Χαλκίδης,. Λυγούρας, Ξ. Βερύκιος 2 ο Πανελλήνιο

Διαβάστε περισσότερα

ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΌ ΛΥΜΑΤΑ ΤΕΙ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΒΙΟΑΕΡΙΟ ΑΦΟΙ ΣΕΪΤΗ Α.Ε. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΒΙΟΑΕΡΙΟΥ ΣΥΝΘΕΣΗ ΒΙΟΑΕΡΙΟΥ ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΑΣ

ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΌ ΛΥΜΑΤΑ ΤΕΙ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΒΙΟΑΕΡΙΟ ΑΦΟΙ ΣΕΪΤΗ Α.Ε. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΒΙΟΑΕΡΙΟΥ ΣΥΝΘΕΣΗ ΒΙΟΑΕΡΙΟΥ ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΑΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΌ ΛΥΜΑΤΑ ΤΕΙ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΒΙΟΑΕΡΙΟ ΑΦΟΙ ΣΕΪΤΗ Α.Ε. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΒΙΟΑΕΡΙΟΥ ΣΥΝΘΕΣΗ ΒΙΟΑΕΡΙΟΥ ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΑΣ ΥΠΟΣΤΡΩΜΑΤΑ ΚΑΙ ΑΠΟΔΟΣΗ ΤΟ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ

Διαβάστε περισσότερα

Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας

Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Εργασία από παιδιά του Στ 2 2013-2014 Φυσικές Επιστήμες Ηλιακή Ενέργεια Ηλιακή είναι η ενέργεια που προέρχεται από τον ήλιο. Για να μπορέσουμε να την εκμεταλλευτούμε στην παραγωγή

Διαβάστε περισσότερα

Ολοκληρωμένη αξιοποίηση αποβλήτων από αγροτοβιομηχανίες. για την παραγωγή ενέργειας. Μιχαήλ Κορνάρος Αναπλ. Καθηγητής

Ολοκληρωμένη αξιοποίηση αποβλήτων από αγροτοβιομηχανίες. για την παραγωγή ενέργειας. Μιχαήλ Κορνάρος Αναπλ. Καθηγητής Ολοκληρωμένη αξιοποίηση αποβλήτων από αγροτοβιομηχανίες για την παραγωγή ενέργειας Μιχαήλ Κορνάρος Αναπλ. Καθηγητής ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ Τμήμα Χημικών Μηχανικών Εργαστήριο Βιοχημικής Μηχανικής και Τεχνολογίας

Διαβάστε περισσότερα

IV, ΣΥΝΘΕΣΗΣ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΏΝ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΩΝ

IV, ΣΥΝΘΕΣΗΣ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΏΝ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΩΝ ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΊΟ ΣΧΟΛΗ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ IV, ΣΥΝΘΕΣΗΣ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΏΝ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΒΙΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΜΑΚΡΗΣ Β., ΚΕΚΟΣ Δ., ΧΡΙΣΤΑΚΟΠΟΥΛΟΣ Π. Καύσιμη στερεά, υγρή ή αέρια

Διαβάστε περισσότερα

«Συστήματα Συμπαραγωγής και Κλιματική Αλλαγή»

«Συστήματα Συμπαραγωγής και Κλιματική Αλλαγή» «Συστήματα Συμπαραγωγής και Κλιματική Αλλαγή» Δρ Γιώργος Αγερίδης Μηχανολόγος Μηχανικός Πρόεδρος Ελληνικός Σύνδεσμος Συμπαραγωγής Ηλεκτρισμού και Θερμότητας (Ε.Σ.Σ.Η.Θ) e-mail: hachp@hachp.gr Ποιο είναι

Διαβάστε περισσότερα

Δ. Μερτζής MM, Σ. Τσιακμάκης MM Γ. Μανάρα XM Π. Μητσάκης XM Α. Ζαμπανιώτου XM, Αν. Καθ. ΑΠΘ. Ζ. Σαμαράς MM Καθ. ΑΠΘ

Δ. Μερτζής MM, Σ. Τσιακμάκης MM Γ. Μανάρα XM Π. Μητσάκης XM Α. Ζαμπανιώτου XM, Αν. Καθ. ΑΠΘ. Ζ. Σαμαράς MM Καθ. ΑΠΘ Επιδεικτική λειτουργία μικρής κλίμακας κινητής μονάδας αεριοποίησης αγροτικών υπολειμμάτων για την αποκεντρωμένη συμπαραγωγή θερμότητας και ηλεκτρισμού Δ. Μερτζής MM, Σ. Τσιακμάκης MM Γ. Μανάρα XM Π. Μητσάκης

Διαβάστε περισσότερα

1 ΕΠΑΛ Αθηνών. Β` Μηχανολόγοι. Ειδική Θεματική Ενότητα

1 ΕΠΑΛ Αθηνών. Β` Μηχανολόγοι. Ειδική Θεματική Ενότητα 1 ΕΠΑΛ Αθηνών Β` Μηχανολόγοι Ειδική Θεματική Ενότητα ΘΕΜΑ Ανανεώσιμες πήγες ενεργείας ΣΚΟΠΟΣ Η ευαισθητοποίηση των μαθητών για την χρήση ήπιων μορφών ενεργείας. Να αναγνωρίσουν τις βασικές δυνατότητες

Διαβάστε περισσότερα

Εργασία στο μάθημα «Οικολογία για μηχανικούς» Θέμα: «Το φαινόμενο του θερμοκηπίου»

Εργασία στο μάθημα «Οικολογία για μηχανικούς» Θέμα: «Το φαινόμενο του θερμοκηπίου» Εργασία στο μάθημα «Οικολογία για μηχανικούς» Θέμα: «Το φαινόμενο του θερμοκηπίου» Επιβλέπουσα καθηγήτρια: κ.τρισεύγενη Γιαννακοπούλου Ονοματεπώνυμο: Πάσχος Απόστολος Α.Μ.: 7515 Εξάμηνο: 1 ο Το φαινόμενο

Διαβάστε περισσότερα

ΣΥΝΟΛΟ ΕΓΚΑΤΕΣΤΗΜΕΝΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΣΗΜΕΡΑ ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ 24% ΥΔΡΟΗΛΕΚΤΡΙΚΑ 25% ΠΕΤΡΕΛΑΙΟ 6% ΛΙΓΝΙΤΗΣ 45%

ΣΥΝΟΛΟ ΕΓΚΑΤΕΣΤΗΜΕΝΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΣΗΜΕΡΑ ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ 24% ΥΔΡΟΗΛΕΚΤΡΙΚΑ 25% ΠΕΤΡΕΛΑΙΟ 6% ΛΙΓΝΙΤΗΣ 45% Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ορυκτά καύσιμα Εισαγωγική γ εισήγηση η της Μόνιμης Επιτροπής Ενέργειας του ΤΕΕ ΥΦΙΣΤΑΜΕΝΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΜΙΓΜΑ ΣΤΗΝ ΗΛΕΚΤΡΟΠΑΡΑΓΩΓΗ Ορυκτά καύσιμα που μετέχουν σήμερα

Διαβάστε περισσότερα

ΠΡΕΣΒΕΙΑ ΤΗΣ ΕΛΛΑΔΟΣ ΓΡΑΦΕΙΟ ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΩΝ & EΜΠΟΡΙΚΩΝ ΥΠΟΘΕΣΕΩΝ. Οι πηγές ανανεώσιμης ενέργειας στην Γερμανία

ΠΡΕΣΒΕΙΑ ΤΗΣ ΕΛΛΑΔΟΣ ΓΡΑΦΕΙΟ ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΩΝ & EΜΠΟΡΙΚΩΝ ΥΠΟΘΕΣΕΩΝ. Οι πηγές ανανεώσιμης ενέργειας στην Γερμανία ΠΡΕΣΒΕΙΑ ΤΗΣ ΕΛΛΑΔΟΣ ΓΡΑΦΕΙΟ ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΩΝ & EΜΠΟΡΙΚΩΝ ΥΠΟΘΕΣΕΩΝ Βερολίνο, Μάρτιος 2010 Οι πηγές ανανεώσιμης ενέργειας στην Γερμανία Στόχοι της κυβερνητικής πολιτικής Μείωση των εκπομπών ρύπων έως το 2020

Διαβάστε περισσότερα

Εργασία Γεωλογίας και Διαχείρισης Φυσικών Πόρων

Εργασία Γεωλογίας και Διαχείρισης Φυσικών Πόρων Εργασία Γεωλογίας και Διαχείρισης Φυσικών Πόρων Αλμπάνη Βάλια Καραμήτρου Ασημίνα Π.Π.Σ.Π.Α. Υπεύθυνος Καθηγητής: Δημήτριος Μανωλάς Αθήνα 2013 1 Πίνακας περιεχομένων ΦΥΣΙΚΟΙ ΠΟΡΟΙ...2 Εξαντλούμενοι φυσικοί

Διαβάστε περισσότερα

Τεχνική Προστασίας Περιβάλλοντος Αρχές Αειφορίας

Τεχνική Προστασίας Περιβάλλοντος Αρχές Αειφορίας ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ Τεχνική Προστασίας Περιβάλλοντος Αρχές Αειφορίας Ενότητα 9: Αειφορία στην Κατανάλωση Ενέργειας Μουσιόπουλος Νικόλαος Άδειες Χρήσης Το

Διαβάστε περισσότερα

ΕΙΔΙΚΗ ΘΕΜΑΤΙΚΗ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ ΤΑΞΗ Β ΤΜΗΜΑΤΑ: ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ, ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ

ΕΙΔΙΚΗ ΘΕΜΑΤΙΚΗ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ ΤΑΞΗ Β ΤΜΗΜΑΤΑ: ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ, ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ 1 ο ΕΠΑΛ ΜΕΣΟΛΟΓΓΙΟΥ ΣΧΟΛΙΚΟ ΕΤΟΣ 2012-13 ΕΙΔΙΚΗ ΘΕΜΑΤΙΚΗ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ ΤΑΞΗ Β ΤΜΗΜΑΤΑ: ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ, ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟΣ: ΘΕΟΔΩΡΟΣ ΓΚΑΝΑΤΣΟΣ ΦΥΣΙΚΟΣ-ΡΑΔΙΟΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΟΣ ΟΜΑΔΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ: 1.

Διαβάστε περισσότερα

4.. Ενεργειακά Ισοζύγια

4.. Ενεργειακά Ισοζύγια ιαχείριση Ενέργειας και Περιβαλλοντική Πολιτική 4.. Ενεργειακά Ισοζύγια Καθηγητής Ιωάννης Ψαρράς Εργαστήριο Συστηµάτων Αποφάσεων & ιοίκησης Γρ. 0.2.7. Ισόγειο Σχολής Ηλεκτρολόγων Τηλέφωνο: 210-7723551,

Διαβάστε περισσότερα

ABB drives για τη βελτίωση της ενεργειακής αποδοτικότητας. ABB Group April 1, 2013 Slide 1

ABB drives για τη βελτίωση της ενεργειακής αποδοτικότητας. ABB Group April 1, 2013 Slide 1 ABB drives για τη βελτίωση της ενεργειακής αποδοτικότητας April 1, 2013 Slide 1 Η ενεργειακή πρόκληση σήμερα Αυξανόμενη ζήτηση Ευρώπη και Β. Αμερική 5.4% 26% Κίνα 94% 177% Πρόβλεψη IEA 2007-30 Αύξηση στη

Διαβάστε περισσότερα

ΒΙΟΑΕΡΙΟ. Αναξιοποίητος Ενεργειακός Αγροτικός Πλούτος στην Ελλάδα Η Ενέργεια του Μέλλοντος?

ΒΙΟΑΕΡΙΟ. Αναξιοποίητος Ενεργειακός Αγροτικός Πλούτος στην Ελλάδα Η Ενέργεια του Μέλλοντος? Karl Str. 1/1 7373 Esslingen Germany Phone: +49 (711) 932583 Fax: +49 (3222) 11447 info@ingrees.com www.ingrees.com ΒΙΟΑΕΡΙΟ Αναξιοποίητος Ενεργειακός Αγροτικός Πλούτος στην Ελλάδα Η Ενέργεια του Μέλλοντος?

Διαβάστε περισσότερα

Εισαγωγή στην αεριοποίηση βιομάζας

Εισαγωγή στην αεριοποίηση βιομάζας ΕΘΝΙΚΟ ΚΕΝΤΡΟ ΕΡΕΥΝΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΙΝΣΤΙΤΟΥΤΟ ΧΗΜΙΚΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ & ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΩΝ ΠΟΡΩΝ Κεντρικό: 6 ο χλμ. oδού Χαριλάου-Θέρμης Τ.Θ. 60361 570 01 Θέρμη, Θεσσαλονίκη Τηλ.: 2310-498100 Fax: 2310-498180

Διαβάστε περισσότερα

2 ο Κεφάλαιο: Πετρέλαιο - Υδρογονάνθρακες

2 ο Κεφάλαιο: Πετρέλαιο - Υδρογονάνθρακες 2 ο Κεφάλαιο: Πετρέλαιο - Υδρογονάνθρακες Δημήτρης Παπαδόπουλος, χημικός Βύρωνας, 2015 Καύσιμα - καύση Τα καύσιμα είναι υλικά που, όταν καίγονται, αποδίδουν σημαντικά και εκμεταλλεύσιμα ποσά θερμότητας.

Διαβάστε περισσότερα

ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ. Γενικά περί ατµόσφαιρας

ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ. Γενικά περί ατµόσφαιρας ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ Γενικά περί ατµόσφαιρας Τι είναι η ατµόσφαιρα; Ένα λεπτό στρώµα αέρα που περιβάλει τη γη Η ατµόσφαιρα είναι το αποτέλεσµα των διαχρονικών φυσικών, χηµικών και βιολογικών αλληλεπιδράσεων του

Διαβάστε περισσότερα

Προοπτικές ανάπτυξης ενεργειακών καλλιεργειών στην Ελλάδα και ΕΕ. Επιπτώσεις στο περιβάλλον Φάνης Γέμτος, Εργαστήριο Γεωργικής Μηχανολογίας,

Προοπτικές ανάπτυξης ενεργειακών καλλιεργειών στην Ελλάδα και ΕΕ. Επιπτώσεις στο περιβάλλον Φάνης Γέμτος, Εργαστήριο Γεωργικής Μηχανολογίας, Προοπτικές ανάπτυξης ενεργειακών καλλιεργειών στην Ελλάδα και ΕΕ. Επιπτώσεις στο περιβάλλον Φάνης Γέμτος, Εργαστήριο Γεωργικής Μηχανολογίας, Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας Εισαγωγή Η ΕΕ και η χώρα μας δεν διαθέτουν

Διαβάστε περισσότερα

Μελέτη, σχεδιασµός και κατασκευή

Μελέτη, σχεδιασµός και κατασκευή ΘΕΜΑ: ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΥΠΟΛΕΙΜΜΑΤΩΝ ΚΟΡΜΟΠΛΑΤΕΙΑΣ ΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ MDF ΚΑΙ PELLETS ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η τεχνική εταιρεία ΦΙΛΙΠΠΟΠΟΥΛΟΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ Α.Τ.Ε. δραστηριοποιείται επί 35 χρόνια στο τοµέα της ενεργειακής

Διαβάστε περισσότερα

ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΙΙ ΒΙΟΜΑΖΑ

ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΙΙ ΒΙΟΜΑΖΑ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΙΙ ΒΙΟΜΑΖΑ ΒΙΟΜΑΖΑ γιά ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΩΝ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΠΑΝΤΕΛΗΣ ΑΠΟΣΤΟΛΟΠΟΥΛΟΣ Επίκουρος Καθηγητής Β Τ Υ Π Ο Ι Ι Ο Μ Α Ζ Α Σ Σταθμός Βιομάζας 4 BIOMAZA: τα

Διαβάστε περισσότερα