Τμ. Μηχανικών ιαχείρισης Ενεργειακών Πόρων Ενεργειακή Αξιοποίηση Βιομάζας Πανεπιστήμιο Δυτικής Μακεδονίας, ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ 2007, ΠΤΟΛΕΜΑΙΔΑ
1. Εισαγωγή 1.1 Ορισμοί και Είδη Βιομάζας 1.2 ιαθεσιμότητα Βιομάζας Συμμετοχή στο Ενεργειακό Ισοζύγιο 1.3 Τεχνολογίες Ενεργειακής Αξιοποίησης Βιομάζας Πανεπιστήμιο Δυτικής Μακεδονίας, ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ 2007, ΠΤΟΛΕΜΑΙΔΑ
1.1 Ορισμοί και Είδη Βιομάζας ASTM/1981 Ως Βιομάζα θεωρείται κάθε οργανική ύλη που είναι διαθέσιμη σε ανανεώσιμη βάση, περιλαμβανομένων των ενεργειακών καλλιεργειών, των υποπροϊόντων ή καταλοίπων των δασικών προϊόντων, των παραπροϊόντων ή των υπολειμμάτων γεωργικών καλλιεργειών, των ζωικών αποβλήτων, του οργανικού κλάσματος των αστικών απορριμμάτων και των υδρόβιων φυτών Με βάση τον παραπάνω ορισμό, ως βιομάζα θεωρούνται: τα προϊόντα, τα παραπροϊόντα και τα κατάλοιπα της γεωργικής, δασικής και ζωικής παραγωγής τα παραπροϊόντα, από τη βιομηχανική επεξεργασία των παραπάνω προϊόντων τα αστικά λύματα και σκουπίδια και οι οργανικές ύλες από φυσικά οικοσυστήματα π.χ. αυτοφυή φυτά, δάση, τεχνητές φυτείες αγροτικού ή δασικού τύπου Πανεπιστήμιο Δυτικής Μακεδονίας, ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ 2007, ΠΤΟΛΕΜΑΙΔΑ
1.1 Ορισμοί και Είδη Βιομάζας Ανανεώσιμη πηγή ενέργειας διοξείδιο του άνθρακα ηλεκτρική θερμική ενέργεια βιομάζα Πανεπιστήμιο Δυτικής Μακεδονίας, ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ 2007, ΠΤΟΛΕΜΑΙΔΑ
1.1 Ορισμοί και Είδη Βιομάζας Τα ανανεώσιμα αποθέματα βιομάζας, ως προς πηγές από τις οποίες προέρχονται, διακρίνονται σε τέσσερις κατηγορίες: απόβλητα δασική βιομάζα ενεργειακές καλλιέργειες φυτικής παραγωγής ζωικής παραγωγής επεξεργασίας αγροτικών προϊόντων (βιομηχανία τροφίμων & ζωοτροφών) υπολείμματα καλλιεργειών βιομηχανίας ξύλου αστικά απόβλητα ξύλο υπολείμματα δασικής ξυλείας (φλοιοί, κλαδια, φύλλα και πριονίδια) δένδρα, θάμνοι και υπολείμματα του δασικού κύκλου δασικές καλλιέργειες μικρού κύκλου φυλλώδεις δασικές καλλιέργειες μονοετείς μη-ξυλώδεις καλλιέργειες δημητριακά σακχαρώδεις καλλιέργειες (τεύτλα, ζαχαρόχορτο, ζαχαροκάλαμο) κτηνοτροφικές καλλιέργειες (τριφύλλι, βοσκότοποι) ελαιούχες καλλιέργειες (κράμβη, σόγια, ηλίανθος) υδρόβια φυτά (άλγες, καλαμιώνες, υδρόβιος υάκινθος) Ayhan Demirbas,, Energy Conversion and Management 2001
1.2 ιαθεσιμότητα Συμμετοχή στο Ενεργειακό Ισοζύγιο Ετήσιο υναμικό Βιομάζας Παγκοσμίως :146.000.000.000 τν Ενεργειακό Περιεχόμενο : 8 MJ/kg (υγρή( φυτική ύλη) 20 Mj/kg (ξηρή φυτική ύλη ύλη) (~27 MJ/kg άνθρακας) (~30 MJ/kg αργό) 80.000.000.000 (8 x 10 ) τν ισοδύναμου άνθρακα 72.000.000.000 (7,2 x 10 ) τιπ (1 τιπ = 4,19 x 10 J) 3.000.000.000.000.000.000.000 (3 x 10 ) Joule μόνο το 2 % της ενέργειας αυτής χρησιμοποιείται σήμερα Συμμετοχή στην παγκόσμια κατανάλωση ενέργειας : (παγκόσμια κατανάλωση ενέργειας: : 1,1 x 10 10 τια,, 1,0 x 10 10 τιπ,, 0,4 x 10 20 Joule) αναπτυγμένες χώρες (50 % παγκ. πληθυσμού) ) : 3 % αναπτυσσόμένες χώρες (50 % παγκ. πληθυσμού) ) : 35 % στο σύνολο της παγκόσμιας ενεργειακής κατανάλωσης : 14 % Ayhan Demirbas,, Energy Conversion and Management 2001
1.2 ιαθεσιμότητα Συμμετοχή στο Ενεργειακό Ισοζύγιο Η ενεργειακή αξιοποίηση του συνολικού δυναμικού βιομάζας, με ανανεώσιμο τρόπο, δεν είναι εφικτή. Αειφόρος ασοκομία Ανάπτυξη ασών Αποψίλωση ασών Ισορροπία CO 2 Αποθήκευση CO 2 Έκλυση CO 2 Η βιομάζα μπορεί να παράσχει το 50 % της παγκόσμιας κατανάλωσης ενέργειας (United Nations Conference on Environment and Development)
1 2 3 4 1.2 ιαθεσιμότητα Συμμετοχή στο Ενεργειακό Ισοζύγιο Παγκόσμιο Ετήσιο υναμικό Βιομάζας Αξιοποιήσιμο υναμικό Βιομάζας Παγκόσμια Κατανάλωση Ενέργειας Ενέργεια από Βιομάζα Σήμερα MWh 830 x 10 9 58 x 10 9 112 x 10 9 17 x 10 9 1000 800 10 9 MWh 600 400 200 0 ετήσια αποθέματα αξιοποιήσιμα σήμερα κατανάλωση ενέργειας υναμικό Βιομάζας Ayhan Demirbas,, Energy Conversion and Management 2001
1 2 3 4 5 1.2 ιαθεσιμότητα Συμμετοχή στο Ενεργειακό Ισοζύγιο Το δυναμικό των ανανεώσιμων αποθεμάτων βιομάζας κατανέμεται ως εξής: ξύλο και απόβλητα ξυλείας 64 % αστικά απόβλητα 24 % αγροτικά/ζωικά απόβλητα 5 % αέρια ΧΥΤΑ 5 % 600 10 9 MWh 400 200 0 δασική αστικά αγροτικά αέρια κατανάλωση βιομάζα απόβλητα απόβλητα ΧΥΤΑ ενέργειας υναμικό Βιομάζας Ayhan Demirbas,, Energy Conversion and Management 2001
1.2 ιαθεσιμότητα Συμμετοχή στο Ενεργειακό Ισοζύγιο ορυκτά κάυσιμα 82 % ΑΠΕ 18 % βιομάζα 55 % (παραδοσιακή χρήση) μεγάλα υδροηλεκτρικά 30 % νέες τεχνολογίες βιομάζας αιολική, ηλιακή, γεωθερμική 15 % Ayhan Demirbas,, Energy Conversion and Management 2001
1.2 ιαθεσιμότητα Συμμετοχή στο Ενεργειακό Ισοζύγιο στην Ευρώπη (των 15) το 2000 συνολική ενεργειακή κατανάλωση 13,90 10 9 MWh ενέργεια από βιομάζα 0,55 10 9 MWh (4 %) το 2020 συνολική ενεργειακή κατανάλωση 17,0 10 9 MWh ενέργεια από βιομάζα 1,7 10 9 MWh (10 %) απόβλητα 0,4 0,6 10 9 MWh καλλιέργειες 0,1 0,8 10 9 MWh δασική βιομάζα 0,3 0,4 10 9 MWh Andre Faaij,, Energy Policy 2006
1 2 3 4 5 6 7 1.2 ιαθεσιμότητα Συμμετοχή στο Ενεργειακό Ισοζύγιο 800 10 6 MWh 600 400 200 0 βιομ. απόβλητα αστικά αέρια απόβλητα βιοκαύσιμα ΧΥΤΑ ξυλεία αγροτικά απόβλητα δασική βιομάζα Σενάρια συμμετοχής των διαφόρων τύπων βιομάζας στο ενεργειακό ισοζύγιο της ΕΕ-15, έως το 2020 Andre Faaij,, Energy Policy 2006
1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 1.2 ιαθεσιμότητα Συμμετοχή στο Ενεργειακό Ισοζύγιο στην Ελλάδα ενεργειακή κατανάλωση 10 6 MWh 400 200 1990 1995 2000 2002 30 0 ΣΥΝΟΛΟ άνθρακας πετρέλαιο ΦΑ ΑΠΕ 1998 10 6 MWh 20 10 2000 2005 2010 ΑΠΕ 0 Βιομάζα Μ. Υ/Η μ. Υ/Η αιολική γεω. Φ/Β Energy & Transport in Figures, EU 2004
1.2 ιαθεσιμότητα Συμμετοχή στο Ενεργειακό Ισοζύγιο άμεσα διαθέσιμη βιομάζα : 51 x 10 6 MWh γεωργικά υπολείμματα 46 % δασικά υπολείμματα 29 % απορριπτόμενη ξυλεία 5 % ζωικά απόβλητα 9 % βιομηχανικά απόβλητα 11 % ΙΤΕΣΚ
λιγνοκυταρινική βιομάζα ξύλο, άχυρο, απορρίμματα, χαμηλή υγρασία (<15 %) απόβλητα αγροτικά, ζωικά, αστικά, λίπη, υδατάνθρακες, υψηλή υγρασία (>80 %) Βιομάζα σακχαρώδεις καλλιέργειες καύση θερμοχημική μετατροπή αεριοποίηση πυρόλυση αστικά απορρίμματα Η 2, CO, C x H y θερμικές μηχανές βιοχημική μετατροπή (ζύμωση) αναερόβια CO 2, CH 4 αερόβια αλκοολική ελαιούχες καλλιέργειες θερμότητα ηλεκτρική ισχύς χημικά υγρά καύσιμα ελαιοτρίβιση
θερμότητα 1.3 Τεχνολογίες Ενεργειακής Αξιοποίησης Βιομάζας Καύση (ξύλο, υπολείμματα ξύλου, πελέτες, απορρίμματα) οικιακή 1 5 MW ολική απόδοση χαμηλή (κλασικές θερμάστρες, -100kW) 70 90 % (φούρνοι, λέβητες) Η παραδοσιακή θέρμανση με καυσόξυλα χρησιμοποιείται ακόμη διαδεδομένα στην Ευρώπη. Σταδιακά αντικαθίσταται από την καύση πελετών. συμπαραγωγή 0,1 1 MWe 60 90 % Εκτεταμένη χρήση στη βόρεια και κεντρική Ευρώπη. Η δυναμικότητα ανά μονάδα και η απόδοση αυξάνονται σταδιακά. ηλεκτροπαραγωγή 20 100 MWe 20 40 % (ηλεκτρική( ηλεκτρική) Εφαρμοσμένη τεχνολογία. Ενδέχεται να περιλαμβάνει ρευστοστερεές κλίνες λεπτόκοκα θρυμματισμένου ξύλου ή καυστήρες πελετών
Καύση (ξύλο, υπολείμματα ξύλου, πελέτες, απορρίμματα) ολική απόδοση Βιομάζας / άνθρακα / ΦΑ 5 20 MWe 30 40 % Περιλαμβάνει την συντροφοδοσία λεπτόκοκα διαμερισμένης βιομάζας με σκόνη λιθάνθρακά, λιγνίτη. Τα στερεά ενδέχεται να ψεκάζονται με φυσικό αέριο ή αέριο αεριοποίησης σε καυστήρες τύπου ακροφυσίου. καυστήρας ακροφυσίου μονάδα καύσης βιομάζας
Καύση (ξύλο, υπολείμματα ξύλου, πελέτες, απορρίμματα) μονάδα καύσης βιομάζας άνθρακα στη Γερμανία μονάδα συμπαραγωγής από την καύση βιομάζας στην Αυστρία καυστήρας πελετών για οικιακή θέρμανση
Συμπαραγωγή απώλειες ηλεκτρισμός Θ.Δ 550 θερμότητα απώλειες 285 15 100 150 Σ.Η.Θ. ηλεκτρισμός θερμότητα απώλειες 25 Θ.Δ. 275 αποτελεσματικότερη εκμετάλλευση καυσίμου
Αεριοποίηση (ξύλο, υπολείμματα ξύλου, αγροτικά υπολείμματα, απορρίμματα) θερμοχημική μετατροπή στερεών αγροτικών ή οικιακών απορριμμάτων σε βιοαέριο με παροχή : αέρα (εξώθερμη) καθαρού οξυγόνου (εξώθερμη) μίγματος υδρατμών / αέρα (ενδόθερμη) αζώτου (ενδόθερμη) σε : υψηλή θερμοκρασία ατμοσφαιρική ή υψηλή πίεση παραγόμενο αέριο μίγμα: H2, CH4, C2H6, CO, CO2, H2O, N2 Θ.. 5 15 kj/m3
Αεριοποίηση (ξύλο, υπολείμματα ξύλου, αγροτικά υπολείμματα, απορρίμματα)
Αεριοποίηση (ξύλο, υπολείμματα ξύλου, αγροτικά υπολείμματα, απορρίμματα) ολική απόδοση θερμότητα - 100 kwth 80 900 % Εμπορικά διαθέσιμη τεχνολογία με μικρή όμως εξάπλωση. συμπαραγωγή 0,1 1 MWe 15 300 % (ηλεκτρική) με κινητήρα εσωτερικής καύσης αερίου Εμπορικά διαθέσιμη τεχνολογία με μικρή όμως εξάπλωση, λόγω τεχνολογικής πολυπλοκότητας και υψηλού κόστους. μεγάλης κλίμακας 30-100 ΜWe 40 50 % συνδυασμένου κύκλου Βρίσκεται σε στάδιο επίδειξης (έως 10 ΜWe) με ραγδαία ανάπτυξη κατά την τελευταία δεκαετία
Αεριοποίηση (ξύλο, υπολείμματα ξύλου, αγροτικά υπολείμματα, απορρίμματα) Μονάδες αεριοποίησης βιομάζας
Συνδυασμένοι Κύκλοι η υψηλή θερμότητα των απαερίων του αεριοστροβίλου χρησιμοποιείται για την επιπλέον παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε ατμοστρόβιλο, που βρίσκεται τοποθετημένος σε σειρά αεριοστρόβιλος η e = 20 35 % η Τ = 85 % ατμοστρόβιλος η e = 30 400 % η Τ = 85 % συνδυασμένος κύκλος : η e = 40 50 % η Τ = 85 %
Πυρόλυση (ξύλο, υπολείμματα ξύλου, αγροτικά υπολείμματα, απορρίμματα) ολική απόδοση βιοέλαιο 60 70 % της θερμογόνου της πρώτης ύλης μεταφέρεται στα υγρά προϊόντα εν είναι εμπορικά διαθέσιμη τεχνολογία. Εξετάζεται κυρίως ως στάδιο προκατεργασίας της στερεής βιομάζας στις περιπτώσεις που απαιτείται η μεταφορά της σε μεγάλες αποστάσεις. Το βιοέλαιο μπορεί να αποτελέσει την πρώτη ύλη για την παραγωγή χημικών υψηλής προστιθέμενης αξίας. πιλοτικές μονάδες πυρόλυσης δείγματα βιοελαίου
Αναερόβια ζύμωση (λίπη, πρωτεϊνες, υδατάνθρακες, αγροτικά υπολείμματα, ενεργός ιλύ, οργανικό κλάσμα αστικών απορριμμάτων, ζωικά απόβλητα) μετατροπή των βιο-αποικοδομίσιμων συστατικών φυτικής βιομάζας ή αποβλήτων σε βιοαέριο (μίγμα μεθανίου διοξειδίου του άνθρακα 70 / 30) Αρχή λειτουργίας μονάδας ΑΖ ζωικών και φυτικών αποβλήτων
Αναερόβια ζύμωση (λίπη, πρωτεϊνες, υδατάνθρακες, αγροτικά υπολείμματα, ενεργός ιλύ, οργανικό κλάσμα αστικών απορριμμάτων, ζωικά απόβλητα) ολική απόδοση βιοαέριο 10 15 % ηλεκτρική Εμπορικά διαθέσιμη τεχνολογία με ραγδαία εξάπλωση στην Ευρώπη. Σήμερα, περισσότεροι από 40 χιλ. εγκαταστάσεις ΑΖ επεξεργάζονται την ενεργό ιλύ βιολογικών καθαρισμών. μονάδες ΑΖ ζωικών αποβλήτων στη Γερμανία Μονάδες Αναερόβιας Ζύμωσης 2000 1500 1000 500 0 1992 1994 1996 1998 2000 2002 εγκατεστημένη ισχύς ανά μονάδα ΑΖ ζωικών αποβλήτων Έτος εγκατεστημένη ισχύς μονάδων ΑΖ ζωικών αποβλήτων, ανά
Αναερόβια ζύμωση (λίπη, πρωτεϊνες, υδατάνθρακες, αγροτικά υπολείμματα, ενεργός ιλύ, οργανικό κλάσμα αστικών απορριμμάτων, ζωικά απόβλητα) Αντιδραστήρες ΑΖ 2 Χ 3.000 m 3, μονάδας ΑΖ/ΣΗΘ ισχύος 2,6 ΜW, στη Γερμανία Μονάδα ΑΖ/ΣΗΘ ισχύος 8,4 ΜW, στη Γερμανία Κινητήρας ΣΗΘ βιοαερίου 600 kw ηλεκτρικής ισχύος Συστοιχία κινητήρων ΣΗΘ βιοαερίου Γενική άποψη μονάδας ΑΖ/ΣΗΘ ΣΗΘ, στη ανία
Ζύμωση Αστικών Απορριμμάτων μετατροπή των βιο-αποικοδομίσιμων συστατικών των αστικών απορριμμάτων σε βιοαέριο (μίγμα μεθανίου διοξειδίου του άνθρακα 50 / 50) βιοαέριο ολική απόδοση ηλεκτρική απόδοση του κινητήρα βιοαερίου Εμπορικά διαθέσιμη και ιδιαίτερα ελκυστική τεχνολογία με ραγδαία εξάπλωση στην Ευρώπη. Η κατεργασία αυτή είναι υποχρεωτική για τα αστικά και βιομηχανικά απορρίμματα των περισσοτέρων χωρών της Ευρώπης. Αρχή λειτουργίας συλλογής και αξιοποίησης βιοαερίου από ΧΥΤΑ
Ζύμωση Αστικών Απορριμμάτων
Ζύμωση Αστικών Απορριμμάτων Αρχή λειτουργίας συλλογής και αξιοποίησης βιοαερίου από ΧΥΤΑ Άποψη ΧΥΤΑ με αξιοποίηση του βιοαερίου και σε συνδυασμό με θερμοκήπιο Κινητήρας βιοαερίου
Βιοντήζελ μετεστεροποίηση των φυτικών ελαίων προς μίγμα μεθυλεστέρων λιπαρών οξέων O O CH 2 O C R 1 CH 3 O C R 1 CH 2 OH O O CH O C R 2 + 3 CH 3 OH CH 3 O C R 2 + CH OH O O CH 2 O C R 3 CH 3 O C R 3 CH 2 OH 1 kg φυτικά έλαια 1 kg βιοντήζελ Θ... (MJ/kg)( 39,7 40,5 Πυκνότητα (kg/ kg/lt) 0,91 0,88 Θ... (MJ/( MJ/lt) 36,1 35,6 Αρ. κετανίου 37,6 51,0 Σημείο Ανάφλ.. ( o C) 246 120 Ιξώδες (mm /s) 37,0 3,9 CFPP ( o C) - 3,9-5,0
Βιοντήζελ Δεξαμενές Τηγανελαίων Δεξαμενή Καταλύτη Μεθανόλη Δεξαμενές Βιοντίζελ Δεξαμενές Ελαίων Δεξαμενή Μεθανόλης Απομάκρυνση Στερεών Λίπασμα Μεθανόλη & Οξύ Απομάκρυνση Φωσφόρου Μεθανόλη & Καταλύτης Εξουδετέρωση Διαχωριστής Διαχωριστής Απομάκρυνση Νερού Διαχωριστής Εξουδετέρωση Εστεροποίηση Μετεστεροποίηση Διαχωριστής Ανακύκλωση Βιοντίζελ Γλυκερίνη 60% Μετεστεροποίηση Διαχωριστής Διαχωριστής Γλυκερίνη 99% Ανακύκλωση Νερού Δεξαμενές Γλυκερίνη 80% Οξέος Λιπάσματος Γλυκερίνης Εξάτμιση Εξάτμιση Μεθανόλη Βιοντίζελ Οξύ Φίλτρο Νερό & Μεθανόλη Εξάτμιση Βιοντίζελ Νερό & Μεθανόλη Εξάτμιση
Βιοντήζελ Προοπτική απεικόνιση μονάδας παραγωγής βιοντήζελ
Βιοντήζελ Εκατομύρια τόνοι 2500 2000 1500 1000 500 Ευρώπη Αμερική Ασία Χιλιάδες τόνοι 1500 1000 500 2003 350 440 1100 Παραγωγή βιοντίζελ, εκατ. τν 60 40 20 0 0 91 92 93 94 95 96 97 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Παγκόσμια παραγωγή βιοντήζελ 98 99 00 2005 2007 2009 2010 2012 2014 2015 Προβλεπόμενη αύξηση της ευρωπαϊκής παραγωγής βιοντήζελ 01 600 400 200 0 02 Κατανάλωση ντίζελ, εκατ. τν 03 Εκατομύρια τόνοι 30 20 10 0 0 30 30 45 60 GB 1 SW2 AU 3 DN 4 CZ 5 IT6 FR7 DE 8 Κατανομή της ευρωπαϊκής παραγωγής βιοντήζελ ευρωπαϊκη παραγωγή 47 εκ στρ 2 % έλαια βιοντίζελ 2006 1 2012 2 60 150 εκ στρ 5,75 % Προβλεπόμενη αύξηση της ευρωπαϊκής παραγωγής φυτικών ελαίων
Βιοντήζελ Μονάδα παραγωγής βιοντήζελ 40.000 τν/α Μονάδα παραγωγής βιοντήζελ 40.000 τν/α Η μεγαλύτερη μονάδα παραγωγής βιοντήζελ στην Ευρώπη 250.000 τν/α
Βιοαιθανόλη υδρόλυση της κυτταρίνης σε σάκχαρα ζύμωση των σακχάρων προς αιθανόλη αναμιγνύεται με τη βενζίνη χωρίς μετατροπές του κινητήρα, σε χαμηλά ποσοστά ιάγραμμα ροής
Βιοαιθανόλη βιοαιθανόλη βενζίνη ειδικό βάρος (kg/ kg/lt) 790 690 τάση ατμών (mmhg) 50 398 ΚΘ (MJ/kg) 26,1 46,0 ΚΘ (MJ/ MJ/lt) 20,6 31,7 Θερμοκρασία έναυσης ( o C) 425,0 280
Βιοαιθανόλη Μονάδες βιοαιθανόλης στη Βραζιλία Μονάδα βιοαιθανόλης στις ΗΠΑ
Παραγωγή Υδρογόνου από Βιομάζα Αεριοποίηση αναμόρφωση κυψέλη καυσίμου