Θερµοχηµικής Μετατροπής



Σχετικά έγγραφα
Συνδυασµός Θερµοχηµικής και Βιοχηµικής

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

ΑΕΡΙΟΠΟΙΗΣΗ ΒΙΟΜΑΖΑΣ - Προοπτικές συµπαραγωγής θερµότητας / ηλεκτρισµού

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

Παραγωγή Καυσίµου Ντίζελ από Ανανεώσιµες Πρώτες Ύλες

Η ΧΡΗΣΗ ΒΙΟΜΑΖΑΣ ΓΙΑ ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΚΤΙΡΙΩΝ

ΤΕΧΝΙΚΟ ΕΠΙΜΕΛΗΤΗΡΙΟ ΕΛΛΑΔΑΣ Περιφερειακό Τμήμα Νομού Αιτωλοακαρνανίας

Μικρές Μονάδες Αεριοποίησης σε Επίπεδο Παραγωγού και Κοινότητας


ΔΡ. Α. ΞΕΝΙΔΗΣ ΔΙΑΛΕΞΗ 10. ΚΑΥΣΙΜΑ ΚΑΙ ΑΝΑΓΩΓΙΚΑ ΜΕΣΑ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΑΜΕΣΗ ΑΝΑΓΩΓΗ

ΕΡΓΑΣΙΑ ΣΤΑ ΠΛΑΣΙΑ ΤΟΥ PROJECT

ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΩΝ ΥΠΟΚΑΤΑΣΤΑΤΩΝ ΤΟΥ ΝΤΙΖΕΛ ΑΠΟ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΜΕΝΑ ΦΥΤΙΚΑ ΕΛΑΙΑ

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

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

Εισαγωγή στην αεριοποίηση βιομάζας

BIOENERGY CONFERENCE 2013

Boudouard) C + CO 2 2CO Η = 173 kj/mol. C + H 2 O CO + H 2 Η = 136 kj/mol. CO + H 2 O CO 2 + H 2 Η = -41 kj/mol

Ισορροπία στη σύσταση αέριων συστατικών

ΠΑΣΕΓΕΣ ΥΝΑΤΟΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ ΓΙΑ ΤΙΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΕΣ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑ Α

Παράρτημα καυσίμου σελ.1

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

Α. Στοιχειοµετρικός προσδιορισµός του απαιτούµενου αέρα καύσης βαρέος κλάσµατος πετρελαίου. Συστατικό

Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (Α.Π.Ε.)

Βιοκαύσιμα υποκατάστατα του πετρελαίου Ντίζελ

3 ο κεφάλαιο. καύσιμα και καύση

NAXOS «Η αεριοποίηση ως μια πιθανή λύση για αποκεντρωμένη συμπαραγωγή θερμότητας και ηλ. ενέργειας»

Είδος Συνθήκες Προϊόν υγρό/ Χρήση αέριο/ στερεό wt%

2 ο Κεφάλαιο: Πετρέλαιο - Υδρογονάνθρακες

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

Εργασία Γεωλογίας και Διαχείρισης Φυσικών Πόρων


Είναι: µίγµα αέριων υδρογονανθράκων µε κύριο συστατικό το µεθάνιο, CH 4 (µέχρι και 90%)

«Χείρα Βοηθείας» στο Περιβάλλον με Φυσικό Αέριο

Νερό & Ενέργεια. Όνομα σπουδαστών : Ανδρέας Κατσιγιάννης Μιχάλης Παπαθεοδοσίου ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ

Παρουσίαση από Νικόλαο Σαμαρά.

IV, ΣΥΝΘΕΣΗΣ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΏΝ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΩΝ

1 C 8 H /2 O 2 8 CO H 2 O

Αποτελέσματα μετρήσεων σε βιοκαύσιμα και λέβητες Παρουσίαση στα πλαίσια της ιηµερίδας «Παραγωγή, Επεξεργασία και Εφοδιασµός Βιοµάζας»

Ήπιες µορφές ενέργειας

Προοπτικές ηλεκτροπαραγωγής και χρησιμοποίησης εναλλακτικών καυσίμων στη Δυτική Μακεδονία

ΑΝΘΡΑΚΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ. Συνολική ποσότητα άνθρακα στην ατμόσφαιρα: 700 x 10 9 tn

Τμήμα Τεχνολογίας Τροφίμων

Παραγωγή Βιοκαυσίµων Εξεργειακή Προσέγγιση. Κορωναίος Χριστοφής Σπυρίδης Χρήστος Ρόβας ηµήτριος

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΑΚΑ ΦΡΟΝΤΙΣΤΗΡΙΑ ΚΟΛΛΙΝΤΖΑ

Ειδική Ενθαλπία, Ειδική Θερµότητα και Ειδικός Όγκος Υγρού Αέρα

2. Τεμαχισμένο / θρυμματισμένο ξύλο (woodchips) foto

Καύσιµα Μεταφορών και Αειφορός Ανάπτυξη

Διαχείριση Στερεών Απορριμμάτων. Μάθημα 2 ο. Ι.Μ. Δόκας Επικ. Καθηγητής

ΤΑΞΙΝOΜΗΣΗ ΦΛΟΓΩΝ ΒΑΘΜΟΣ ΑΠΟ ΟΣΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΚΑΥΣΗΣ. Μ. Φούντη Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών, 2004

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΟΡΓΑΝΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ

Ν + O ΝO+N Μηχανισµός Zel'dovich Ν + O ΝO+O ΝO+H N + OH 4CO + 2ΗΟ + 4ΝΟ 5Ο 6ΗΟ + 4ΝΟ 4HCN + 7ΗΟ 4ΝΗ + CN + H O HCN + OH

ΕΚΑΤΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟ. ιαχείριση Αποβλήτων

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

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

Τεχνολογία Παραγωγής Τσιμέντου και Σκυροδέματος

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

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

ΤΕΙ ΙΟΝΙΩΝ ΝΗΣΩΝ. ΤΜΗΜΑ ΟΙΚΟΛΟΓΙΑΣ & ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ. ΖΑΚΥΝΘΟΣ 2007

Πέτρος Γκίκας, Αν. Καθηγητής. Εργαστήριο Σχεδιασμού Περιβαλλοντικών Διεργασιών, Σχολή Μηχανικών Περιβάλλοντος, Πολυτεχνείο Κρήτης

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

Βιοκαύσιμα Αλκοόλες(Αιθανόλη, Μεθανόλη) Κιαχίδης Κυριάκος

1. ΠΗΓΕΣ ΚΑΙ ΜΟΡΦΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Βασικό παράδειγµα εφαρµογής

ΘΕΡΜΙΚΕΣ Ι ΙΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥ ΞΥΛΟΥ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ Ι ΙΟΤΗΤΕΣ ΞΥΛΟΥ

ΕΝΑΤΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟ. Μορφές Ενέργειας

Πηγές Ενέργειας για τον 21ο αιώνα

Gasification TECHNOLOGY

Για την αντιμετώπιση του προβλήματος της διάθεσης των παραπάνω αποβλήτων, τα Ελληνικά τυροκομεία ως επί το πλείστον:

Παράγοντες επιτυχίας για την ανάπτυξη της ελληνικήςαγοράςσυσσωµατωµάτων

ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΑ. Πολυχρόνης Καραγκιοζίδης Χημικός Mcs Σχολικός Σύμβουλος.

ΕΤΕΡΟΓΕΝΗΣ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΕΛΕΥΘΕΡΩΝ ΛΙΠΑΡΩΝ ΟΞΕΩΝ ΟΞΙΝΩΝ ΕΛΑΙΩΝ ΣΕ ΒΙΟΝΤΙΖΕΛ

8η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΓΧΥΣΗΣ (ΙNJECTION)

Ορθή περιβαλλοντικά λειτουργία μονάδων παραγωγής βιοαερίου με την αξιοποίηση βιομάζας

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

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

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

ΙΣΟΖΥΓΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ

Οργανικά απόβλητα στην Κρήτη

Ενεργειακά φυτά Βιομάζα. Εισαγωγή στην καλλιέργεια, συγκομιδή, διακίνηση και χρήση βιομάζας

ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΕΡΓΟΥ

ΠΑΡΑΡΤΗΜΑΤΑ ΕΝΟΤΗΤΑΣ Α ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α

Η ατμόσφαιρα και η δομή της

ΚΑΘΕΤΗ Νίκος ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑ Α ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΒΙΟΝΤΙΖΕΛ

Πολυτεχνείο Κρήτης. Θ. Τσούτσος, Α. Καλογεράκης. Τµήµα Μηχανικών Περιβάλλοντος. Η περίπτωση του Βιοντίζελ. (ReSEL)

Ισοζύγια Ενέργειας 9/3/2011

ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΕΣ ΚΑΙ ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΑ ΩΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ

Ε ΑΦΟΣ. Έδαφος: ανόργανα οργανικά συστατικά

Ε Μ Π NTUA /3662 Fax: ΟΜΑΔΑ 3: Δοκιμή 1

Πράσινη θερµότητα Ένας µικρός πρακτικός οδηγός

ΘΕΩΡΙΑ ΚΑΥΣΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΥΣΗΣ

ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗ ΑΠΟ ΒΙΟΑΕΡΙΟ Βασικές γνώσεις - Παραδείγματα

Φυσικό αέριο. Ορισμός: Το φυσικό αέριο είναι μίγμα αέριων υδρογονανθράκων με κύριο συστατικό το μεθάνιο, CH 4 (μέχρι και 90%).

ΕΤΕΡΟΓΕΝΗΣ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΣΕ ΒΙΟΝΤΙΖΕΛ. Μονάδα Μηχανικής ιεργασιών Υδρογονανθράκων και Βιοκαυσίµων

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


ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΟ ΣΤΕΛΕΧΗ ΒΑΜΒΑΚΟΦΥΤΟΥ ΜΕΣΩ ΘΕΡΜΟΧΗΜΙΚΗΣ ΚΑΙ ΒΙΟΧΗΜΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ

Σήµερα οι εξελίξεις στην Επιστήµη και στην Τεχνολογία δίνουν τη

Ανάπτυξη νέας γενιάς σταθµών Ηλεκτροπαραγωγής

Κων/νος Θέος 1

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

Transcript:

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥ ΩΝ «ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ» ΜΑΘΗΜΑ «ΒΙΟΜΑΖΑ» Παραγωγή Υγρών Καυσίµων Από Καλάµιαα Μέσω Θερµοχηµικής Μετατροπής Δημήτριος Καρακούσης Υπεύθυνος Καθηγητής : Εµµανουήλ Κούκιος Καθηγητής Ε.Μ.Π. Αθήνα, Ιούνιος 2009

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 2 ΚΑΛΑΜΙΑ... 3 ΑΕΡΙΟΠΟΙΗΣΗ FISCHER TROPSCH... 5 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΥΓΡΟΥ ΚΑΥΣΙΜΟΥ... 8 ΣΧΟΛΙΑ - ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ... 9 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 10 1

ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η παρουσίαση ενός σύγχρονου συστήµατος βιοµάζας βιοενέργειας, το οποίο θα είναι προσαρµοσµένο στα ελληνικά δεδοµένα και θα εκµεταλλεύεται βιολογικές πρώτες ύλες µε τελικό σκοπό την παραγωγή χρήσιµου προϊόντος. Συγκεκριµένα η µονάδα θα προµηθεύεται ως πρώτη ύλη το ενεργειακό φυτό «καλάµια» και θα παράγει υγρά καύσιµα χρησιµοποιώντας θερµοχηµική µετατροπή. Γενικότερα τις τελευταίες δεκαετίες υπάρχει όλο και αυξανόµενη ζήτηση για τις µονάδες βιοενέργειας, η οποία αποτελεί και τη σύγχρονη λύση για παραγωγή ηλεκτρισµού και/ή θερµότητας, παραγωγή καυσίµων ή διαχείριση απορριµµάτων. Με δεδοµένη τη σχεδόν πλήρη εξάρτηση από το πετρέλαιο που έχει ο σύγχρονος κόσµος, γίνεται προσπάθεια να µετακινηθεί το ενδιαφέρον προς ανανεώσιµες πηγές ενέργειας, κοµµάτι των οποίων αποτελούν και οι µονάδες βιοµάζας. Οι εν λόγω µονάδες, οι οποίες συνεχώς αυξάνονται στην Ευρώπη, στην Αµερική αλλά και σε όλο τον κόσµο, παρουσιάζουν πολλαπλά ενεργειακά, οικονοµικά, περιβαλλοντικά και κοινωνικά οφέλη σε σχέση µε µονάδες παραγωγής ενέργειας (ή καυσίµων) συµβατικής τεχνολογίας. Η βιοµάζα αποτελεί µια ανανεώσιµη πηγή ενέργειας διότι δηµιουργείται από την ενέργεια του ηλίου, η οποία τελικά αποθηκεύεται στους χηµικούς δεσµούς των φυτών που φωτοσυνθέτουν. Από τα φυτά µπορεί να παραχθεί ενέργεια ή καύσιµο µε ένα πλήθος γνωστών διεργασιών, που χωρίζονται κατά βάση σε δύο γενικές κατηγορίες: θερµοχηµικές µετατροπές, και βιοχηµικές διεργασίες. Στο παράδειγµά µας, µας ενδιαφέρει η παραγωγή υγρών καυσίµων από το ενεργειακό φυτό «καλάµια», οπότε η ενδεικνύµενη θερµοχηµική µετατροπή που πρέπει να ακολουθηθεί είναι η αεριοποίηση Fischer Tropsch. Θα επιχειρήσουµε µια γενική περιγραφή για κάθε κοµµάτι της διαδικασίας (καλάµια αεριοποίηση καύσιµο) και θα χρησιµοποιήσουµε αριθµητικά παραδείγµατα για τη λειτουργία της υποθετικής µας µονάδας. 2

ΚΑΛΑΜΙΑ Το επιστηµονικό όνοµα για το καλάµι είναι Arundo donax. Είναι ένα πολυετές φυτό και συναντάται σε πολλές περιοχές της Ελλάδας (και γενικότερα στο µεσογειακό χώρο), κυρίως σε περιοχές µε πολλή υγρασία, όπως π.χ. κοντά σε ποτάµια και λίµνες. Με το δεδοµένο αυτό, µπορούµε να τοποθετήσουµε τη µονάδα παραγωγής υγρών καυσίµων κοντά στη λίµνη Τριχωνίδα, στο νοµό Αιτωλοακαρνανίας, µια περιοχή µε αυξηµένη υγρασία. Η συγκεκριµένη τοποθεσία είναι µάλιστα εύκολα προσβάσιµη για τα φορτηγά µεταφοράς της πρώτης ύλης. Εικόνα 1: Arundo donax (καλάμι) Το καλάµι έχει ξυλώδεις βλαστούς µε πολλά φύλλα και µπορεί να φτάσει σε ύψος έως και τα 8 m. Τα φύλλα µπορούν να φτάσουν τα 60 cm µήκος. Είναι ένα ανθεκτικό φυτό και µπορεί να καλλιεργηθεί και για προστασία του εδάφους από διάβρωση, ως ανεµοφράκτης, ως υλικό κατασκευής πρόχειρων καταλυµάτων και µουσικών οργάνων. Πολλαπλασιάζεται κυρίως µε ριζώµατα, αλλά και µε µοσχεύµατα. Έχει πολύ γρήγορη ανάπτυξη, έως και 5 cm την ηµέρα κατά τη διάρκεια της άνοιξης. Η πιο κατάλληλη εποχή συγκοµιδής για το καλάµι είναι γενικά από τα τέλη του φθινοπώρου µέχρι τα τέλη του χειµώνα, ενώ η παραγόµενη βιοµάζα εξαρτάται άµεσα και από το επίπεδο της άρδευσης. Για µια φυτεία καλαµιού µεγάλης έκτασης, η εγκατάσταση των ριζωµάτων µπορεί να γίνει µηχανικά, ενώ η συγκοµιδή είναι παρόµοια µε του αραβοσίτου. Για να υπολογίσουµε το µέγεθος του εργοστασίου µας, χρειάζεται να γνωρίζουµε ορισµένα βασικά ενεργειακά χαρακτηριστικά για το καλάµι. Σύµφωνα µε παρατηρήσεις και µετρήσεις του Κέντρου Ανανεώσιµων Πηγών Ενέργειας 3

(Κ.Α.Π.Ε.), το καλάµι µπορεί να δώσει 0.5 3 ξηρούς τόνους βιοµάζας ανά στρέµµα γης. Για το µεσογειακό χώρο οι αποδόσεις είναι προς το άνω όριο της κλίµακας, εποµένως για την περίπτωσή µας θα θεωρήσουµε σταθερή απόδοση 2 ξηρούς τόνους ανά στρέµµα. Η µέση θερµογόνος δύναµη του καλαµιού λαµβάνεται ίση µε 18 MJ ανά kg ξηρής βιοµάζας, ενώ η περιεκτικότητα σε τέφρα είναι 6.9% για ξηρή ουσία. Με αυτά τα δεδοµένα υπολογίζουµε πως το ενεργειακό δυναµικό θα ισούται µε περίπου 1 τόνο ισοδυνάµου πετρελαίου ανά στρέµµα. 4

ΑΕΡΙΟΠΟΙΗΣΗ FISCHER TROPSCH Η αεριοποίηση Fischer Tropsch είναι µια θερµοχηµική µετατροπή. Οι θερµοχηµικές διεργασίες περιλαµβάνουν αντιδράσεις που εξαρτώνται από τη θερµοκρασία για διαφορετικές συνθήκες οξείδωσης. Στην κατηγορία των θερµοχηµικών ανήκουν οι εξής αντιδράσεις: Πυρόλυση Αεριοποίηση Καύση Στο παράδειγµά µας, µας ενδιαφέρει η διεργασία της αεριοποίησης που αρχικά θα δώσει αέριο προϊόν, το οποίο µέσω της διαδικασίας Fischer Tropsch θα δώσει τελικά το επιθυµητό υγρό καύσιµο. Η αεριοποίηση εφαρµόστηκε αρχικά το 19 ο αιώνα για την παραγωγή καυσίµου αερίου οικιακής κατανάλωσης. Είναι µια διαδικασία που µετατρέπει οργανικές πρώτες ύλες σε µονοξείδιο του άνθρακα και υδρογόνο. Η αντίδραση γίνεται σε υψηλές θερµοκρασίες (γενικά >700 o C) µε ελεγχόµενη παροχή οξυγόνου. Η τεχνολογία αυτή συχνά παρουσιάζει πλεονεκτήµατα σε σχέση µε την απευθείας καύση της βιοµάζας. Το παραγόµενο αέριο αποτελεί καύσιµο και µπορεί να χρησιµοποιηθεί απευθείας, ή να µετατραπεί σε υγρό καύσιµο µέσω της διαδικασίας Fischer Tropsch. Η αεριοποίηση λαµβάνει χώρα µε τέσσερεις διαφορετικές αντιδράσεις, στις οποίες πρωταγωνιστικό ρόλο παίζει ο άνθρακας που περιέχει η οργανική πρώτη ύλη. Η πρώτη αντίδραση είναι ουσιαστικά µια καύση (ένωση µε οξυγόνο), η οποία παράγει 1 µονοξείδιο του άνθρακα: C+ O2 CO. Μια ανάλογη αντίδραση παραγωγής 2 µονοξειδίου του άνθρακα είναι και η C+ CO2 2CO. Ακολουθεί η κύρια αντίδραση αεριοποίησης µε υδρατµό, κατά την οποία παράγεται υδρογόνο και µονοξείδιο: C+ H 2O H 2+ CO. Η αεριοποίηση µε υδρογόνο (αναγωγική) λαµβάνει χώρα όταν στο µίγµα αρχίζει να υπάρχει ικανή ποσότητα υδρογόνου: C+ 2H 2 CH4. Τέλος, για να διατηρηθεί η ισορροπία µεταξύ των φάσεων, µε αποτέλεσµα να παραµένουν σταθερές οι συγκεντρώσεις σε µια δεδοµένη θερµοκρασία, γίνεται συνεχώς η εξής αµφίδροµη αντίδραση: CO+ H 2O CO2+ H 2. Οι βιοµηχανικοί αεριοποιητές που χρησιµοποιούνται σήµερα µπορούν να χωριστούν σε τέσσερεις βασικές κατηγορίες: Σταθερής κλίνης updraft: αποτελούνται από µια σταθερή κλίνη βιοµάζας, µέσα από την οποία περνάει το µέσο αεριοποίησης (αέρας, νερό) σε αντίθετη φορά ροής. Είναι απλή και αξιόπιστη τεχνολογία µε καλό βαθµό απόδοσης, αλλά το παραγόµενο αέριο είναι πλούσιο σε πίσσα και µεθάνιο και χρειάζεται φιλτράρισµα. 5

Σταθερής κλίνης downdraft: ίδια τεχνολογία µε την updraft, µε τη βασική διαφορά ότι το µέσο αεριοποίησης κινείται προς την ίδια κατεύθυνση µε την κλίνη της βιοµάζας (προς τα κάτω). Έχει σχετικά µικρότερο βαθµό απόδοσης και απαιτείται τροφοδοσία µε πολύ µικρή υγρασία, αλλά έχει το πλεονέκτηµα ότι η τεχνολογία είναι απλή και τα ποσοστά πίσσας στο αέριο είναι πολύ µικρότερα. Ρευστοστερεάς κλίνης (fluidized bed): χρησιµοποιείται για σχετικά µεγάλα µεγέθη παροχής και ισχύος. Η βιοµάζα ρευστοποιείται µε οξυγόνο και υδρατµό. Η απόδοση είναι χαµηλότερη από τους αεριοποιητές σταθερής κλίνης, αλλά υπάρχει µεγάλη εµπειρία στις εφαρµογές ρευστοστερεάς κλίνης, κυρίως από διυλιστήρια, ενώ ο συγκεκριµένος αεριοποιητής µπορεί να δεχθεί και µεγάλη ποικιλία πρώτων υλών. Παρασυρόµενης κλίνης (entrained flow): χρησιµοποιείται µόνο για πολύ µεγάλες παροχές βιοµάζας και ισχείς. Το καύσιµο αεριοποιείται µε οξυγόνο, ενώ απαιτείται µεγάλη επεξεργασία του καυσίµου διότι οι αντιδράσεις αεριοποίησης λαµβάνουν χώρα στην ουσία µέσα σε ένα σύννεφο σωµατιδίων. Οι πολύ υψηλές πιέσεις και θερµοκρασίες συνεπάγονται την απουσία πίσσας και µεθανίου στο προϊόν αέριο, αλλά υπάρχει κίνδυνος συσσωµατωµάτων. Λόγω της σχετικά µικρής ισχύος και του µικρού ρυθµού επεξεργασίας βιοµάζας που αναµένεται να έχει η υποθετική µας µονάδα, αλλά και λόγω της ευρύτατης διάδοσής του, κρίνουµε ότι ο καταλληλότερος τύπος αεριοποιητή θα είναι ο σταθερής κλίνης downdraft. Εικόνα 2: Αεριοποιητής σταθερής κλίνης downdraft Σε κάθε περίπτωση, το παραγόµενο αέριο καύσιµο (synthesis gas ή syngas) θα αποτελείται κυρίως από H 2, CH 4, CO, CO 2, υδρατµό, ανώτερους υδρογονάνθρακες 6

και αρκετά ανεπιθύµητα σωµατίδια και ρυπαντές, που θα πρέπει να αποµακρυνθούν. Λόγω της απαίτησης παραγωγής υγρών καυσίµων, το αέριο που εξέρχεται από τον αεριοποιητή θα πρέπει να υποστεί περαιτέρω επεξεργασία Fischer Tropsch, ώστε να µετατραπεί σε υγρό. Η διεργασία Fischer Tropsch επινοήθηκε από τους γερµανούς ερευνητές Franz Fischer και Hans Tropsch τη δεκαετία του 1920. Είναι µια καταλυτική αντίδραση κατά την οποία το αέριο που προέρχεται από τον αεριοποιητή µετατρέπεται σε υγρούς υδρογονάνθρακες. Οι καταλύτες που χρησιµοποιούνται συνήθως βασίζονται στο σίδηρο, στο κοβάλτιο, και σπανιότερα στο νικέλιο και στο ρουθήνιο. Η θερµοκρασία κρατείται συνήθως µεταξύ 150 o C και 300 o C και η πίεση σε µερικές δεκάδες ατµόσφαιρες. Η διαδικασία αποτελείται από ένα σύνολο αντιδράσεων, οι οποίες ενδέχεται να δώσουν και ανεπιθύµητα παραπροϊόντα. Η κύρια αντίδραση που λαµβάνει χώρα, είναι της µορφής: (2n+ 1) H 2+ nco CnH2n+ 2+ nh 2O. Συνήθως δηµιουργούνται µεγαλύτερες ποσότητες από υδρογονάνθρακες ευθείας αλυσίδας µε n > 1. Η άλλη αντίδραση που λαµβάνει χώρα είναι η γνωστή από την αεριοποίηση αντίδραση υδρατµού υδρογόνου: CO+ H 2O CO2+ H 2. Για αέριο που προέρχεται από βιοµάζα, όπως στην περίπτωσή µας, θα προτιµηθεί καταλύτης σιδήρου, διότι είναι καταλληλότερος για τη χαµηλή αναλογία H : 2 COπου εµφανίζει το αέριο. Ένα πρόβληµα που εµφανίζεται κατά την αντίδραση Fischer Tropsch, είναι ότι αν προσπαθήσουµε να αποφύγουµε την παραγωγή υπερβολικών ποσοτήτων µεθανίου, θα µετακινήσουµε την ισορροπία προς υδρογονάνθρακες πολύ µεγάλης αλυσίδας, οι οποίοι είναι στερεοί σε κανονικές συνθήκες. Γι αυτό επιλέγεται πάντα ένας συµβιβασµός µεταξύ παραγόµενης ποσότητας µεθανίου και µέγιστου µήκους αλυσίδας. Η χρήση της διεργασίας Fischer Tropsch σε αέριο που προέρχεται από αεριοποίηση βιοµάζας είναι ιδιαίτερα ευεργετική στην περίπτωση που επιθυµούµε καύσιµο µε χαµηλή περιεκτικότητα σε θείο, καθώς το θείο απουσιάζει από τις χηµικές ενώσεις ζωντανών οργανισµών. Επίσης, τελευταία εξετάζεται η δυνατότητα να µετατρέπεται το CO 2 σε CO (χρησιµοποιώντας ανανεώσιµες πηγές ενέργειας), µε σκοπό να χρησιµοποιηθεί το CO για την παραγωγή ανώτερων υδρογονανθράκων µέσω της διεργασίας Fischer Tropsch. 7

ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΥΓΡΟΥ ΚΑΥΣΙΜΟΥ Έχοντας συγκεντρώσει όλες τις απαραίτητες πληροφορίες, µπορούµε να προβούµε σε µια ποιοτική και ποσοτική προσέγγιση του υγρού καυσίµου που θα παραχθεί. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, τα κύρια προϊόντα της αεριοποίησης Fischer Tropsch είναι ανώτεροι υδρογονάνθρακες. Οι συνθήκες της αντίδρασης µπορούν να ρυθµιστούν έτσι ώστε η πλειοψηφία των προϊόντων να βρίσκεται στην περιοχή του diesel, µε γενικό χηµικό τύπο κατά προσέγγιση C 10 H 22 ή και ακόµα ελαφρύτερο. Εποµένως, η διαδικασία της αεριοποίησης Fischer Tropsch µας δίνει πρακτικά έτοιµο προς χρήση καύσιµο diesel, προερχόµενο από βιοµάζα. Το diesel αυτό µπορεί να χρησιµοποιηθεί είτε ως καθαρό καύσιµο είτε ως πρόσθετο σε ορυκτό diesel. Το αέριο καύσιµο που παράγεται από την αεριοποίηση έχει µια τυπική σύσταση που περιλαµβάνει 20% H 2 και 20% CO, µε το υπόλοιπο να είναι µεθάνιο, CO 2, άζωτο και άλλα ανεπιθύµητα συστατικά. Γνωρίζοντας ότι ένας αεριοποιητής τύπου downdraft έχει µια ενεργειακή απόδοση περίπου 80%, υπολογίζουµε πως το ενεργειακό περιεχόµενο του αερίου synthesis gas θα είναι 0.8 MJ MJ 18 14.4 kg = kg (όπου 18 MJ/kg είναι η θερµογόνος δύναµη του καλαµιού). Πειράµατα έχουν δείξει πως η ενεργειακή απόδοσης της διεργασίας Fischer Tropsch είναι και αυτή περίπου 80%, ειδικά αν ο καταλύτης και οι συνθήκες της αντίδρασης έχουν επιλεγεί έτσι ώστε η πλειοψηφία των προϊόντων να είναι στην περιοχή των υγρών καυσίµων τύπου diesel. Άρα το ενεργειακό περιεχόµενο των προϊόντων της διεργασίας Fischer Tropsch θα είναι 0.8 14.4MJ = 11.52MJ ανά kg εισερχόµενης ξηρής βιοµάζας, το οποίο ισούται µε 2753.3 kcal ανά kg βιοµάζας. Γνωρίζοντας ότι το biodiesel έχει κατά µέσο όρο µια θερµογόνο δύναµη της τάξης των 9000 kcal/kg, συµπεραίνουµε πως για κάθε kg ξηρών καλαµιών που εισέρχονται στον αεριοποιητή, θα παίρνουµε περίπου 0.3 kg υγρού καυσίµου. Για µια τυπική τιµή πρώτης ύλης 100 t/d, θα έχουµε µια παραγωγή υγρών καυσίµων της τάξης των 30 t/d. Η διαδικασία που ακολουθήθηκε για το αριθµητικό παράδειγµα είναι προσεγγιστική και βασισµένη κυρίως σε ενεργειακούς βαθµούς απόδοσης. Αυτό έγινε διότι η τεχνολογία αυτή δεν εφαρµόζεται ευρέως παρά µόνο για ερευνητικούς σκοπούς και κατά συνέπεια υπάρχει έλλειψη δηµοσιεύσεων και συγκεκριµένων αποτελεσµάτων για την αεριοποίηση Fischer Tropsch για την παραγωγή υγρών καυσίµων, ειδικά όταν η βιοµάζα προέρχεται από καλάµια. Στην πράξη, τα αποτελέσµατα από ένα ανάλογο πραγµατικό εργοστάσιο µπορεί να διαφέρουν αρκετά από τα θεωρητικά. 8

ΣΧΟΛΙΑ - ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Όπως έχει αναλυθεί, είναι τεχνικά εφικτό να παραχθεί υγρό καύσιµο από καλάµια ακολουθώντας τη διαδικασία της αεριοποίησης και της µετατροπής Fischer Tropsch. Σε περίπτωση που η διαδικασία αυτή εφαρµοστεί σε µεγάλη βιοµηχανική κλίµακα, παρουσιάζει ορισµένα σηµαντικά πλεονεκτήµατα, το σηµαντικότερο εκ των οποίων είναι η απεξάρτηση από τα ορυκτά καύσιµα. Επιπλέον, οι εκποµπές ρυπαντών, σωµατιδίων και CO 2 ανά λίτρο παραγόµενου καυσίµου είναι χαµηλότερες από αυτές ενός παραδοσιακού διυλιστηρίου. Αυτό υποστηρίζεται και από το γεγονός ότι τα φυτά (που αποτελούν τη βιοµάζα) ανακυκλώνουν µε φυσικό τρόπο το CO 2 κατά τη διάρκεια της ανάπτυξής τους. Ένα επιπλέον πλεονέκτηµα των αεριοποιητών είναι ότι µπορούν να προσαρµοστούν πολύ γρήγορα σε διαφορετικές παροχές βιοµάζας, καλύπτοντας έτσι πιθανές µεταβολές στη ζήτηση των προϊόντων. Παρ όλα αυτά, οι τεχνολογίες παραγωγής καυσίµων από βιοµάζα, και ειδικότερα αυτή που µελετάµε στο προηγούµενο κεφάλαιο, παρουσιάζουν ακόµα και σήµερα αρκετά προβλήµατα και µειονεκτήµατα. Η διεργασία της αεριοποίησης Fischer Tropsch βρίσκεται ουσιαστικά ακόµα σε πειραµατικό στάδιο και οι πραγµατικές βιοµηχανικές εφαρµογές της είναι ελάχιστες. Αυτό συνεπάγεται πολύ υψηλό κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας (ενδεχοµένως απαγορευτικό) και έλλειψη πληροφοριών σχετικά µε απτά αποτελέσµατα της µεθόδου, όπως βαθµούς απόδοσης, οικονοµικά µεγέθη, παραδείγµατα εργοστασίων κ.ά. Επιπλέον, αντιµετωπίζονται πρακτικά προβλήµατα όπως η υπερβολική παραγωγή πίσσας, η οποία καταστρέφει τα τοιχώµατα των αεριοποιητών και απενεργοποιεί τους καταλύτες της αντίδρασης. Προς το παρόν, οι µελέτες εστιάζονται στη χρήση νέων καταλυτών που αποτρέπουν τη συσσώρευση πίσσας, στον καθαρισµό του παραγόµενου αερίου, στη µείωση του κόστους της διαδικασίας, στη δυνατότητα χρήσης διαφόρων τύπων βιοµάζας ως πρώτη ύλη, και γενικότερα στο κατά πόσον θα είναι οικονοµικά και τεχνικά βιώσιµη µια τέτοια επένδυση στο άµεσο µέλλον. εδοµένων όµως των περιορισµένων αποθεµάτων των ορυκτών καυσίµων, η έρευνα και η επιστήµη αναγκαστικά θα στραφούν προς τεχνολογίες εναλλακτικών καυσίµων και ανανεώσιµες πηγές ενέργειας. Με την εξέλιξη της τεχνολογίας και µε κατάλληλες έρευνες και χρηµατοδοτήσεις, η διαδικασία παραγωγής υγρού καυσίµου που αναλύουµε στην παρούσα εργασία θα µπορούσε κάλλιστα να γίνει πραγµατικότητα, ακόµα και στην Ελλάδα, και να συµβάλλει προς ένα καθαρότερο µέλλον χωρίς ενεργειακά προβλήµατα. 9

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] http://el.wikipedia.org [2] http://en.wikipedia.org [3] The German Solar Energy Society, Planning and Installing Bioenergy Systems - A Guide for Installers, Architects and Engineers, James & James 2005 [4] «Ενεργειακές Καλλιέργειες Για Την Παραγωγή Υγρών Και Στερεών Βιοκαυσίµων Στην Ελλάδα», Εκδόσεις Κ.Α.Π.Ε. [5] ιαφάνειες Μαθηµάτων, Εργαστήριο ΟΧΤ, Σχολή Χηµικών Μηχανικών, Ε.Μ.Π. [6] http://www.treepower.org/gasification/floridabiomassgasification-mosaic- Presentation-22May06-HMI-complete.ppt [7] http://resources.metapress.com/pdfpreview.axd?code=t688510756n06634&size=largest [8] http://cgpl.iisc.ernet.in/site/home/tabid/36/default.aspx [9] http://www.oilcrisis.com/netenergy/woodfischertropsch.pdf [10] http://allpowerlabs.org/gasification/resources/index.html 10