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. Ορισμός Βιομάζας 2. Ιστορική εξέλιξη χρήσης Βιομάζας 3. Η Βιομάζα ως αποθήκη χημικής ενέργειας 4. Η Βιομάζα ως καύσιμο 5. Είδη πηγές 6. Βασικές ιδιότητες 7. Ενδιάμεση επεξεργασία Ενεργειακή αναβάθμιση βιομάζας 8. Γενικά στάδια ενεργειακής εκμετάλλευσης 9. Ο ρόλος της βιομάζας στην αντιμετώπιση του φαινομένου του θερμοκηπίου
Ορισμός Βιομάζας 3 «Πρόσφατη οργανική ύλη που προέρχεται από φυτά, ως αποτέλεσμα φωτοσύνθεσης ή από ζώα και προορίζεται σαν αποθήκη χημικής ενέργειας με σκοπό την παροχή θερμότητας, ηλεκτρισμού ή καυσίμων.» Ως βασικές πηγές βιομάζας θεωρούνται : Υπολείμματα ξυλείας Γεωργικά υπολείμματα Ενεργειακές καλλιέργειες Ζωικά απόβλητα Αστικά απορρίμματα
Ιστορική εξέλιξη χρήσης βιομάζας Η παλαιότερη μορφή ενεργειακού φορέα 4 ~1800 Βιομηχανική Επανάσταση Πηγή: Bent Sorensen (2000), Renewable Energy,, Academic Press
Ιστορική εξέλιξη χρήσης βιομάζας Βιομηχανική Επανάσταση Η απαρχή της εποχής του άνθρακα 5 Μαζική αντικατάσταση των πηγών βιομάζας (κυρίως ξύλο) από άνθρακα λόγω : Αυξανόμενης έλλειψης πρώτης ύλης Ανόδου της τιμής του ξύλου Τεχνολογικής κατεύθυνσης Διαρκούς ανάγκης για αύξηση παραγωγής / πλούτου Ανώτερου ενεργειακού δυναμικού
Ποσοστό συμμετοχής βιομάζας στο παρόν παγκόσμιο ενεργειακό σκηνικό 6 Ανεπτυγμένες χώρες 35% Κατανάλωση: >250 ΕJ/y Κατά κεφαλήν: >210 GJ/άτομο*y Συμμετοχή βιομάζας: ~3% 3% Γύρω στο 14% της παγκόσμιας παροχής πρωτογενούς ενέργειας προέρχεται από βιομάζα (1EJ=10 18 J, 1GJ=10 9 J) Αναπτυσσόμενες χώρες Κατανάλωση: ~140 ΕJ/y Κατά κεφαλήν: ~36 GJ/άτομο*y Συμμετοχή βιομάζας: ~35%
Η βιομάζα ως αποθήκη χημικής ενέργειας 7 Προέλευση ηλιακή ενέργεια μέσω της φωτοσύνθεσης : CO 2 + 2H 2 O ([CH 2 O] + H 2 O + O 2 ) Σάκχαρα, άμυλο, κυτταρίνη, λιγνίνη
Η βιομάζα ως αποθήκη χημικής ενέργειας 8 1000 kwh/y*m 2 36.000 GJ 12.000 GJ 2.400 GJ Περίοδος ανάπτυξης 33% 20% 20% 400 GJ Ανάκλαση 50% Πρόσπτωση στα φύλλα 1.000 GJ 30% 300 GJ 40% 180 GJ Μετατροπή σε αποθηκευμένη ενέργεια Ακτινοβολία Ποσοστό ενέργειας που διοχετεύεται στην ανάπτυξη του φυτού Το οκταπλάσιο του συνόλου της ενέργειας που καταναλώνεται σήμερα 1 ha = 10000 m 2 Συνολικός βαθμός απόδοσης διεργασίας: ~ 0,5%
Η βιομάζα ως καύσιμο 9 Βιοκαύσιμο: «Κάθε ενεργειακός πόρος σε στερεή, υγρή ή αέρια μορφή από οργανικές πρώτες ύλες που προέρχονται είτε κατευθείαν από φυτά είτε έμμεσα από βιομηχανικά, εμπορικά, οικιακά και αγροτικά απόβλητα» Οι εφαρμογές των βιοκαυσίμων αφορούν ένα πολύ ευρύ φάσμα από τα οικιακά τζάκια έως εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρισμού δυναμικότητας 50 MW el και ετήσιας κατανάλωσης 500 ktn βιομάζας ετησίως.
Η βιομάζα ως καύσιμο 10 Ενδεικτικός πίνακας της τάξης μεγέθους διαφόρων εφαρμογών βιομάζας. Δυναμικότητα εγκατάστασης Οικιακή θέρμανση (15 kw kw th ) Εφαρμογή Ετήσια κατανάλωση βιομάζας (odt*) Τάξη μεγέθους επένδυσης (1000 $) Κατοικία 3 5 (καυσόξυλα( καυσόξυλα) 0,1 Θέρμανση (350 kw kw th ) Σχολείο ή βιοτεχνία 80 120 (ξύλο( άχυρο) 10 Εγκατάσταση συμπαραγωγής μικρής κλίμακας (250 kw kw el ) 200 300 κατοικίες ή μικρή βιομηχανία 1500 2000 (ξύλο( άχυρο) 100 *odt : oven dry tonne ξηρός τόνος
Η βιομάζα ως καύσιμο 11 Ενδεικτικός πίνακας της τάξης μεγέθους διαφόρων εφαρμογών βιομάζας. Δυναμικότητα εγκατάστασης Εργοστάσιο ηλεκτροπαραγωγής μεσαίου μεγέθους (5 ΜW el ) Εργοστάσιο ηλεκτροπαραγωγής μεγάλου μεγέθους (30 MW MW el ) Εργοστάσιο ηλεκτροπαραγωγής συνδυασμένου κύκλου (500 MW MW el ) Εφαρμογή 4.000 6.000 κατοικίες 25.000 35.000 κατοικίες > 500.000 κατοικίες Ετήσια κατανάλωση καυσίμου (odt) Τάξη μεγέθους επένδυσης (106 $) 20.000 30.000 1 120.000 140.000 10 800 Μm 3 NG ή 1 Μtn άνθρακα 100
Είδη πηγές βιομάζας Γενική κατάταξη σε κατηγορίες : Υπολείμματα ξυλείας Γεωργικά υπολείμματα Ενεργειακές καλλιέργειες Ζωικά απόβλητα Αστικά απορρίμματα 12 Πηγή βιομάζας Εκτίμηση παροχής ενέργειας το έτος 2050 (EJ)( Υπολείμματα ξυλείας 24 Γεωργικά απορρίμματα 25 Ενεργειακές καλλιέργειες 128 Ζωικά απόβλητα 25 Αστικά απορρίμματα 3
Είδη πηγές βιομάζας 13 Υπολείμματα ξυλείας Προέρχονται από: υλοτόμηση δασών κλάδεμα δέντρων την επεξεργασία της ξυλείας (κοπή, αποφλοίωση, πριονίδια π.χ.. 50% της ξυλείας εξέρχεται από τα πριονιστήρια) την χαρτοβιομηχανία (υγρό καύσιμο απόβλητο black liquor ) Η κύρια πηγή βιοκαυσίμων σε παγκόσμια κλίμακα. Χρησιμοποιούνται κατά κύριο λόγο προς κάλυψη θερμικών φορτίων και σπανιότερα σε συνδυασμό με ηλεκτροπαραγωγή.
Είδη πηγές βιομάζας 14 Στοιχεία κόστους υπολειμμάτων ξυλείας Εξάρτηση από: σημείο συλλογής συνολικά διαθέσιμη ποσότητα κόστος χρήσης εξοπλισμού συλλογής απαιτήσεις προεπεξεργασίας ή ξήρανσης διανυόμενη απόσταση μεταφοράς διάταξη επεξεργασίας και μεταφοράς στο εργοστάσιο μετατροπής σε ηλεκτρισμό - θερμότητα Τυπικά κόστη παράδοσης βιοκαυσίμου (80 km διανυόμενη απόσταση) ) : 1,5 4,5 $/GJ 15 45 $/odt
Είδη πηγές βιομάζας 15 Γεωργικά Υπολείμματα Προέρχονται από καλλιέργειες ρυζιού, σιταριού, σακχαροκάλαμων, καλαμποκιού, πατάτας, κ.α. *Αγγλία:: 14 Μt άχυρο είτε καίγονται ανεξέλεγκτα είτε αποσυντίθενται σε ετήσια βάση. *Δανία: Εφαρμογές τηλεθέρμανσης με καύσιμο άχυρο τάξης μεγέθους 3 5 MW *Ινδονησία: Ετήσιο δυναμικό 5,6 Μt φλοιών ρυζιού *Βιομηχανία ζάχαρης: Υπόλειμμα επεξεργασίας σακχαροκάλαμων η εντατική αξιοποίηση θα οδηγούσε σε παραγωγή 50 GW παγκοσμίως
Είδη πηγές βιομάζας 16 Ενεργειακές καλλιέργειες Πρόκειται για είδη καλλιεργειών με ιδιαίτερα υψηλές αποδόσεις στην αποθήκευση της ηλιακής ενέργειας. Πλέον, ο σκοπός καλλιέργειας είναι αποκλειστικά η ενεργειακή εκμετάλλευση Είδη ενεργειακών καλλιεργειών: Σόργο Ελαιοκράμβη Σπόροι μουστάρδας Καλάμια λόχμες Μίσχανθος Ευκάλυπτος
Είδη πηγές βιομάζας 17 Ζωικά απόβλητα Αυστηρότεροι κανονισμοί σε σχέση με την χρήση των ζωικών αποβλήτων ως οργανικά λιπάσματα κάνουν πιθανότερη την ενεργειακή τους αξιοποίηση Μέσω αναερόβιας χώνευσης των ζωικών αποβλήτων παράγεται βιαέριο (κατά κύριο λόγο μεθάνιο) Το βιαέριο χρησιμοποιείται ως αέριο καύσιμο είτε σε καυστήρες είτε σε Μ.Ε.Κ.
Είδη πηγές βιομάζας 18 Αστικά απορρίμματα Προς το παρόν προορίζονται κυρίως σε ταφή. Αυστηρότεροι περιβαλλοντικοί όροι προωθούν την ενεργειακή αξιοποίηση των αστικών απορριμμάτων μέσω: Άμεσης καύσης Εφαρμογής νέων τεχνολογιών θερμικής αξιοποίησης Παραγωγής βιαερίου (αερίου χωματερής) Παραγωγής RDF (Refuse Derived Fuel Καύσιμο από απορρίμματα)
Είδη πηγές βιομάζας 19 Σύνθεση Παραγωγή Αστικών απορριμμάτων Νομός Αττικής: : 0,6 6 ~ 1,5 kg/(άτομο άτομο*ημέρα) 1985 1990: +17% ~ +38% συνολική παραγωγή 1990 2004: Οργανικά -20% Παράγοντες επηρεασμού Χαρτί +50% Πλαστικά +30% Εξέλιξη βιοτικού επιπέδου - κατανάλωσης Βαθμός εφαρμογής προγραμμάτων διαχωρισμού στην πηγή Κοινοτικές οδηγίες για υλικά συσκευασιών Συστατικό % κατά βάρος 1990 2004 Οργανικά 51,0 40,0 Χαρτί 22,3 32,0 Μέταλλα 4,2 3,5 Πλαστικά 10,0 13 Γυαλί 3,5 2,5 Υφάσματα, ξύλα, δέρματα, ελαστικά 3,5 3,2 Αδρανή 2,0 2,5 Διάφορα 3,5 3,3 ΣΥΝΟΛΟ 100 100
Είδη πηγές βιομάζας Θερμική αξιοποίηση αστικών απορριμμάτων 20 Καύση σε υπαίθριους χώρους (ανεξέλεγκτη, ανθυγιεινή, επικίνδυνη) Καύση σε κλίβανους (τέλη 19ου αιώνα Γερμανία, Αγγλία) ) (μείωση( όγκου στο 5-20% - χωρίς ανάκτηση θερμότητας) Σήμερα Μελλοντική τάση Σταδιακή απαγόρευση ταφής απορριμμάτων Γαλλία: Στόχος η αύξηση δυναμικότητας εγκαταστάσεων καύσης σε 57% Αγγλία: Αντίστοιχο ποσοστό σε 40% έως 2005
Βασικές ιδιότητες βιομάζας 21 Στοιχειακή ανάλυση Θερμογόνος ικανότητα Περιεκτικότητα σε υγρασία Περιεκτικότητα σε τέφρα Πυκνότητα
Βασικές ιδιότητες βιομάζας 22 Στοιχειακή ανάλυση Το οργανικό περιεχόμενο των διάφορων πηγών βιομάζας έχει σε γενικές γραμμές παρόμοια στοιχειακή ανάλυση Στοιχείο Κατά βάρος σύσταση (χωρίς τέφρα, σε ξηρή βάση) Άνθρακας (C) 44 51 % Υδρογόνο (Η) 5,5 6,7 % Οξυγόνο (Ο) 41 50 % Άζωτο (Ν) 0,12 0,60 % Θείο (S) 0 0,2 % Τυπικές τιμές στοιχειακής ανάλυσης βιομάζας
Βασικές ιδιότητες βιομάζας 23 Θερμογόνος δύναμη Η θερμική ενέργεια που εκλύεται κατά την καύση 1 kg καυσίμου (αέρια : 1 m 3 ) σε συγκεκριμένες συνθήκες. Διακρίνεται σε ανώτερη (HHV Higher Heating Value) και κατώτερη (LHV Lower Heating Value), λόγω δέσμευσης ενέργειας με τη μορφή λανθάνουσας θερμότητας ατμοποίησης των υδρατμών στα καυσαέρια Θερμογόνος δύναμη (kj/kg) 20000 15000 10000 5000 0 HHV LHV 0 20 40 60 80 100 Συνήθεις τιμές θερμογόνου δύναμης βιοκαυσίμου χωρίς τέφρα και σε ξηρή βάση είναι της τάξης των 20.000 kj/kg ± 15% Ποσοστό υγρασίας στο καύσιμο (%)
Βασικές ιδιότητες βιομάζας 24 Περιεκτικότητα σε υγρασία Η ποσότητα νερού εντός της βιομάζας Ιδιαίτερα σημαντική παράμετρος, τόσο για τον καθορισμό του LHV, όσο και για την επιλογή της τεχνολογίας ενεργειακής αξιοποίησης που θα επιλεγεί. Για θερμική αξιοποίηση (π.χ. καύση) της βιομάζας επιβάλλονται τιμές < 50% Οι τιμές της κυμαίνονται από 10% (υπολείμματα( καλλιέργειας δημητριακών) έως και 80% (δασικά( υπολείμματα ζωικά απόβλητα)
Βασικές ιδιότητες βιομάζας Περιεκτικότητα σε τέφρα Το ανόργανο κλάσμα της βιομάζας 25 Αποτελείται κατά κύριο λόγο από: SiO 2, Al 2 O 3, Fe 2 O 3, CaO,, Na 2 O, K 2 O, MgO,, P 2 O 5, TiO 2 Κυμαίνεται από 0,5% (ξύλο( ξύλο) έως και 30-40% (φλοιός( ρυζιού) Επίσης σημαντική παράμετρος που επηρεάζει τη συμπεριφορά του βιοκαυσίμου κάτω από υψηλές θερμοκρασίες. Η τήξη και η επανασυσσωμάτωση της τέφρας προκαλεί προβλήματα (αποφράξεις, επικαθίσεις, λειτουργικές δυσχέρειες στις ρευστοποιημένες κλίνες κ.α.).)
Βασικές ιδιότητες βιομάζας 26 Πυκνότητα Καθώς η βιομάζα χρησιμοποιείται τεμαχισμένη, πιο χρήσιμη τεχνικά είναι η «χύδην» (bulk) πυκνότητα Προφανώς αποτελεί κλάσμα της πυκνότητας ανά τεμάχιο. Εξαρτάται άμεσα από το είδος, το μέγεθος, το σχήμα και την υγρασία των τεμαχίων της βιομάζας Κυμαίνεται από 100-200 kg/m 3 (άχυρο) έως και 700-900 kg/m 3 (ξύλο) Η «χύδην» πυκνότητα σε συνδυασμό με τη θερμογόνο ικανότητα της βιομάζας αποτελούν την «ενεργειακή πυκνότητα». Σε σύγκριση με συμβατικά καύσιμα, η βιομάζα έχει περίπου το 10% της ενεργειακής πυκνότητας του πετρελαίου.
Γενικά στάδια ενεργειακής εκμετάλλευσης 27 Θερμότητα Ηλεκτρισμός Σκοπός 3ου στάδιου: Παραγωγή βιοενέργειας Τεχνολογίες ενεργειακής αξιοποίησης βιομάζας Καύση, Αεριοποίηση, Πυρόλυση Σκοπός 2ου στάδιου: Σκοπός 1ου στάδιου: Παροχή βιοκαυσίμου προς εκμετάλλευση Ενδιάμεση επεξεργασία / αναβάθμιση βιοκαυσίμου Διάφορα είδη υπολειμμάτων Παραγωγή πρώτης ύλης βιοκαυσίμου Μεταφορά, αποθήκευση, ξήρανση, συμπίεση, ανάμιξη Συλλογή, διαχωρισμός, δεματοποίηση
Ενδιάμεση επεξεργασία Αναβάθμιση βιομάζας 28 Συμπύκνωση Ξήρανση Με σκοπό την αύξηση της ενεργειακής πυκνότητας και επίσης για να γίνει οικονομικότερη η μεταφορά της βιομάζας συχνά απαιτείται η συμπύκνωσή της σε κυλινδρική μορφή (π.χ. Wood pellets) Επίσης, παράλληλα επιτυγχάνεται: μείωση της υγρασίας της βιομάζας ομοιομορφία στις διαστάσεις και τις ιδιότητες των τεμαχίων Απώτερος στόχος η παραγωγή ενός καυσίμου με βελτιωμένες ιδιότητες και η επίτευξη καλύτερων προϋποθέσεων ενεργειακής αξιοποίησης
Γενικά στάδια ενεργειακής εκμετάλλευσης 29 Σύγκριση κατανομή κόστους υπολειμμάτων υλοτομίας Μεταφορά με φορτηγά και επεξεργασία στο εργοστάσιο Μηχανική συλλογή και επεξεργασία επιτόπου. Σχηματισμός σωρών. Αγορά Συλλογή Επεξεργασία Μεταφορά Προώθηση στο οδικό δίκτυο. Σχηματισμός σωρών. Επεξεργασία κατά τη μεταφορά 0 5 10 15 20 25 30 35 40 $/odt Αποθήκευση
Ο ρόλος της βιομάζας στην αντιμετώπιση του φαινομένου του θερμοκηπίου 30 Συνολικές εκπομπές «αερίων θερμοκηπίου» 46 ισοδ.gr CO 2 /kwh 890 890 Παραγωγή Βιομάζας 28 (62%) Μεταφορά 6 (11%) 12 (25%) Κατασκευή Λειτουργία εργοστασίου Συνολικές εκπομπές «αερίων θερμοκηπίου» 1022 ισοδ.gr CO 2 /kwh Ανακύκλωση Άνθρακα: 95% 991 (96%) 9 (1%) Εξόρυξη άνθρακα 17 (2%) Μεταφορά 5 (1%) Κατασκευή Λειτουργία εργοστασίου Ανακύκλωση Άνθρακα: 0%