BIOENERGY CONFERENCE 2013

BIOENERGY CONFERENCE 2013 Παραγωγή ενέργειας με πυρόλυση- αεριοποίησης βιομάζας γεωργικών υπολειμμάτων Σωτήριος Καρέλλας Επίκουρος Καθηγητής ΕΜΠ Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων, Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών ΕΜΠ Email: sotokar@mail.ntua.gr, URL: www.lsbtp.mech.ntua.gr 06/10/2013 Agnion Energy Inc. 2008 1

Παραγωγή Ενέργειας με πυρόλυση- αεριοποίηση: ΠΥΡΟΛΥΣΗ Πυρόλυση αποκεντρωμένα (στην παραγωγή) Μεταφορά προϊόντος σε κεντρικό βιο- διυλιστήριο Αποκεντρωμένη συμπαραγωγή ηλεκτρισμού - Θερμότητας ΑΕΡΙΟΠΟΙΗΣΗ P el Αποκεντρωµένη παραγωγή Βιο-SNG Q Th Αγωγός Φυσικού αερίου Agnion Energy Inc. 2008 2

Παραγωγή Ενέργειας με πυρόλυση- αεριοποίηση: ΠΥΡΟΛΥΣΗ Agnion Energy Inc. 2008 3

Πυρόλυση Βιοµάζα + Q = Αέρια (CO,CO 2, H 2, CH 4, ) Βιο-έλαιο (πίσσες, νερό) Θέρµανση απουσία O 2 Εξανθράκωµα (κυρίως C) Πυρόλυση Συμβατική Ταχεία Ρυθμός θέρμανσης Χρόνος παραμονής Αργός Μεγάλος Ταχύς Μικρός Char 20-35% 12-16% Bio- oil 30-50 % 65-75% Αέρια 30-35% 9-13% Υψηλή παραγωγή βιο-ελαίου (~ 500 ο C) Επιπλέον πλεονεκτήµατα Βιο- έλαιο Οργανικά ~ 75% Υγρασία ~ 25% HHV Ενεργειακή πυκνότητα ~ 17 MJ/kg ~ 20 GJ/m 3 4 x της βιοµάζας Οµογενοποιηµένο καύσιµο Χαµηλή περιεκτικότητα σε ανόργανα Αποδοτική µεταφορά και αποθήκευση Agnion Energy Inc. 2008 4

Laboratory of Steam Boilers and Thermal plants, NTUA Παράδειγμα: Ενεργειακή πυκνότητα 2 GJ/m3 25 GJ/m3 36 GJ/m3 www.bioliq.de Agnion Energy Inc. 2008 Assist. Prof. Dr.- Ing. S. K5 arellas

Ο2 (+Ατμός) Καθαρισμός και προετοιμασία αερίου Αεριοποίηση σε υψηλή πίεση Θραύση βιομάζας Φίλτρο σωματιδίων Καθαρισμός Καταλύτης Απομάκ- ρυνση νερού και CO 2 Ταχεία πυρόλυση Παραγωγή καυσίμων Σύνθεση DME Αποκεντρωμένα Κεντρικά Agnion Energy Inc. 2008 6

Για µικρότερες µονάδες η παραγωγή βιοελαίου δεν είναι συµφέρουσα Το κόστος παραγωγής βιοελαίου ελαχιστοποιείται για µεγαλύτερες µονάδες Για µεγαλύτερες ποσότητες βιοελαίου συµφέρει η µεταφορά του µε αγωγό Μέγεθος µονάδας πυρόλυσης R cr Κόστος C 1 Κόστος C 2 R o C 2 C 1 R cr = οριακή ακτίνα για την οποία τα κόστη C 1, C 2 εξισώνονται Agnion Energy Inc. 2008 7

0,04 /KWh th 0,02 0,04 /KWh th 0,02 Απευθείας μεταφορά βιομάζας Κεντρική μεταφορά Αγορά βιομάζας 0 100 200 300 400 500 R o (km) Απευθείας μεταφορά βιομάζας Κεντρική μεταφορά Αγορά βιομάζας 0 100 200 300 400 500 R o (km) 0,04 /KWh th 0,02 0,04 0,02 0 Αγορά βιομάζας 100 200 300 400 500 R o (km) /KWh th Μετατροπή σε βιοέλαιο και μεταφορά του Κεντρική μεταφορά Συντήρηση και λειτουργία Κόστος επένδυσης Συλλογή βιομάζας Κεντρική μεταφορά Συντήρηση και λειτουργία Κόστος επένδυσης 0 Αγορά βιομάζας 100 200 300 400 500 R o (km) Woodchips Απόδοση πυρόλυσης 76% Τελικό κόστος βιομάζας (100-500 km) /kwh th Τελικό κόστος βιοελαίου (100-500 km) /kwh th Μετατροπή σε βιοέλαιο και μεταφορά του Συλλογή βιομάζας Μίσχανθος Απόδοση πυρόλυσης 85% Τελικό κόστος βιομάζας (100-500 km) /kwh th Τελικό κόστοςβιοελαίου (100-500 km) /kwh th 0.015-0.024 0.030-0.035 0.014-0.026 0.026-0.030 Agnion Energy Inc. 2008 8

Παραγωγή Ενέργειας με πυρόλυση- αεριοποίηση: ΑΕΡΙΟΠΟΙΗΣΗ Αποκεντρωμένη συμπαραγωγή ηλεκτρισμού - Θερμότητας P el Q Th Agnion Energy Inc. 2008 10

Αποκεντρωμένοι θερμικοί σταθμοί 1000 ΑΗΣ Μηχανές για υγρά και αέρια καύσιμα Μηχανές και για στερεά καύσιμα Ισχύς [MW] Μικρές Μηχανές απαιτούν αέρια καύσιμα 100 10 1 0,1 0,01 ORC Ατμο- μηχανή S@rling Αεριοστρόβιλοι Μικροστρόβιλοι Αεριομηχανές Κυψέλες καυσίμου Συνδυασμένος κύκλος 0 20 40 60 80 Βαθμός απόδοσης [%] Agnion Energy Inc. 2008 11

Βασικό πρόβλημα αεριοποίησης ΠΙΣΣΕΣ «Αραιό αέριο» πρέπει να ψυχθεί κάτω από τους 70 C... Οι υψηλότεροι υδρογονάνθρακες συμπυκνώνονται στις σωληνώσεις και τις βάνες (Κυρίως κατά την έναυση και το σβήσιμο της εγκατάστασης!) Ανθρακένια Τολουένιο CH 3 Ναφθαλίνη CH4 O CHO Φουρφουράλια OH Φενόλη Φλάντζα σωλήνωσης αερίου Παράδειγμα: Αποθέσεις πισσών/ εξανθρακώματος μετά από «αεριοποίηση» στους 550 C Πηγή Πάνων μέρος αεριοποιητή Καπάκι κυκλώνα παραγόμενου αερίου Agnion Energy Inc. 2008 12

Δυνατές λύσεις: Φλάντζα σωλήνωσης αερίου Πάνων μέρος αεριοποιητή Παράδειγμα: Αποθέσεις πισσών/ εξανθρακώματος μετά από «αεριοποίηση» στους 550 C 1. Αεριοποίηση «Χωρίς πίσσες» Θερμοκρασία αεριοποίησης >> 1000 C (Θερμική διάσπαση πισσών) 2. Απομάκρυνση των πισσών Πλύση αερίου με νερό (επιβαρυμένα απόνερα) Πλύση αερίου με διαλύτες (π.χ. Βενζίνη, RME) Καταλυτική διάσπαση πισσών Ηλεκτροστατικό φίλτρο (επιβαρυμένη σκόνη) 3. Συστήματα με ζεστό καθαρισμό και καύση του αερίου Συστήματα με αεριοστρόβιλους... Συστήματα με κυψέλες καυσίμου υψηλής θερμοκρασίας... Καπάκι κυκλώνα παραγόμενου αερίου και αλλοθερμική αεριοποίηση... Agnion Energy Inc. 2008 13

Αυτοθερμική αεριοποίηση 100 % Χηµική ενέργεια 70-85 % Αλλοθερμική αεριοποίηση 134 % Χηµική ενέργεια 122 % Βιομάζα 100 % Αεριοποιητής Αισθητή θερµότητα 15-30 % Αέριο 100 % (Hu 2 000-5 000 kj/kg) Ορισμός βαθμός απόδοσης κρύου αερίου Αξιολογεί τη χημική ενέργεια του αερίου Βιομάζα 100 % Αεριοποιητή ς Θερμότητα 30% Αισθητή θερµότητα 12% 64 % Θάλαµος καύσης 70 % Αέριο 70 % (Hu > 10 000 kj/kg) Agnion Energy Inc. 2008 14

Ζώνη συμπύκνωσης Απελευθέρωση θερμότητας (Αναγεννητή) Κυκλοφορία συμπυκνώματος ατμός Laboratory of Steam Η τεχνολογία: Boilers and Thermal plants, NTUA Biomass Heatpipe Reformer (BioHPR) Αναγεννητής Ζώνη ατμοποίησης Πρόσδοση θερμότητας (Θάλαμος καύσης) Θάλαμος καύσης Φίλτρο Άμμου Heatpipes Agnion Energy Inc. 2008 15

Παράδειγμα εγκατάστασης στην Κρήτη Οικονομική παράμετρος Τιμή Κόστος αγοράς βιομάζας 90 /ξηρό τόνο Θερμογόνος ικανότητα βιομάζας LHV 16,2 GJ th /ξηρό τόνο Φόρος ΟΤΑ επί ακαθάριστων εσόδων 3% Πληθωρισμός τιμής καυσίμου 1,5% Δείκτης τιμών καταναλωτή 1,5% Επιτόκιο χρηματαγοράς 8% Χρόνος ζωής επένδυσης 20 έτη Μέθοδος απόσβεσης Γραμμική Δάνειο 75% του κόστους επένδυσης Χρόνος αποπληρωμής δανείου 15 έτη Επιτόκιο δανεισμού 8% Φορολογικός συντελεστής 26% Agnion Energy Inc. 2008 16

Παράδειγμα εγκατάστασης στην Κρήτη Agnion Energy Inc. 2008 17

Παραγωγή Ενέργειας με πυρόλυση- αεριοποίηση: ΑΕΡΙΟΠΟΙΗΣΗ Αποκεντρωµένη παραγωγή Βιο-SNG Αγωγός Φυσικού αερίου Agnion Energy Inc. 2008 19

Αποθέµατα Φυσικού αερίου Εξάρτηση της Ευρώπης από ένα µοναδικό προµηθευτή φυσικού αερίου στο µέλλον! ΛΥΣΗ: Παραγωγή ανανεώσιµου αερίου SNG: Substitude Natural Gas Υποκατάστατο Φυσικού Αερίου Agnion Energy Inc. 2008 20

SNG από Βιομάζα; ü Με την παραγωγή SNG- από βιομάζα μπορεί να καταναλωθεί η ενέργεια κεντρικά ü Μπορεί να γίνει εκμετάλλευση της βιομάζας σε αποκεντρωμένα συστήματα πιο αποδοτικά και με λιγότερες εκπομπές σωματιδίων Agnion Energy Inc. 2008 21

Εφαρμογή : Αποκεντρωμένη παραγωγή SNG Heatpipe- Reformer Εγκατάσταση μεθανοποίησης Βιομάζα Παραγόμενο αέριο Υποκατάστατο φυσικού αερίου (SNG) Θερμότητα Θερμότητα Αναβάθμιση βιομάζας σε SNG Αποκεντρωμένες μικρές εγκαταστάσεις CO 2 - ουδέτερο (ελαχιστοποίηση των εκπομπών λόγω μεταφοράς και του κόστους) Ασφάλεια εφοδιασμού από τοπικές παραγωγές βιομάζας Απεξάρτηση από ορυκτές πηγές ενέργειας Agnion Energy Inc. 2008 22

Μελέτη περίπτωσης: Στερεά Ελλάδα Agnion Energy Inc. 2008 23

Αποτελέσματα Ø SNG μετατροπή = 60% σε βάση κατώτερης θερμογόνου ικανότητας Ø 1,363,373MWh SNG σε HHVμπορεί να παραχθεί από τις εγκαταστάσεις που περιγράφηκαν Ø Η κατανάλωση φυσικού αερίου στην Ελλάδα το 2009 ήταν 36,260,290MWh Ø Αυτό σημαίνει ότι το 3.8% του εισαγόμενου αερίου μπορεί να υποκατασταθεί από τοπικό SNG Ø ΑΛΛΑ... Agnion Energy Inc. 2008 24

Agnion Energy Inc. 2008 25

Laboratory of Steam Boilers and Thermal plants, NTUA Ευχαριστώ πολύ για την προσοχή σας Agnion Energy Inc. 2008 Assist. Prof. Dr.- Ing. S. 26 Karellas