Biomasa Ako Zdroj Energie

6,397 views

Published on

Published in: Education
0 Comments
1 Like
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

No Downloads
Views
Total views
6,397
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
279
Actions
Shares
0
Downloads
59
Comments
0
Likes
1
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Biomasa Ako Zdroj Energie

  1. 1. Ján Gaduš [email_address] SPU v Nitre Mechanizačná fakulta Biomasa ako zdroj energie
  2. 2. <ul><li>Obsah prezentácie: </li></ul><ul><li>Úvod </li></ul><ul><li>Biomasa a možnosti jej využitia </li></ul><ul><li>Zariadenia na výrobu bioplynu </li></ul><ul><li>Skúsenosti SPU </li></ul>
  3. 3. SÚČASNÝ STAV V ZÁSOBÁCH FOSÍLNYCH PALÍV: <ul><li>uhlie (224 rokov) </li></ul><ul><li>ropa (40 rokov) </li></ul><ul><li>zemný plyn (64 rokov) </li></ul><ul><li>British Petroleum (1999) </li></ul>Využívanie uránu – JADROVÉ ELEKTRÁRNE problém uskladnenia a spracovania vyhoreného paliva 1 Úvod
  4. 4. EKOLOGICKÉ DOPADY VYUŽÍVANIA FOSÍLNYCH PALÍV <ul><li>globálne klimatické zmeny </li></ul><ul><li>PRÍČINY: </li></ul><ul><li>emisie skleníkových plynov (nárast teploty na Zemi) </li></ul><ul><li>(0,3 ˚C/ 10 rokov) - CO 2 - spaľovanie fosílnych palív </li></ul><ul><li>- odlesňovanie </li></ul><ul><li>- CH 4 - spaľovanie uhlia </li></ul><ul><li>emisie síry (kyslé dažde) </li></ul>
  5. 5. BUDÚCNOSŤ....??? <ul><li>Návrat k „aktivitám“ našich predkov: </li></ul><ul><li>VYUŽÍVANIE OBNOVITEĽNÝCH ZDROJOV </li></ul><ul><li>ENERGIE </li></ul><ul><li>teplo slnka (solárna energia) </li></ul><ul><li>sila vetra (veterná energia) </li></ul><ul><li>sila prúdenia vody (energia vodných tokov) </li></ul><ul><li>geotermálna energia </li></ul><ul><li>energia biomasy </li></ul>
  6. 6. Vyu žitie energie biomasy BIOMASA – chemicky zakonzervovaná slnečná energia <ul><li>Formy biomasy pre energetické účely: </li></ul><ul><li>pevná (drevo, rastlinné zvyšky, slama...) </li></ul><ul><li>kvapalná (metanol, etanol) </li></ul><ul><li>plynná (drevoplyn, BIOPLYN) </li></ul>
  7. 7. B iomasa - jeden z najčistejších zdrojov energie, CO 2 vyprodukovaný pri spracovaní biomasy rastliny spotrebujú na svoj rast (emisie CO 2 do ovzdušia = 0, CO 2 - neutrálna) <ul><li>Využitie biomasy: </li></ul><ul><li>produkcia tepla </li></ul><ul><li>produkcia elektrickej energie </li></ul><ul><li>produkcia „chladu“ </li></ul>Podiel biomasy na produkcii tepla
  8. 8. Výhody využívania biomasy na energetické účely <ul><li>ekonomický rozvoj vidieka </li></ul><ul><li>efektívnejšie využívanie pôdy </li></ul><ul><li>zníženie emisií skleníkových plynov (CO 2 , CH 4 ) </li></ul><ul><li>zníženie emisií síry </li></ul>Nevýhody využívania biomasy na energetické účely <ul><li>rýchly rozklad všetkých druhov biomasy v normálnych </li></ul><ul><li>podmienkach </li></ul><ul><li>menej vhodné na skladovanie </li></ul><ul><li>nízka energetická hustota </li></ul>
  9. 9. Graf č.1 : Podiel jednotlivých druhov palív na výrobe elektrickej energie na Slovensku
  10. 10. Graf č.2 : Zastúpenie foriem OZE na Slovensku
  11. 11. Graf č.3 : Podiel druhov biomasy a ich súčasné energetické využitie
  12. 12. Zdroj: Zelená správa Ministerstvo pôdohospodárstva SR, 2004 Významný podiel energeticky využiteľnej biomasy je produkovaný v poľnohospodárstve a potravinárstve Výroba a využitie bioplynu na Slovensku
  13. 13. <ul><li>TSÚP v Rovinke kvantifikoval potenciál výroby bioplynu na Slovensku takto: </li></ul><ul><li>z exkrementov hospodárskych zvierat - spolu 277 mil. m 3 bioplynu čo predstavuje energetický ekvivalent 1,95 TWh alebo 6,9 PJ. </li></ul><ul><li>spolu s energetickými plodinami z nevyužívanej poľnohospodárskej pôdy, ktorá v roku 2003 predstavovala cca 100 000 ha je podľa TSÚP teoreticky možné vyrobiť z poľnohospodárskej biomasy 46,5 PJ energii. Táto hodnota až 5 násobne prevyšuje súčasnú spotrebu energii v poľnohospodárskom sektore SR. </li></ul>Zdroj: Zelená správa Ministerstvo pôdohospodárstva SR, 2005 Tab. Výmera využívanej poľnohospodárskej pôdy SR
  14. 14. Tab. Prehľad základných údajov poľnohospodárskych bioplynových staníc Inštalovaný výkon KW el.energii 6x138 hnojovica ošípaných vlastná spotreba 1995 65 hnojovica HD + energet. plodiny vlastná spotreba 1998 22 hnojovica HD vlastná spotreba 2001 PPD Brezov VPP SPU, s.r.o. Kolíňany Bioplynová stanica Zdroj Využitie energií Začatie prevádzky AGROBAN, s.r.o. Bátka STIFI Hurbanovo 270 kukuričná siláž 2005 predaj 100 + 40 hnojovica HD predaj 2005 PD Kapušany
  15. 15. Vývoj počtu bioplynových staníc v poľnohospodárstve počet bioplynových staníc inštalovaný výkon (MW) Prehľad počtu poľnohospodárskych bioplynových staníc SRN (december 2005)
  16. 16. Tab. Percentuálne zastúpenie výkonových kategórií poľnohospodárskych bioplynových staníc v SRN 6 %  500 kW el. 11 % 250 – 500 kW el. 24 % 100 – 250 kW el. 28 % 50 – 100 kW el. 29 %  50 kW el. Rozdelenie bioplynových staníc v Nemecku podľa inštalovaného elektrického výkonu
  17. 17. Tab. Porovnanie počtu poľnohospodárskych bioplynových staníc v niektorých krajinách EU 760 61 80 Taliansko 200 29 150 Rakúsko 513 40 78 Dánsko 216 650 3000 Nemecko Priemerný výkon na 1 BPS kW Celkový inštalovaný výkon MW Počet BPS Krajina
  18. 18. 2 Biomas a a možnosti jej využitia Elektrina Teplo Pohonné hmoty Suroviny pre chemickú výrobu Mazadlá Potraviny Krmivá Vláknina , izolačný materiál BIOMASA Nábytok , stavebný materi á l, p apier
  19. 19. Využitie rastlín ako energetickej slnečnej elektrárne a zásobníka energie (F otosynt éza) Svetlo Voda CO 2 O 2 Biomas a E PS CC KH
  20. 20. Rozdelenie biomasy Biomasa – substancia biologického pôvodu (pestovanie rastlín, chov živočíchov, organické odpady) Biomasa – zámerne pestovaná ako výsledok výrobnej činnosti Biomasa – ako odpad z poľnohospodárskej, potravinárskej a lesnej výroby, z komunálneho hospodárstva, z údržby krajiny
  21. 21. Biomasa využiteľná na energetické účely Rozdelenie: 1. fytomasa s vysokým obsahom lignocelulózy 2. fytomasa olejnatých plodín 3. fytomasa s vysokým obsahom škrobu a cukru 4. organické odpady a vedľajšie produkty živočíšneho pôvodu 5. zmesi rôznych organických odpadov
  22. 22. Spôsoby využitia biomasy na energetické účely Spôsob využitia – predurčujú fyzikálne a chemické vlastnosti biomasy Procesy – mokré (hranica 50% sušiny) – suché Získavanie energie z biomasy: a) termochemická premena (suché procesy) - spaľovanie - splyňovanie - pyrolýza
  23. 23. Získavanie energie z biomasy: b) biochemická premena (mokré procesy) - alkoholické kvasenie - metánové kvasenie c) fyzikálna a chemická premena - mechanická úprava ( štiepenie, drtenie, lisovanie, briketovanie, peletovanie, mletie) - chemická úprava (esterifikácia surových olejov) d) získavanie odpadného tepla pri spracovaní biomasy (kompostovanie, aerobne čistenie odpadných vôd, anaeróbna fermentácia a pod.
  24. 24. Tab. Spôsoby konverzie biomasy na energiu glycerín metylester, biooleje esterifikácia bioolejov fyzikálno-chemická konverzia fermentovaný substrát teplo viazané na nosič aeróbna fermentácia fermentovaný substrát bioplyn anaeróbna fermentácia biochemická konverzia (mokré procesy) dechtový olej, pevné horľavé zbytky generátorový plyn pyrolýza dechtový olej, uhl í k a té palivo generátorový plyn splyňovanie popol teplo viazané na nosič spaľovanie termochemická koverzia (suché procesy) Odpadný materiál alebo druhotná surovina Energetický výstup Spôsob konverzie biomasy Typ konverzie biomasy
  25. 25. ROZDELENIE POĽNOHOSPODÁRSKEJ BIOMASY
  26. 26. ENERGETICKÉ VYUŽITIE POĽNOHOSPODÁRSKEJ BIOMASY VHODNEJ NA SPAĽOVANIE
  27. 27. Biomasa vhodná na výrobu bioplynu Bioplyn je možné získavať zo všetkých druhov biomasy: - fytomasa - organické odpady a vedľajšie produkty živočíšneho pôvodu - zmes rôznych organických odpadov Bioplyn je produkt anaeróbnej fermentácie vlhkých organických materiálov, ktorého hlavnými komponentami sú metán a kysličník uhličitý.
  28. 28. Zloženie bioplynu <ul><li>Metán 40-75 % </li></ul><ul><li>Oxid uhličitý 25-55 % </li></ul><ul><li>Vodná para 0-10 % </li></ul><ul><li>Dusík 0-5 % </li></ul><ul><li>Kyslík 0-2 % </li></ul><ul><li>Vodík 0-1 % </li></ul><ul><li>Amoniak 0-1 % </li></ul><ul><li>Sírovodík 0-1 % </li></ul>
  29. 29. Metán v bioplyne vzniká pri tzv. metanogénnej fermentácii organických substrátov rozkladom: - polysacharidov - lipidov - proteinov Pri rozklade proteinov (bielkovín) so do bioplynu uvoľňujú sírnaté zložky (napr. sírovodík), ktorý je treba pred použitím plynu odstraňovať. Rozkladom lipidov (tukov) sa dosahuje najvyššej výťažnosti (produkcie bioplynu).
  30. 30. Rozklad polysacharidov zvlášť obsiahnutých vo fytomase býva hlavným zdrojom látok pre tvorbu metánu. Jedna z hlavných stavebných prvkov fytomasy – lignín – je z hľadiska metanogenezie balastným materiálom a na tvorbe metánu sa takmer nezúčastňuje, pokiaľ nie je fyzikalno-chemickými procesmi predspracovaný.
  31. 31. Reakčná schéma tvorby metánu: <ul><li>(štvorfázový model reakcie, ktorý zostavil v roku 1986 Nordberg) </li></ul><ul><li>Hydrolýza – makromolekuly organických zlúčenín sú prostredníctvom enzýmov hydrolýznych baktérií rozkladané na nižšie zložky. </li></ul><ul><li>Acidogénna (kyselinotvorná) fáza – medziprodukty hydrolýzy sa ďalej rozkladajú prostredníctvom acidogénnych baktérií na organické kyseliny (kyselina octová, propiónová alebo maslová), na nižšie alkoholy, aldehydy, vodík, CO2 a ďalšie plyny ako amoniak a sírovodík. </li></ul><ul><li>Acetogénna fáza – medziprodukty predchádzajúceho stupňa sú ďalej transformované pomocou acetogénnych baktérií na kyselinu octovú. </li></ul><ul><li>Metanogénna fáza - metánové baktérie štiepia kyselinu octovú na metán (CH4), oxid uhličitý (CO2) a vodu. Vodík (H2) a  (CO2) sú redukované na metán a vodu. </li></ul>
  32. 32. Reakčná schéma tvorby metánu - Nordberg 1986 1. stupeň Štiepenie makromolekúl uhľohydráty tuky bielkoviny cukry mastné kyseliny aminokyseliny zásady karboxylová kyselina plyny alkoholy Metán Kysličník uhličitý kyselina octová vodík kysličník uhličitý 2. stupeň Kvasenie produktov štiepenia Hnojovica Maštaľný hnoj Bioodpady 3. stupeň Tvorba metanogénnych substrátov 4. stupeň Tvorba bioplynu Bioplyn Hydrolitické baktérie Acidogénne baktérie Acetogénne baktérie Metanogénné baktérie
  33. 33. Obecné vlastnosti materiálov vhodných pre anaeróbnu fermentáciu: <ul><li>Malý obsah anorganických zložiek (popolovín) </li></ul><ul><li>Vysoký podiel biologicky rozložiteľných látok (spracovávajú sa predpripravené – homogenizované zmesy materiálov) </li></ul><ul><li>Optimálny obsah sušiny (v závislosti od použitej technológie – pri pevných substrátoch 22 – 25%, v prípade tekutých substrátov 8 až 14%. Obsah sušiny pod 3% - negatívna energická bilancia) </li></ul><ul><li>Hodnota pH (kyslosť alebo zásaditosť) – ideálny stav pH = 7 až 7,8 (neutrálna hodnota) </li></ul>
  34. 34. Obecné vlastnosti materiálov vhodných pre anaeróbnu fermentáciu: <ul><li>Pomer uhlikatých a dusikatých látok v substráte. Ideálny pomer C : N = 30 : 1. Vysoký obsah dusikatých látok – negatívny vplyv na zloženie bioplynu – amoniak, oxid dusný, atď. Materiály s vysokým obsahom N – exkrementy všetkých druhov hospodárskych zvierat. Opačný extrém – vysoký obsah uhlíka C – materiály rastlinného pôvodu. Vhodné je preto miešať materiály – kofermentácia. </li></ul><ul><li>Neprítomnosť antibiotík ako aj zložiek materiálu, u ktorých prebehol hnilobný proces. </li></ul><ul><li>Dlhodobé skladovanie a nevhodná manipulácia znižuje vhodnosť materiálov k anaeróbnej fermentácii </li></ul>
  35. 35. Vý ť a ž ok bioplynu z rôznych druhov substrátov
  36. 36. Produkcia výkalov a vý ť a ž ok bioplynu od jednotlivých druhov zvierat: 0,009 0,02 Kurčatá (1,1 kg) 0,009 0,02 Brojler (0,8 kg) 32 0,016 0,25 0,036 Nosnice (2,2 kg) Hydina (priemer) 600 0,3 18,5 1,3 Kanci (250 kg) 400 0,2 8,5 0,5 Výkrm (70 kg) 60 0 0,3 14 1 Prasnice (170 kg) Ošípané (priemer) 600 0,3 12,5 1,25 Teľatá 1 80 0 0,9 35 3,5 Jalovice (330 kg) 3 400 1,7 60 6 Dojnice (550 kg) Hovädzí dobytok (priemer) Vyprodukovaná elektrická energia (kWh/rok) Vyprodukované množstvo bioplynu (m 3 /deň) Výkaly celkom priemerne (kg/deň) Sušina vo výkaloch vrátane moču (kg/deň) Kategória zvierat
  37. 37. Kukurica pri výrobe bioplynu PRODUKCIA KUKURI Č NEJ SILÁ ŽE A ENERGETICKÁ HODNOTA SH – SUCHÁ HMOTA OSH – ORGANICKÁ SUCHÁ HMOTA 1 m 3 bioplynu = 5,5 kWh 28.600 – 44.490 Energetická hodnota kWh.ha -1 5.200 – 8.090 Produkcia bioplynu m 3 . ha -1 450 – 700 Produkcia bioplynu m 3 .t -1 , OSH (85 % OSH) 85 - 95 Obsah OSH % 13,6 Výnos siláž t SH. ha -1 (32 % SH) 42,5 Výnos t.ha -1 Kukurica
  38. 38. <ul><li>Požiadavky na kukuričnú siláž pre produkciu bioplynu: </li></ul><ul><ul><li>maximálny výnos bioplynu – zber v čase optimálnej silážovateľnosti (obsah suchej hmoty okolo 30% v celej rastline) </li></ul></ul><ul><ul><li>vhodné odrody kukurice – stredne neskoro dozrievajúce druhy krmnej kukurice </li></ul></ul>
  39. 39. <ul><li>Výhody kukuričnej siláže pre produkciu bioplynu: </li></ul><ul><li>kukurica na siláž má najvyšší výnosový potenciál z hektára </li></ul><ul><li>existujú technologicky optimalizované systémy pestovania, zberu, konzervácie, skladovania a prepravy </li></ul>
  40. 40. 3. Zariadenia na výrobu bioplynu Základné časti zariadenia pre produkciu bioplynu z tekutých substrátov: <ul><li>homogenizačná nádrž - slúži ako zásobník a na prípravu vstupného substrátu </li></ul><ul><li>fermentor (bioreaktor) – dimenzuje sa podľa denného množstva vstupného substrátu a času zdržania, prebieha tu anaeróbny rozklad substrátu a tvorí sa bioplyn </li></ul><ul><li>plynojem – slúži na skladovanie najnutnejšej prevádzkovej rezervy bioplynu, dimenzuje sa na pol až jednodňovú produkciu bioplynu </li></ul><ul><li>zberná nádrž  spracovaného substrátu – slúži ako konečný sklad vyhnitého substrátu a dimenzuje sa pre skladovaciu kapacitu na 180 až 200 dní </li></ul>
  41. 41. Typické usporiadanie zariadenia pre produkciu bioplynu z tekutých substrátov Vstupný substrát Miešanie Fermentor Izolácia Odlučovač vody Zberná nádrž Homogen. nádrž Ohrev Ohrev Kalové čerpadlo Plynojem
  42. 44. Horizontálny fermentor (objemy 50 až 150 m 3 ) Ohrev Plynový dóm Ramená mixéru Výstup Motor Vstup
  43. 45. Schéma vertikálneho fermentora poľnohospodárskej bioplynovej stanice (objemy do 1 000 m 3 ) Dvojitá membrána Plynojem Miešadlo Vstup Výstup Ohrev
  44. 46. Schéma veľkokapacitného fermentora vhodného pre priemyselné bioplynové stanice (objem fermentora až do 5 000 m 3 ) Výnenník tepla Miešanie Výstup Vstup
  45. 49. Základne rozsahy používaných teplôt vo fermentoroch: Zmiešané kultúry baktérií zú č ast ň ujúcich sa procesu anaeróbneho rozkladu m ôž eme z h ľ adiska teploty procesu rozdeli ť na: <ul><li>psychrofilné teplota 15 až  20  C </li></ul><ul><li>mezofilné teplota 30 a ž 40˚C) </li></ul><ul><li>termofilné baktérie teplota 50 a ž 75˚C) </li></ul><ul><li>(Braun, 1982; Lucke, 2002) </li></ul>
  46. 50. 4. Skúsenosti SPU <ul><li>Bioplynová stanica SPU v prevádzke od novembra 2000. </li></ul><ul><li>Parametre: </li></ul><ul><li>objem fermentora 100 m 3 </li></ul><ul><li>typ fermentora horizontálny </li></ul><ul><li>doba zdržania 20 dní </li></ul><ul><li>objem dohnívacej nádrže 670 m 3 </li></ul><ul><li>inšatlovaný elektrický výkon 22 kW </li></ul>
  47. 51. <ul><li>p rojektovan ý výkon - vyu ž itie exkrementov od 80 VDJ </li></ul><ul><li>kogenera č n á výrob a energie - elektrickej - 22 kW </li></ul><ul><li>- tepelnej - 45 kW </li></ul><ul><li>celkov á zastavaná ploch a cca 1350 m 2 </li></ul>B ioplynov á stanica v Kolí ň anoch
  48. 52. Experimenty s kofermentáciou Sledované parametre: <ul><li>Vstupný substrát: chemická spotreba kyslíka (CHSK), celkový obsah dusíka (Ncelk.), organické zaťaženie fermentora (OZF), obsah suchej hmoty (% SH) </li></ul><ul><li>Substrát vo fermentore: hodnota pH, teplota (t), obsah mastných kyselín ( C MK ), obsah suchej hmoty (% SH), obsah amoniakáln ych ión ov NH 4 + </li></ul><ul><li>Bioplyn: denná produkcia, obsah CH 4 , CO 2 , H 2 S, H 2 , O 2 , N 2 </li></ul>
  49. 53. 27.09. 20 04 – 18.11. 20 04 90 % vol. hnojovice, 10 % silá ž ovanej trávy VI 0 4.08. 20 04 – 20.09. 20 04 92,3 % vol. hnojovice, 7,7 % vol. kuchynských odpadkov V 0 7.06. 20 04 – 19.07. 20 04 90 % vol. hnojovice, 10 % vol. č erstvej trávy IV 24.04. 20 04 – 26.05. 20 04 60 % vol. hnojovice, 40 % vol. silá ž ovanej kukurice III 23.03. 20 04 – 23.04. 20 04 40 % vol. hnojovice, 60 % vol. silá ž ovanej kukurice II 21.11. 20 03 – 0 8.03. 20 04 100 % vol. hnojovice I Trvanie meraní Pou ž itý substrát Fáza
  50. 54. Schéma experimentálneho zariadenia
  51. 55. Pohľad na experimentálne zariadenie
  52. 56. Pohľad na experimentálne zariadenie
  53. 57. Výsledky analýz vzoriek bioplynu a jeho dennej produkcie 3,6 338 43 56,7 90 % CM + 10 % GS VI 2,97 319 41 59 92,3 % CM + 7,7 % KW V 1,273 81 44,5 55,4 90 % CM + 10 % FG IV 7,126 141 44 55,1 60 % CM + 40 % CS III 8,29 53 41 55,6 40 % CM + 60 % CS II 4,8 158 39,07 55,77 CM I P G (m N 3 .d -1 ) H 2 S (ppm) CO 2 (% vol.) CH 4 (% vol.) Použitý substrát Fáza
  54. 58. Porovnanie dennej produkcie bioplynu
  55. 59. Ukážky bioplynových staníc - SR <ul><li>Bioplynová stanica STIFI Hurbanovo </li></ul><ul><li>objem fermentora 2450 m 3 </li></ul><ul><li>inštalovaný el. výkon 272 kW </li></ul><ul><li>vstupný substrát – kukuričná siláž 20 t/d </li></ul>
  56. 60. Ukážky bioplynových staníc - SR Bioplynová stanica PD Kapušany pri Prešove - objem fermentora 450 m3 - inštalovaný el. výkon 100 kW - vstupný substrát – maštaľný hnoj kukuričná siláž 23 t/d
  57. 61. Ukážky bioplynových staníc - SR Bioplynová stanica SPU Kolíňany <ul><li>Bioplynová stanica SPU Kolíňany </li></ul><ul><li>objem fermentora 100 m 3 </li></ul><ul><li>inštalovaný elektrický výkon 22 kW </li></ul><ul><li>vstupný substrát hnojovica od ošípaných, maštalný hnoj 5t/d </li></ul>
  58. 62. Výroba elektrickej energie kogeneráciou <ul><li>Výhody: </li></ul><ul><li>vysoká účinnosť výroby elektrickej energie (do 34%) </li></ul><ul><li>vysoká účinnosť získavania tepelnej energie (do 60%) </li></ul><ul><li>celková účinnosť - viac ako 85% </li></ul><ul><li>Efektívnosť: </li></ul><ul><li>úspora paliva až 40% oproti klasickej výrobe tepla a elektriny </li></ul><ul><li>ročné využitie 5 až 6 tisíc hodín </li></ul><ul><li>návratnosť investícií 5 až 7 rokov </li></ul>
  59. 63. Ďakujem za pozornosť !

×