Efektywność biopaliw
pierwszej generacji
Cena [$]
Bilans
Energetyczny
Zmniejszenie
Emisji Gazów
Cieplarnianyc
h [%]
Etanol -
kukurydza
3,71
1,3
22
Etanol – trzcina
cukrowa
3,88
8
56
Etanol -
celuloza
?
≥2
91
Biodiesel
6,73
2,5
68
Efektywność biopaliw
pierwszej generacji
Legenda:
Cena – koszt wytworzenia energii
odp. jednemu galonowi benzyny lub
oleju napędowego
Bilans Energetyczny - stosunek
energii uzyskanej ze spalania do
energii zużytej na wytworzenie
tożsamej ilości energii
Energia z biomasy
•
Rośliny energetyczne: trawy, drewno,
uprawy rolne i wodne
•
Odpady rolnicze i leśne: trociny,
odpady powstające przy wycince lasów
•
Odpady przemysłowe i komunalne
•
Aktualnie pokrywa 12 % globalnego
zapotrzebowania na energię
•
w krajach „rozwijających się” – 40–50%
Energia biomasy
Bezpośrednie spalanie
Efektywność 10 - 30%
Alternatywne sposoby
produkcja paliw ciekłych
produkcja paliw gazowych
produkcja wodoru
Produkcja wodoru
Około 50 milinów ton w roku 2004
roczny wzrost produkcji 10%
Głównie jako surowiec chemiczny
Konwencjonalne metody
produkcji wodoru
Reforming metanu lub innych
węglowodorów parą wodną
Zgazowanie surowców kopalnych i
reforming z parą wodną
Elektroliza wody (80% koszty energii
– w technologiach proekologicznych –
energia wiatru)
Reforming metanu parą
wodną
CH4 + H2O ------ CO + 3H2
CO + H2O ----- CO2 + H2
Temperatura powyżej 850 °C
Wysokie zapotrzebowanie energii
Surowiec, który jest paliwem!!!
Gaz syntezowy
Mieszanina tlenku węgla i wodoru:
otrzymywany w wyniku reformingu metanu lub
zgazowania węgla parą wodną
niekiedy zawiera znaczne ilości azotu i niewielkie
CO2
surowiec podstawowy przemysłowych syntez
chemicznych:
amoniaku
metanolu
benzyny syntetycznej
innych
Zgazowanie paliw
kopalnych
i reforming parą wodną
W pierwszym etapie spala się węgiel
lub ropę naftową do tlenku węgla
Drugi etap to reforming tlenku węgla
CO + H2O ----- CO2 + H2
Temperatura powyżej 850 °C
Wysokie zapotrzebowanie energii
Surowiec, który jest paliwem!!!
Produkcja wodoru z
biomasy
Piroliza biomasy
Zgazowanie i reforming biomasy
parą wodną
Biologiczne metody produkcji wodoru
Biofotoliza z wykorzystaniem alg
Ciemna fermentacja
Proces dwuetapowy ciemna-
fermentacja/foto-fermentacja
Piroliza biomasy
Piroliza biomasy
Temp. 650 – 800 K, ciśnienie 0,1-0,5 MPa,
środowisko beztlenowe
Biomasa ------ H2 + CO + CH4 +
inne
produkty
metan i tlenek węgla kieruje sie do reformingu
parą wodną
inne produkty:
stałe: węgiel i popioły
ciekłe: smoła, oleje, aceton, kwas octowy itd.
Koszty produkcji
9-15 $ /GJ
Zgazowanie i reforming
biomasy parą wodną
Temperatura powyżej 1000 K,
środowisko zawierające tlen
Biomasa + H2O ----- H2 + CO + CO2 +
CH4 +
inne produkty
inne produkty (skład zależy od warunków
reakcji):
stałe: węgiel aktywny
ciekłe: węglowodory lekkie i ciężkie
Koszty zgazowania i reformingu
biomasy
Reforming nadkrytyczną
H
2
O
Parametry krytyczne wody:
temp.
374,2 °C
ciśnienie 217, 6 bar
mechanizm nieznany
temp. 600 ° C,
ciśnienie 345 bar
nie wytwarza się węgiel
szacowane koszty
3 $ / GJ
Biofotoliza z
wykorzystaniem alg
Algi w toku fotosynezy rozszczepiają
wodę do tlenu i jonu wodorowego
Wytworzony jon wodorowy jest
przekształcany enzymatycznie do
wodoru przez
hydrogenazę
Mikroorganizmy muszą wykazywać
aktywność hydrogenazy – głównie
zielone algi – najważniejsza -
Chlamydomonas reinhardtii
Biofotoliza z
wykorzystaniem alg
Mikroorganizmy
wykorzystywane w
biofotolizie
Zielone algi:
Scenedemus obluguus, Chlorococcum littorale,
Platynomonas subcordiformis, Chlorella fusca
Cyjanobakterie:
Oscillatioria sp., Calothrix sp., Synechococcus
sp., Gloebacter sp., Anabaena sp.,
Tlen
wykazuje silny efekt
inhibitujący
w
stosunku do
hydrogenazy
Ciemna fermentacja
Produkcja wodoru
metodą ciemnej
fermentacji
Produkcja wodoru
metodą ciemnej
fermentacji
Ilość wodoru wytwarzanego metodą ciemnej
fermentacji zależy od:
pH (optymalnie 5-6)
czasu zatrzymania
nie może być zbyt duży (przedłużenie czasu retencji
z 0,5 do 3 dni obniża produktywność wodoru ze 198
do 34 mmol/l*dzień
ciśnienia cząstkowego wodoru
wzrost ciśnienia cząstkowego powoduje
przesunięcie reakcji w kierunku kwasów i innych zw.
organicznych
Mikroorganizmy
wykorzystywane w
ciemnej fermentacji
Głównie bezwględne beztlenowce
Rodzaje:
Clostridium, Enterobacter
, Thermoanaerobacterium,
Thermoanaerobacterium, Desulfotomaculum
Ciemna fermentacja
Proces dwuetapowy -
ciemna
fermentacja/fotofermenta
cja
Niektóre mikroorganizmy:
Rhodobacter sheroides, R. capsulants, Rhodovulum
sulfidophilum, Rhodopseudomonas palustris,
Rhodospirillum rubum, Rodopseudomonas palsutris
zdolne są w warunkach beztlenowych
konwertować kwasy organiczne do
wodoru i dwutlenku węgla
optymalne warunki:
pH = 7,0; temp. 30-35°C
Przykłady fotofermentacji
Proces dwuetapowy -
ciemna
fermentacja/fotofermen
tacja
Istotne parametry to:
naświetlenie
mieszanie (stosuje sie argon)
Mechanizm biologiczny procesu
polega na działaniu nitrogenazy
Fotofermentacja
Typy reaktorów do
procesu dwuetapowego
Foto-bioreaktor z
recyrkulacja gazu
1.
pompa
2.
zbiornik wytwarzanego
gazu
3.
naczynia ciśnieniowe
4.
zawór ciśnieniowy
5.
przepływomierz
6.
skraplacz
7.
elektroda pH
Reaktor typu air-lift
Reaktor rurowy
Foto-bioreaktor z
modułami zewnętrznymi
Teren upraw
energetycznych