Transcript
5. ΒΙΟΜΑΖΑ 5.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ο όρος βιομάζα, ή βιόμαζα, δεν είναι ακριβής χημικός όρος. Χρησιμοποιείται συνήθως για να υποδηλώσει τις εξής κατηγορίες υλικών: 1. Υποπροϊόντα και κατάλοιπα φυτικής, ζωικής, δασικής και αλιευτικής παραγωγής (άχυρα, φύλλα, στελέχη, κοπριά, θάμνοι, καρποί). 2. Παραπροϊόντα της βιομηχανικής επεξεργασίας των προϊόντων αυτών (φλούδες, πυρήνες, πίττες, απόβλητα σφαγείων, τυρόγαλα, απόβλητα χαρτοποιίας, απόβλητα βιομηχανίας επεξεργασίας ξύλου). 3. Αστικά απόβλητα, στερεά (σκουπίδια) και υγρά (λύματα). 4. Προϊόντα φυσικών δασών και ειδικών φυτειών δασικού ή γεωργικού τύπου με στόχο την παραγωγή ενέργειας (ενεργειακές φυτείες). Πρόκειται δηλ. για υλικά φυτικής ή ζωικής προέλευσης που αντιμετωπίζονται σαν ενεργειακοί πόροι. Η βιομάζα σχηματίζεται από τη φωτοσυνθετική μετατροπή της ηλιακής ενέργειας και αφθονεί στον πλανήτη μας. Η βιομάζα που παράγεται κάθε χρόνο υπολογίζεται σε 1,72x10 11 tn ξηρής ύλης με ενεργειακό περιεχόμενο 1,4x10 11 ΤΙΠ. Η ενέργεια αυτή είναι δεκαπλάσια από την ενέργεια που καταναλώνεται σε ολόκληρο τον κόσμο και είναι ίση με τα γνωστά αποθέματα ορυκτών καύσιμων. Το τεράστιο αυτό ενεργειακό δυναμικό παραμένει κατά το μεγαλύτερο μέρος ανεκμετάλλευτο. Το μέγιστο της βιομάζας παρατηρείται στα τροπικά δάση και το ελάχιστο στους ωκεανούς. Στην παραγωγή βιομάζας στις ηπείρους τα δάση συνεισφέρουν κατά 68%, οι σαβάνες και τα λιβάδια 16% και τα καλλιεργούμενα εδάφη κατά 8%. Βέβαια οι αναλογίες αυτές διαφέρουν σε εθνικές κλίμακες. Η βιομάζα δεν είναι νέα πηγή ενέργειας. Είναι ο πρώτος ενεργειακός πόρος που χρησιμοποίησε ο άνθρωπος και ίσως ο σημαντικότερος ενεργειακός πόρος μέχρι την βιομηχανική επανάσταση. Μέχρι το 1880 το ξύλο σαν πηγή ενέργειας ήταν κυρίαρχο στην παγκόσμια κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας. Στην εικόνα ΒΜΖ-1, όπου παρίσταται ποσοστιαία η κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας στις ΗΠΑ κατά την περίοδο , φαίνεται η κυριαρχία του ξύλου σε ποσοστά πάνω από 50% έως τα τέλη του 19 ου αιώνα. Για τους περισσότερους από τους κατοίκους του πλανήτη μας οι παραδοσιακές πηγές θερμότητας για θέρμανση και μαγείρεμα ήταν και συνεχίζουν να είναι τα ξύλα, τα στελέχη φυτών, τα άχυρα και τα απορρίμματα ζώων. Σήμερα το 20% της κατανάλωσης ενέργειας στις αναπτυσσόμενες χώρες καλύπτεται από προϊόντα ξύλου. ΒΜΖ-1. Αλλά και για μια σειρά βιομηχανικές χώρες η βιομάζα, με τη μορφή αγροτικών και δασικών παραπροϊόντων, αποτελεί ακόμη και σήμερα ένα σημαντικό ενεργειακό πόρο. Εικόνα ΒΜΖ-1: Κατανομή της χρήσης ενέργειας στις ΗΠΑ ανά μορφή την περίοδο Στην χώρα μας η βιομάζα έως τον Β Παγκόσμιο Πόλεμο κάλυπτε πάνω από το 50% των ενεργειακών αναγκών (εικόνα ΒΜΖ-2). Σήμερα η βιομάζα καταναλώνεται στον οικιακό και εμπορικό τομέα με την μορφή καυσόξυλων, ξυλάνθρακα και γεωργικών παραπροϊόντων και (το 2009) κάλυπτε το 4,1% των συνολικών αναγκών της χώρας μας σε ενέργεια τελικής χρήσης. Το ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τη βιομάζα πηγάζει από το γεγονός ότι υπάρχει η δυνατότητα παραγωγής καυσίμων σε μορφές αξιοποιήσιμες από τη σημερινή τεχνολογία, χωρίς ανάγκη για σοβαρές τροποποιήσεις της. Για το λόγο αυτό η βιομάζα μπορεί να παίξει ρόλο γέφυρας για τη μετάβαση από το σημερινό πετρελαϊκό κόσμο στον, πιθανά ηλιακό , του αύριο. Έτσι μετά την πετρελαϊκή κρίση των αρχών της δεκαετίας του '70 μια σειρά από χώρες προγραμμάτισαν την αύξηση της συμμετοχής της βιομάζας στα ενεργειακά τους ισοζύγια. Πρέπει να τονίσουμε εδώ ότι η βιομάζα μπορεί και έμμεσα να επιδράσει θετικά στα ενεργειακά ισοζύγια. Η υποκατάσταση σε πολλές εφαρμογές, όπως στις κατασκευές, μεταλλικών αντικείμενων που απαιτούν πολλαπλάσιες ποσότητες ενέργειας για την κατασκευή τους, με ξύλινα, συντελεί στην εξοικονόμηση ενέργειας με παράλληλη βελτίωση σε πολλές περιπτώσεις της προσφερόμενης υπηρεσίας. Μια άλλη σημαντική ιδιομορφία της βιομάζας είναι ότι οι περισσότερες μορφές της είναι κατάλοιπα -παραπροϊόντα, απόβλητα- της εν γένει δραστηριότητας του ανθρώπου και η αντιμετώπισή τους σαν ενεργειακός πόρος εντάσσεται σε ένα ευρύτερο, και από πολλές πλευρές σημαντικότερο, πεδίο - αυτό της προστασίας του περιβάλλοντος. Η χρήση της βιομάζας έχει άμεση σχέση και με μια σειρά άλλα ζητήματα, πέρα από αυτό της προστασίας του περιβάλλοντος, όπως το επισιτιστικό ή της παροχής πρώτων υλών. Έτσι η αξιοποίηση της βιομάζας είναι ένα ζήτημα πολυσύνθετο. ΒΜΖ-2. Εικόνα ΒΜΖ-2: Ποσοστά συμμετοχής διαφόρων μορφών ενέργειας στη συνολική εγχώρια διάθεση ενέργειας στην Ελλάδα κατά την περίοδο ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Η βιομάζα είναι δευτερογενής ηλιακή ενέργεια. Η ηλιακή ενέργεια μετασχηματίζεται από τα φυτά μέσω της φωτοσύνθεσης. Οι βασικές πρώτες ύλες που χρησιμοποιούνται είναι το νερό και ο άνθρακας που είναι άφθονα στη φύση. ΒΜΖ-3. Φωτοσύνθεση ΑΠΘ, Τμ. Μηχανολόγων Μηχανικών, ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ - Σημειώσεις, Γ. Τσιλιγκιρίδης Η φωτοσυνθετική διαδικασία γίνεται στους χλωροπλάστες των πράσινων μερών των φυτών. Η διαδικασία καθώς και οι βιοχημικές αντιδράσεις είναι πολύπλοκες, αλλά τελικά μπορούν να παρασταθούν με την γενική εξίσωση: CO 2 + H 2 O + 8hv (ηλιακή ακτινοβολία) (CH 2 O) + O 2 ΒΜΖ-1 Δηλαδή στη διαδικασία αναγωγής ενός μορίου CO 2 προς βιομάζα και οξείδωσης του μορίου του νερού σε οξυγόνο χρειάζονται 8 φωτόνια κατάλληλης ενέργειας (λ 700 nm). Η φωτοσύνθεση αρχίζει με την απορρόφηση των φωτονίων στους χλωροπλάστες, που δρουν σαν κεραίες συλλογής της ενέργειας. Το σύστημα αυτό στα φυτά έχει αναπτυχθεί σε εκατομμύρια χρόνια και είναι σχεδόν τέλεια προσαρμοσμένο στις συνθήκες του περιβάλλοντος, όπως η φωτεινή ένταση, ησυγκέντρωση CO 2 στην ατμόσφαιρα, κτλ. Από το ηλιακό φάσμα τα φυτά χρησιμοποιούν αποτελεσματικά μόνο το μέρος εκείνο που περιλαμβάνεται στα μήκη κύματος από 400 έως 700 nm. Τα φωτόνια με λ 700 nm (υπέρυθρο μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας, που είναι περίπου το 50% της ολικής) δεν είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν επειδή έχουν χαμηλή ενέργεια. Η φωτοσυνθετικά ενεργή ακτινοβολία (PAR - Photosynthetically Active Radiation) αποτελεί περίπου το 43% της ολικής ηλιακής ακτινοβολίας (εικόνα ΒΜΖ-3). Εικόνα ΒΜΖ-3: Η φωτοσυνθετικά ενεργή ακτινοβολία (PAR - Photosynthetically Active Radiation) Η PAR δεν απορροφάται ολόκληρη από τα φυτά. Ένα μέρος της ακτινοβολίας ανακλάται, κυρίως στο φύλλωμα, ένα μέρος απορροφάται από μη φωτοσυνθετικό ιστό και ένα μέρος φθάνει στο έδαφος σαν διάχυτη ακτινοβολία. Στην καλύτερη περίπτωση οι απώλειες αυτές είναι τουλάχιστον 20%. Από τη συνολική ηλιακή ενέργεια απομένει το πολύ το 34% (0,80*0,43=0,34) για τη φωτοσυνθετική διαδικασία. Όμως τα φωτόνια που απορροφούνται, χρησιμοποιούνται ενεργειακά μόνο κατά ένα μέρος και η μέγιστη δυνατή θεωρητική φωτοσυνθετική απόδοση είναι 9,8%. Η απόδοση αυτή ισχύει για ένα φυτό που φτιάχνει μόνο υδατάνθρακες σε άριστες συνθήκες φωτισμού, θερμοκρασίας, κτλ. Παράλληλα όμως, τα φυτά πρέπει να αναπτυχθούν, παράγουν μια μεγάλη ποικιλία μορίων απαραίτητων για τη φυσιολογία τους και επίσης διαπνέουν, μετατρέπουν ΒΜΖ-4. δηλαδή, μέρος του σχηματισθέντος CH 2 O σε CO 2. Υπολογίζεται ότι η διαπνοή καταναλώνει το 1/3 των αρχικών προϊόντων της φωτοσύνθεσης. Άρα για ένα αναπτυσσόμενο φυτό η τελική θεωρητική απόδοση μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε βιομάζα είναι 6,6%, (0,098*0,667=0,066). Όμως κατά μέσο όρο η απόδοση στο σύνολο των φυτών δεν υπερβαίνει το 5%. Στον πίνακα ΒΜΖ-1 φαίνεται η μέγιστη φωτοσυνθετική απόδοση διαφόρων φυτών, καθώς και η ετήσια μέγιστη, για συνθήκες ηλιακής ακτινοβολίας της περιοχής της Μεσογείου καθώς και η μάζα της παραγόμενης ξηρής βιομάζας. Τα φυτά C4 έχουν μεγαλύτερη φωτοσυνθετική απόδοση και δεν παρουσιάζουν φωτοδιαπνοή και έτσι είναι κατάλληλα για παραγωγή βιομάζας. Επίσης προσαρμόζονται ευκολότερα σε φτωχά και ξηρά εδάφη. Από τα δένδρα τα πιο κατάλληλα για παραγωγή βιομάζας είναι ο ευκάλυπτος, η λεύκη και η συκομουριά. Ανήκουν στην κατηγορία C3. Έχουν δε το πλεονέκτημα να αναπτύσσονται και το καλοκαίρι παρά την έλλειψη βροχής. Πίνακας ΒΜΖ-1: Φωτοσυνθετική απόδοση και παραγωγή ξηρής βιομάζας για συνθήκες ηλιακής ακτινοβολίας της περιοχής της Μεσογείου. Είδος Φυτού Απόδοση ενεργειακής μετατροπής [%] I. Μέγιστος ρυθμός αύξησης (για μικρά χρονικά διαστήματα) Φυτά C4 θεωρητικά υπολογισμένη Καλαμπόκι Σόργο (Sudan grass) Napier grass Ζαχαροκάλαμο Φυτά C3 ΙΙ. Φυτά C4 Φυτά C3 Ζαχαρότευτλο Alfa alfa Chlorella Μέγιστος ετήσιος ρυθμός αύξησης Σόργο (Sudan grass) Ζαχαροκάλαμο Καλαμπόκι Φύκια (algae) Ευκάλυπτος Ζαχαρότευτλα Alfa alfa 6,6 3,2 3,2 2,4 2,4 1,9 1,4 1,7 0,9 2,8 0,8 1,6 1,4 0,85 0,73 Παραγωγή ξηρής βιομάζας [gr/m²/d] Σε πολλές περιπτώσεις οι περιοριστικοί παράγοντες για την παραγωγή της βιομάζας είναι κυρίως η έλλειψη κατάλληλων εκτάσεων και νερού. Με την εφαρμογή μεθόδων της Γενετικής Μηχανικής μπορούν να αναπτυχθούν ποικιλίες φυτών με κριτήριο την ποσότητα της παραγόμενης ολικής βιομάζας. Τα φύκια αποτελούν μια πολλά υποσχόμενη κατηγορία βιομάζας για το μέλλον. Τα υδρόβια φυτά εμφανίζουν ένα δυναμικό παραγωγής ανώτερο από εκείνο των φυτών του εδάφους και επειδή δεν ΒΜΖ-5. έχουν περιοριστικό πρόβλημα ποτίσματος αλλά και επειδή η τεράστια μάζα των ωκεανών είναι ανεκμετάλλευτη από την άποψη της φυτικής παραγωγής. Τα φύκια μπορούν να χρησιμοποιηθούν και στην βιολογική παραγωγή υδρογόνου με φωτοσύνθεση. Οι μέθοδοι αυτές, προς το παρόν, απαιτούν περαιτέρω ανάπτυξη. Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της βιομάζας Βασικό πλεονέκτημα της βιομάζας είναι ότι είναι ανανεώσιμη πηγή ενέργειας και ότι παρέχει ενέργεια αποθηκευμένη με μορφή χημική. Η αξιοποίησή της μπορεί να γίνει με μετατροπή της σε μια μεγάλη ποικιλία προϊόντων, με διάφορες μεθόδους και τη χρήση σχετικά απλής τεχνολογίας. Επίσης στο ενεργητικό της καταλογίζεται και το ότι κατά την παραγωγή και την μετατροπή της δεν δημιουργούνται περιβαλλοντολογικά προβλήματα. Από την άλλη σαν μορφή ενέργειας η βιομάζα χαρακτηρίζεται από πολυμορφία, χαμηλό ενεργειακό περιεχόμενο (σε σύγκριση με πετρέλαιο, κάρβουνο) λόγω χαμηλής πυκνότητας και/ή υψηλής περιεκτικότητας σε νερό, εποχικότητα, μεγάλη διασπορά, κτλ, ιδιότητες που συνεπάγονται δυσκολίες στη συλλογή, μεταφορά και αποθήκευσή της. Σαν συνέπεια το κόστος μετατροπής της σε μορφές ενέργειας πιο κατάλληλες για εύκολη και πλατειά χρησιμοποίηση παραμένει αρκετά υψηλό. Κατηγορίες βιομάζας Η πολυμορφία της βιομάζας μας υποχρεώνει να κάνουμε κάποιου είδους ταξινόμηση των διάφορων μορφών της που να βοηθά στην καλύτερη εξέτασή της. Με βάση την πηγή προέλευσης οι βασικότερες κατηγορίες βιομάζας είναι οι παρακάτω. α) Κτηνοτροφικά απόβλητα β) Γεωργικά παραπροϊόντα γ) Δασική βιομάζα δ) Αστικά απορρίμματα 5.3. ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ Η βιομάζα για να αξιοποιηθεί ως πηγή ενέργειας πρέπει συνήθως να μετατραπεί σε μορφή κατάλληλη για την τελική χρήση. Οι μέθοδοι μετατροπής διακρίνονται σε θερμοχημικές (ξηρές) και βιοχημικές (υγρές) (εικόνα ΒΜΖ-3). Η επιλογή της μεθόδου μετατροπής προσδιορίζεται από τα βασικά στοιχεία, που είναι η σχέση C/N και η περιεχόμενη υγρασία την ώρα της συλλογής της. Οι θερμοχημικές διεργασίες χρησιμοποιούνται για τα είδη της βιομάζας με σχέση C/N 30 και υγρασία 50%, δηλαδή για τα προϊόντα και τα υπολείμματα της κυτταρίνης. Στις διεργασίες αυτές περιλαμβάνονται: α) Η απευθείας καύση. β) Η πυρόλυση. γ) Η αεριοποίηση. δ) Η υδρογονοδιάσπαση. Οι βιοχημικές διεργασίες ονομάζονται έτσι επειδή είναι αποτέλεσμα μικροβιακής δράσης. Χρησιμοποιούνται για είδη της βιομάζας με σχέση C/N 30 και υγρασία 50%, δηλαδή για προϊόντα και υπολείμματα κυρίως λαχανικών, κτηνοτροφικά απόβλητα, κτλ. Στις βιοχημικές διεργασίες περιλαμβάνονται: α) Η αερόβια ζύμωση. β) Η αναερόβια ζύμωση. γ) Η αλκοολική ζύμωση. ΒΜΖ-6. Εικόνα ΒΜΖ-3: Οι μέθοδοι μετατροπής της βιομάζας ΒΜΖ-7. Καύση ΑΠΘ, Τμ. Μηχανολόγων Μηχανικών, ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ - Σημειώσεις, Γ. Τσιλιγκιρίδης Η καύση είναι η απλούστερη, και η παλαιότερη, από τις θερμοχημικές διεργασίες. Επιτυγχάνεται σε θερμοκρασίες 350 έως 800 C και παρέχει θερμότητα που στη συνέχεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί για παραγωγή ατμού, κινητικής ενέργειας ή τελικά ηλεκτρικής ενέργειας. Στην καύση εκτός από τα καυσόξυλα μπορούν να χρησιμοποιηθούν και τα γεωργικά παραπροϊόντα - άχυρα, καλάμια, κλαδοδέματα- καθώς και τα παραπροϊόντα των βιομηχανιών κατεργασίας ξύλου. Κατά την καύση του ξύλου δεν παράγεται σχεδόν καθόλου διοξείδιο του θείου, παράγονται όμως σε μεγαλύτερα επίπεδα άλλοι αέριοι ρύποι, όπως μονοξείδιο του άνθρακα, οξείδια του αζώτου, άκαυστοι αέριοι υδρογονάνθρακες και σωματίδια. Η απόδοση της καύσης βιομάζας κυμαίνεται σε σχετικά χαμηλά επίπεδα. Στα παραδοσιακά τζάκια η απόδοση είναι 5-25%, ενώ σε εστίες βιομηχανικού τύπου (εικόνα ΒΜΖ-4) φτάνει το 80%. 1. Θερμόμετρο. 2. Υποδοχή τοποθέτησης αισθητηρίων προαιρετικού πίνακα οργάνων (π.χ. χρησιμοποιείται σε περιπτώσεις που καίμε πετρέλαιο ή πελλέτα) 3. Υποδοχή 3/4 για τον θερμοστάτη ελέγχου αέρος (θερμοστατικός ρυθμιστής διαφράγματος αέρα) 12.Επιστροφή νερού 4. Χερούλι επάνω πόρτας από πλαστικό ασφαλείας. 5. Μαντεμένια σχάρα συγκράτησης καύσης ξύλων, διαρούμενη σε 2 τεμάχια 6..Πόρτα καθαρισμού στάχτης 2ης και 3ης διαδρομής. 7. Καμινάδα ρυθμιζόμενης κατέυθυνσης εξόδου 8. Διάφραγμα ρύθμισης ελκυσμού καπνοδόχου. 9. Στόμιο εξόδου καμινάδας σε Φ250 ή Φ Σημείο ανάρτησης λέβητα. 11. Εξοδος ζεστού νερού προς δίκτυο θέρμανσης ή δοχείο αδρανείας ή boiler 12. Κάθετοι αεραυλοί 2ης διαδρομής καυσαερίων 13. Καπάκι καθαρισμού αεραυλών με μόνωση 14. Υποδοχή σύνδεσης θερμοστατικής βαλβίδας ασφαλείας (προαιρετικά) 15. Είσοδος κρύου νερού συστήματος υδρόψυξης (προαιρετικά) 16. Υποδοχή γεμίσματος / αδειάσματος λέβητα Εικόνα ΒΜΖ-4: Σχηματική απεικόνιση λέβητα ξύλου ΒΜΖ-8. Πυρόλυση ΑΠΘ, Τμ. Μηχανολόγων Μηχανικών, ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ - Σημειώσεις, Γ. Τσιλιγκιρίδης Η πυρόλυση είναι η μη αντιστρεπτή χημική μεταβολή που προκαλείται στη βιομάζα με θέρμανση απουσία οξυγόνου. Κατά τη διαδικασία αυτή διασπώνται χημικοί δεσμοί και λαμβάνονται προϊόντα υψηλού ενεργειακού περιεχόμενου που μπορεί να είναι στερεά, υγρά ή αέρια. Η πυρόλυση γίνεται μέσα σε φούρνο υπό πίεση λίγο μεγαλύτερη από την ατμοσφαιρική και θερμοκρασία 500 C για την παραγωγή υγρού (βιοελαίου) ή μέχρι 700 C για την παραγωγή κυρίως βιοαέριου και βιοάνθρακα. Η θερμογόνος δύναμή τους είναι περίπου: βιοάνθρακας kcal/kg (25 MJ/kg), βιοέλαιο kcal/kg (27 MJ/kg) και βιοαέριο 10 kcal/lt (42 kj/lt). Υπάρχουν διάφοροι τύποι φούρνων πυρόλυσης, κατακόρυφοι (vertical shaft), οριζόντιοι (horizontal shaft), περιστροφικοί (rotary kilns) και ρευστοποιημένης κλίνης (fluidized beds). Πιο οικονομικός θεωρείται ο κατακόρυφος, στον οποίο η πρώτη ύλη προσάγεται από την κορυφή και κατακάθεται με την βαρύτητα. Τα αέρια από την πυρόλυση συγκεντρώνονται στην κορυφή του φούρνου και, αφού περάσουν από οξέα και αλκάλια για να απαλλαγούν από ανεπιθύμητες προσμίξεις, απάγονται με αγωγό προς το αεροφυλάκιο. Τα στερεά και υγρά προϊόντα συλλέγονται στον πυθμένα του φούρνου. Σε βιομηχανική κλίμακα έχουν παραχθεί άνθρακας και μεθανόλη με αποδόσεις 37% και 2%, αντίστοιχα, επί της πρώτης ύλης. Η πυρόλυση είναι παλιά τεχνική που χρησιμοποιήθηκε στο παρελθόν κύρια για την παραγωγή ξυλοκάρβουνου και μεθανόλης. Είναι πολύ ελαστική διαδικασία και μπορεί να εφαρμοστεί στη δασική βιομάζα, στα αγροτικά υπολείμματα και στα αστικά στερεά απόβλητα. Παρέχει τη δυνατότητα παρασκευής πολλών καυσίμων από μια ποικιλία πρώτων υλών, αλλά έχει και μια σειρά μειονεκτήματα, όπως η αδυναμία ακριβούς πρόβλεψης των προϊόντων της και η μείωση του χρόνου ζωής των δοχείων λόγω του συνδυασμού υψηλών θερμοκρασιών και διαβρωτικών προϊόντων. Εικόνα ΒΜΖ-5: Σχηματική απεικόνιση κατακόρυφης μονάδας πυρόλυσης ΒΜΖ-9. Aεριοποίηση ΑΠΘ, Τμ. Μηχανολόγων Μηχανικών, ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ - Σημειώσεις, Γ. Τσιλιγκιρίδης Με την αεριοποίηση επιδιώκεται η μετατροπή της βιομάζας σε αέριο. Κατά την αεριοποίηση, σε αντίθεση απ ότι στην πυρόλυση, η βιομάζα θερμαίνεται παρουσία περιορισμένων ποσοτήτων οξυγόνου ή αέρα με σκοπό την μέγιστη απελευθέρωση CO και H 2. Το μίγμα CO και H 2 είναι γνωστό σαν αέριο σύνθεσης (SNG). Όταν για την αεριοποίηση χρησιμοποιείται οξυγόνο τότε το παραγόμενο μίγμα δεν περιέχει άζωτο και η θερμογόνος δύναμή του είναι περίπου kcal/m 3 ( kj/m 3 ). Όταν για την αεριοποίηση χρησιμοποιείται αέρας, το παραγόμενο μίγμα αερίων περιέχει περίπου 40% Ν 2 και έχει μειωμένη θερμογόνο δύναμη, kcal/m 3 (7.120 kj/m 3 ), γι αυτό ονομάζεται και φτωχό αέριο. Μπορούμε να πούμε ότι σήμερα η αεριοποίηση δεν παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον από ενεργειακή άποψη. Συνήθως επιδιώκεται η μετατροπή του αέριου σύνθεσης σε πιο χρήσιμο προϊόν, όπως μεθανόλη, αμμωνία ή SNG. Yδρογονοδιάσπαση Κατά τη διεργασία αυτή, που λέγεται και υδροαεριοποίηση (hydrogasification), χρησιμοποιείται Η 2 το οποίο αντιδρά με τη βιομάζα για να παραχθούν μεθάνιο και αιθάνιο. Η διεργασία αυτή δεν παρουσιάζει ακόμη μεγάλο ενδιαφέρον από ενεργειακή άποψη. Aερόβια ζύμωση Η αερόβια ζύμωση, ή χώνευση, είναι μια βιοχημική διεργασία, κατά την οποία αερόβιοι μικροοργανισμοί παρουσία αέρα μετασχηματίζουν το οργανικό φορτίο των απόβλητων κύρια σε νέους μικροοργανισμούς, περίπου κατά 50%. Ο υψηλός αυτός ρυθμός ανάπτυξης των μικροοργανισμών οφείλεται στο ότι η χρησιμοποίηση του οξυγόνου τους παρέχει τη δυνατότητα αξιοποίησης της άφθονης ενέργειας. Τα αέρια προϊόντα που παράγονται συνίστανται κυρίως από CO 2. Η αερόβια επεξεργασία εφαρμόζεται κυρίως στα λύματα, αστικά ή κτηνοτροφικά, και παρουσιάζει ενδιαφέρον μόνο από πλευράς προστασίας του περιβάλλοντος, αφού και ενεργοβόρα είναι και τα τελικά της προϊόντα είναι χαμηλής ενεργειακής στάθμης. Κατά συνέπεια η αερόβια χώνευση δεν είναι κατάλληλη διεργασία για ενεργειακή αξιοποίηση της βιομάζας. Aναερόβια ζύμωση Η αναερόβια ζύμωση ή χώνευση (anaerobic digestion) είναι μια σύνθετη βιοχημική διεργασία, κατά την οποία διάφορες οργανικές ουσίες (ζωικά απορρίμματα, σκουπίδια, φύκια, κτλ) μετατρέπονται με τη βοήθεια αναερόβιων μικροοργανισμών σε αέρια προϊόντα, κυρίως μεθάνιο (CH 4 ) και διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ). Η αντίδραση μπορεί απλοποιημένα να παρασταθεί ως εξής: Οργανική ύλη + αναερόβιοι μικροοργανισμοί μικροβιακά κύτταρα + CO 2 + NH 3 + CH 4 + H 2 O + οξυγονούμενη οργανική ύλη ή από την σχέση ΒΜΖ-2 : 8xC x H y O z + (8x-2y-4z) H 2 O (4x-y+2z)xCO 2 + (4x+y-2z)xCH 4 ΒΜΖ-2 Κατά την αναερόβια χώνευση, σε αντίθεση με την αερόβια, οι μικροοργανισμοί δρουν σε ΒΜΖ-10. περιβάλλον ελλειμματικό σε οξυγόνο και έτσι αναπτύσσονται με μικρούς ρυθμούς. Το οργανικό φορτίο μετατρέπεται κυρίως σε αέρια προϊόντα (80-90%) και σε μικρό ποσοστό σε νέους μικροοργανισμούς. Η αναερόβια χώνευση απαιτεί μια σταθερή θερμοκρασία από 20 C έως 45 C. Η σύσταση του τελικού μίγματος αέριων αποτελείται κατά 50-70% από CH 4, ενώ το υπόλοιπο είναι κυρίως CO 2. Υπάρχουν επίσης πολύ μικρές ποσότητες Η 2 και άλλων αέριων. Ως τυπική σύνθεση του βιοαέριου θεωρείται 65% CH 4 και 35% CO 2 και η θερμογόνος δύναμη του είναι kcal/m 3. Πρέπει να σημειώσουμε ότι το άζωτο παραμένει στα υπολείμματα, που για το λόγο αυτό αποτελούν λίπασμα μεγάλης αξίας. Ο αναερόβιος χωνευτής είναι μια αεροστεγής δεξαμενή από υλικό ανθεκτικό στην διάβρωση και την υγρασία, όπως τσιμέντο, ειδικός χάλυβας ή fiberglass (εικόνα ΒΜΖ-6). Κατά τη λειτουργία του διακρίνουμε στο εσωτερικό του τέσσερις ζώνες, (εικόνα ΒΜΖ-7), τη ζώνη ζύμωσης και παραγωγής βιοαερίου, τη ζώνη της λάσπης στον πυθμένα του χωνευτήρα, τη ζώνη της κρούστας στην επιφάνεια των υγρών του χωνευτήρα και τη ζώνη συγκέντρωσης του βιοαερίου. Εικόνα ΒΜΖ-6: Παράσταση ενός ανεαρόβιου χωνευτή Εικόνα ΒΜΖ-7: Εσωτερικό ενός ανεαρόβιου χωνευτή ΒΜΖ-11. Εκτός από τον αναερόβιο χωνευτή μία τυπική εγκατάσταση παραγωγής βιοαερίου συμπληρώνεται με διάφορους βοηθητικούς χώρους και με κατάλληλο εξοπλισμό, στοιχεία απαραίτητα για την ομαλή λειτουργία της και την αξιοποίηση του παραγόμενου αερίου. Aλκοολική ζύμωση. Η διεργασία της αλκοολικής ζύμωσης είναι γνωστή από την αρχαιότητα. Η γλυκόζη παρουσία ζαχαρομυκήτων διασπάται και σχηματίζεται αιθυλική αλκοόλη, ή αιθανόλη (CH 3 CH 2 OH), κατά τη συνοπτική αντίδραση που δίνεται στη σχέση ΒΜΖ-3 . C 6 H 12 O 6 2 x CH 3 CH 2 OH + 2 x CO 2 ΒΜΖ-3 Αιθυλική αλκοόλη μπορούμε να πάρουμε, εκτός από την γλυκόζη, και από άλλα σάκχαρα, όπως φρουκτόζη, μανόζη, γαλακτόζη, μαλτόζη, κτλ. Επίσης πολλοί υδατάνθρακες (άμυλο, ξύλο, άχυρο) είναι δυνατόν να διασπασθούν σ
