BIOMASSZA ENERGETIKAI CÉLÚ HASZNOSÍTÁSÁNAK VIZSGÁLATA ÉLETCIKLUS-ELEMZÉSSEL Bodnár István III. éves PhD hallgató Miskolci Egyetem, Gépészmérnöki és Informatikai Kar, Sályi István Gépészeti Tudományok Doktori Iskola IX. Életciklus-elemzési (LCA) Szakmai Rendezvény Miskolc, 2014. December 1-2.
A biomassza A biomassza kifejezése egy nagyon tág értelemben meghatározott fogalom, ami a Földön megtalálható összes élő tömeget jelenti. Más nézetből, az energetikailag hasznosítható növényekre, a termésre, a melléktermékekre, valamint a növényi és állati hulladékokra használják. Magyarországon jogi fogalmát a 2010. évi CXVII. törvény határozza meg (1. 3.): biomassza: a mezőgazdaságból - a növényi és állati eredetű anyagokat is beleértve, erdőgazdálkodásból és a kapcsolódó iparágakból, többek között a halászatból és az akvakultúrából - származó, biológiai eredetű termékek, hulladékok és maradékanyagok biológiailag lebontható része, valamint az ipari és települési hulladék biológiailag lebontható része A biomassza egy olyan energiaforrás, amely megújulásra képes, de véges mennyiségben áll rendelkezésünkre, ezért hasznosítása csak korlátozott keretek között valósítható meg! Túlzott kiaknázása a környezet elhasználódásához vezet! 2/20
Magyarország megújuló energiaforrás-potenciálja Megújuló energiahordozó típus Lehetőség [PJ] (MTA Megújuló Energia Albizottság felmérése) Jelenleg hasznosított [PJ] Hasznosítási arány [%] Napenergia 1.838 0,1 5,44 10-3 Vízenergia 14,4 0,7 4,86 Geotermia 63,5 3,6 5,67 Biomassza 203-328 49,2 15,00-24,25 Szélenergia 532,8 0,16 3,00 10-2 Összesen 2.651,7-2.776,7 53,8 1,94-2,02 Összehasonlításként: Magyarország teljes villamosenergia-fogyasztása 155,88 PJ volt 2013-ban, aminek csak 7 %-a származott megújuló energiaforrásból! 3/20
Magyarország elsődleges biomassza-potenciálja Elsődleges Teljes biomassza Energetikai potenciál biomassza potenciál [PJ/év] [%] [PJ/év] Erdőterület 160 39 62 főtermék 140 40 56 melléktermék 20 30 6 Növénytermesztés 780 17 34 132-265 főtermék 410 10 20 40-80 melléktermék 370 25 50 92-185 Összesen 940 28 43 269-402 Magyarország erdőterületének aránya 20 %. Hazánk faállománya mintegy 330 millió m 3, ennek köszönhetően évente közel 11 millió m 3 a fanövekmény. Az éves megengedett kihasználtság 3,33 %.
Biomassza (energetikai célú) hasznosítása Fagáz, biogáz 5/20
Égetés és gázosítás A gázosítási technológia lehetőséget ad arra, hogy a szilárd tüzelőanyagból gáz halmazállapotú energiahordozót állítsunk elő. A technológia főbb végterméke a szintézisgáz, ami szén-monoxidban és hidrogénben gazdag gázelegy. Az 1790-es években kezdték alkalmazni tűzifa és szén átalakítására. A szintézisgázt közvilágításra és fűtési energia előállítására használták. Technológia Hőmérséklet [ C] Légfeleslegtényező Segédáram Égetés 850 1200 λ > 1 Levegő Gázosítás 600 1200 0,5 λ 0,7 Levegő; Vízgőz Végtermék Füstgáz, hamu, pernye Szintézisgáz, hamu, pernye 6/20
Rankine-Clausius Körfolyamat Technikai körfolyamatok Diesel Körfolyamat
Biomassza-gázosítás modellezése Az egyszerűsített modellegyenlet a tömegmegmaradás tétele alapján a következő: CH k O l + n H 2 O + m O 2 + 3,76 m N 2 = x 1 H 2 + x 2 CO + x 3 H 2 O + x 4 CO 2 + 3.76 m N 2 Elhanyagolt tagok: x 5 CH 4 + z O 2 Ahol: n a biomassza egy mólnyi karbon-tartalmára vonatkoztatott nedvességtartalma (a biomassza átlagos nedvességtartalma ~20±2 %); m a moláris oxigénigény; x 1 a keletkező nyers szintézisgáz moláris hidrogéntartalma, x 2 a szén-monoxidtartalma; x 3 a vízgőztartalma és x 4 a szén-dioxidtartalma; x 5 a metántartalma; z oxigéntartalma; A kezdeti és peremérték-feltételek: Karbon egyensúly: 1 = x 2 + x 4 Hidrogén egyensúly: k + 2 n = 2 x 1 + 4 x 3 Oxigén egyensúly: l + n + 2 m = x 2 + x 3 + 2 x 4 Víz-gáz reakció egyensúlyi állandó: 8/20
Vizsgált fafajták Erdeifenyő Bükkfa Kínai Császárfa Akácfa Tölgyfa Nyárfa Energiafűz
Fagáz energetikai tulajdonságai levegő gázosító közeggel Fajlagos fagáztermelés [Nm 3 /kg fa ] Erdeifenyő Bükk Nyárfa Tölgyfa Akác Energiafűz Kínai császárfa 2,98 3,16 3,16 3,25 2,92 3,02 2,88 Fagáz fajlagos fűtőértéke [MJ/Nm 3 ] 5,60 5,46 5,45 5,38 5,40 5,31 5,31 5,23 5,20 5,00 4,96 4,80 4,60 Energiaátalakítási hatásfok [%] 95,00 89,99 90,00 85,00 83,42 82,61 82,61 82,45 82,61 80,00 75,95 75,00 70,00 10/20
Fajlagos nettó villamosenergia-termelés kwh e / kg fa 1,80 1,60 1,40 1,20 1,58 1,63 1,63 Égetés Gázosítás 1,57 1,55 1,54 1,51 1,00 0,80 0,81 0,85 0,85 0,88 0,74 0,80 0,78 0,60 0,40 0,20 0,00 Erdeifenyő Bükkfa Nyárfa Tölgyfa Akác Energiafűz Kínai császárfa 11/20
Az életciklus-elemzés paraméterei Rendszerhatár: A biomassza, és a villamos erőmű normál üzemvitele során termelt villamos energia teljes életciklusára vonatkoztatva. Funkcionális egység: 1 kwh villamosenergia-termelés Üzemállapot és kihasználtság: Normál állandósult üzemviteli állapot. Évi 75,34 %-os teljesítmény-kihasználtság. Értékelési módszer: CML 2001, 2010. novemberi Vizsgált környezeti hatáskategóriák: GWP HTP ODP AP ADP fossil EP 12/20
Globális felmelegedési potenciál gramm CO 2 - egyenérték / kwh e 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 Égetés Gázosítás 0,00 Erdeifenyő Bükkfa Nyárfa Tölgyfa Akác Energiafűz Kínai császárfa 13/20
Abiotikus kimerülő fosszilis források MJ / kwh e Égetés Gázosítás 4,50E-01 4,00E-01 3,50E-01 3,00E-01 2,50E-01 2,00E-01 1,50E-01 1,00E-01 5,00E-02 0,00E+00 Erdeifenyő Bükkfa Nyárfa Tölgyfa Akác Energiafűz Kínai császárfa 14/20
Humán Toxicitási Potenciál gramm DCB- egyenérték / kwh e Égetés Gázosítás 200,00 180,00 160,00 140,00 120,00 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 0,00 Erdeifenyő Bükkfa Nyárfa Tölgyfa Akác Energiafűz Kínai császárfa 15/20
Ózonbontó képességgel rendelkező gázok kibocsátása gramm R11- egyenérték / kwh e 4,00E-12 3,50E-12 3,00E-12 2,50E-12 2,00E-12 1,50E-12 1,00E-12 5,00E-13 Égetés Gázosítás 0,00E+00 Erdeifenyő Bükkfa Nyárfa Tölgyfa Akác Energiafűz Kínai császárfa 16/20
Savasodási Potenciál gramm SO 2 - egyenérték / kwh e Égetés Gázosítás 2,00E-03 1,80E-03 1,60E-03 1,40E-03 1,20E-03 1,00E-03 8,00E-04 6,00E-04 4,00E-04 2,00E-04 0,00E+00 Erdeifenyő Bükkfa Nyárfa Tölgyfa Akác Energiafűz Kínai császárfa 17/20
Eutrofizációs Potenciál gramm Foszfát- egyenérték / kwh e 1,80E-04 1,60E-04 1,40E-04 1,20E-04 1,00E-04 8,00E-05 6,00E-05 4,00E-05 2,00E-05 0,00E+00 Égetés Gázosítás Erdeifenyő Bükkfa Nyárfa Tölgyfa Akác Energiafűz Kínai császárfa 18/20
Következtetések és célkitűzések Magyarország jelentős megújuló energiaforrás-potenciállal rendelkezik, aminek csak elenyésző hányadát hasznosítja. A fás szárú biomassza gázosítása nem csak villamos-energetikailag, hanem környezetvédelmi szempontok szerint is kedvezőbb megoldás, mint a hagyományos égetés. Az intenzívebb növekedésű fafajtákkal jelentős szén-dioxidmegtakarítás érhető el, mindemellett a szennyezett talaj kármentesítésében is kiemelkedő szerepet játszanak. Jövőbeli célom gázosítási kísérletek végzése, nem csak biomassza, hanem települési és ipari szilárd hulladékok kezelésére vonatkozóan. 19/20
Köszönöm a figyelmet! A kutató munka a Miskolci Egyetem stratégiai kutatási területén működő Innovációs Gépészeti Tervezés és Technológiák Kiválósági Központ keretében teljesül. Elérhetőségek: Cím: 3515 Miskolc- Egyetemváros, Miskolci Egyetem, Energetikai és Vegyipari Gépészeti Intézet, Vegyipari Gépészeti Intézeti Tanszék Telefon: 06-46-565-111 mellék: 19-39, Telefon/Fax: 06-46-565-168 E-mail: vegybod@uni-miskolc.hu Web: http://vgt.uni-miskolc.hu IX. Életciklus-elemzési (LCA) Szakmai Rendezvény Miskolc, 2014. december 1-2.