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 Lehetőség [PJ] Megújuló Jelenleg (MTA Megújuló Hasznosítási energiahordozó hasznosított Energia Albizottság arány [%] típus [PJ] felmérése) 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 biomassza Erdőterület főtermék melléktermék Növénytermesztés főtermék melléktermék Összesen
Teljes biomassza potenciál [PJ/év] 160 140 20 780 410 370 940
Energetikai potenciál [%] [PJ/év] 39 62 40 56 30 6 17 – 34 132-265 10 – 20 40-80 25 – 50 92-185 28 – 43 269-402 Magyarország erdőterületének aránya 20 %. Hazánk faállománya mintegy 330 millió m3, ennek köszönhetően évente közel 11 millió m3 a fanövekmény. Az éves megengedett kihasználtság 3,33 %.
Biomassza (energetikai célú) hasznosítása
•
5/20
Fagáz, biogáz
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
Végtermék
Égetés
850 – 1200
λ>1
Levegő
Füstgáz, hamu, pernye
Gázosítás
600 – 1200
0,5 ≤ λ ≤ 0,7
Levegő; Vízgőz
Szintézisgáz, hamu, pernye
6/20
Technikai körfolyamatok Rankine-Clausius Körfolyamat
Diesel Körfolyamat
Biomassza-gázosítás modellezése Az egyszerűsített modellegyenlet a tömegmegmaradás tétele alapján a következő: CHkOl + n·H2O + m·O2 + 3,76·m·N2 = x1·H2 + x2·CO + x3·H2O + x4·CO2 + 3.76·m·N2 Elhanyagolt tagok: x5·CH4 + z·O2 Ahol: n a biomassza egy mólnyi karbon-tartalmára vonatkoztatott nedvességtartalma (a biomassza átlagos nedvességtartalma ~20±2 %); m a moláris oxigénigény; x1 a keletkező nyers szintézisgáz moláris hidrogéntartalma, x2 a szén-monoxidtartalma; x3 a vízgőztartalma és x4 a szén-dioxidtartalma; x5 a metántartalma; z oxigéntartalma;
A kezdeti és peremérték-feltételek: Karbon egyensúly: 1 = x2 + x4 Hidrogén egyensúly: k + 2·n = 2·x1 + 4·x3 Oxigén egyensúly: l + n + 2·m = x2 + x3 + 2·x4 Víz-gáz reakció egyensúlyi állandó:
8/20
Vizsgált fafajták Erdeifenyő
Bükkfa
Tölgyfa
Kínai Császárfa
Nyárfa
Akácfa Energiafűz
Fagáz energetikai tulajdonságai levegő gázosító közeggel Fajlagos fagáztermelés [Nm3/kgfa] Erdeifenyő Bükk 2,98
3,16
Nyárfa Tölgyfa Akác Energiafűz 3,16
3,25
2,92
Fagáz fajlagos fűtőértéke [MJ/Nm3] 5,60 5,40 5,20 5,00 4,80 4,60
5,46
5,45 5,31 5,31
5,38 5,23
4,96
Kínai császárfa
3,02
2,88
Energiaátalakítási hatásfok [%] 95,00
90,00
82,61 85,00 83,42 82,61 80,00 75,95 75,00 70,00
10/20
89,99 82,45
82,61
Fajlagos nettó villamosenergia-termelés kWhe / kgfa 1,80 1,60
Égetés 1,58
1,63
1,63
1,57
1,55
Gázosítás 1,54
1,51
1,40 1,20
1,00 0,80
0,81
0,85
0,85
0,88
Bükkfa
Nyárfa
Tölgyfa
0,74
0,80
0,78
0,60 0,40 0,20 0,00 Erdeifenyő
11/20
Akác
Energiafűz
Kínai császárfa
Az életciklus-elemzés paraméterei Rendszerhatár: A biomassza, és a villamos erőmű normál üzemvitele során termelt villamos energia teljes életciklusára vonatkoztatva.
Üzemállapot és kihasználtság: Normál állandósult üzemviteli állapot. Évi 75,34 %-os teljesítmény-kihasználtság.
Funkcionális egység: 1 kWh villamosenergia-termelés
Értékelési módszer: CML 2001, 2010. novemberi
GWP AP
Vizsgált környezeti hatáskategóriák: HTP ADP fossil 12/20
ODP EP
Globális felmelegedési potenciál gramm CO2- egyenérték / kWhe
Égetés
Gázosítás
60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00
Erdeifenyő
Bükkfa
Nyárfa
Tölgyfa
13/20
Akác
Energiafűz
Kínai császárfa
Abiotikus kimerülő fosszilis források Égetés
MJ / kWhe
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
14/20
Akác
Energiafűz
Kínai császárfa
Humán Toxicitási Potenciál gramm DCB- egyenérték / kWhe
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
15/20
Akác
Energiafűz
Kínai császárfa
Ózonbontó képességgel rendelkező gázok kibocsátása gramm R11- egyenérték / kWhe
Égetés
Gázosítás
4,00E-12 3,50E-12 3,00E-12 2,50E-12
2,00E-12 1,50E-12 1,00E-12 5,00E-13 0,00E+00
Erdeifenyő
Bükkfa
Nyárfa
Tölgyfa
16/20
Akác
Energiafűz
Kínai császárfa
Savasodási Potenciál gramm SO2- egyenérték / kWhe
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
17/20
Akác
Energiafűz
Kínai császárfa
Eutrofizációs Potenciál gramm Foszfát- egyenérték / kWhe
Égetés
Gázosítás
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
Erdeifenyő
Bükkfa
Nyárfa
Tölgyfa
18/20
Akác
Energiafűz
Kínai császárfa
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:
[email protected] Web: http://vgt.uni-miskolc.hu
IX. Életciklus-elemzési (LCA) Szakmai Rendezvény Miskolc, 2014. december 1-2.
