Energija iz biomase

Obnovljivi izvori energije i održivi razvoj

Obnovljivi izvori energije

Definicije energije iz biomase

Energija iz materijala (drvo, slama, životinjski izmet) koji su donedavna bili živi.

Energija se može osloboditi:

direktno spaljivanjem, ili

pretvaranjem u druga goriva (kruta, tekuća ili plinovita)

Tradicionalna biomasa: ogrjevno drvo, slama, ljuske riže, životinjski izmet

Nova biomasa: industrijski proizvedena goriva iz biomase

Organski otpad

Vrste biomase (za energetske potrebe)

biomasa – drvo, kora, drveni otpad, lišće, nedrvne stabljike - u raznim

oblicima, uglavnom usitnjenim (čips, granule) ili pak kompaktirani

(pelete, briketi) radi olakšane i mehanizirane manipulacije;

biogoriva – razna ulja ili alkoholi, kao supstituti klasičnih tekućih

goriva, naročito pogodni za korištenje u postojećim motorima s

unutarnjim izgaranjem - biodizel, etanol;

bioplin - nusprodukti raspadanja organskih tvari, najčešće na

deponijama smeća, velikim gnojištima na farmama i sl., gdje se može

sigurno i učinkovito sakupiti

Pojavni oblici energije biomase

Bioenergetski ciklus na lokalnoj razini

Svjetska statistika

Ukupna masa svih živih bića na zemlji: 2000 miljardi tona

(uključujući vodu ili vlagu)

Ukupna masa kopnenih biljaka: 1800 miljardi tona

Ukupna masa šuma: 1800 miljardi tona

Energija spremljena u biomasi: 25.000 EJ

Svjetska populacija (2010): 7 miljardi

Biomasa po stanovniku: 260 tona

Neto godišnja proizvodnja kopnenih biljaka: 400 miljardi tona/godinu

Usporedbe

EJ/god TW

Godišnja pohrana u biomasi: 3000 95

Svjetska proizvodnja primarne energije: 500 16

Potrošnja biomase za energetske svrhe: 56 1,7

Potrošnja hrane: 16 0,5

Energetska vrijednost nekih goriva

Ogrjevna emisije CO2

vrijednost

GJ/t kg/GJ

Ugljen ~30 80

Nafta 42 70

Prirodni plin 55 50

Drvo (suho) ~15 80*

Energetska vrijednost biomase (i nekih goriva)

GJ/t GJ/m3

Drvo (zeleno, s 60% vlage): 6 7

Drvo (sušeno, s 20% vlage) 15 9

Drvo (sušeno, s 0% vlage) 18 9

Drveni ugljen 30

Papir (novinski) 17 9

Životinjski izmet (sušeni) 16 4

Trava (tek pokošena) 4 3

Slama (balirana) 15 1,5

Otpad šećerne trske 17 10

Domaći otpad 9 1,5

Nafta 42 34

Ugljen 28 50

Prirodni plin 55 0,04

Ciklus ugljika na lokalnoj razini

Efikasnost konverzije solarne energije u biomasu

6CO2 + 6H2O + svjetlo (sunčeva energija) —→ C6H12O6 + 6O2

1 ha (10000 m2)

Godišnja insolacija: 1300 kWh/m2 god

Godišnja energija 46,8 TJ

12% dolazi do lišća 5,6 TJ

50% je fotosintetički iskoristivo: 2,8 TJ

85% se prima na lišću 2,4 TJ

21% se pretvara u biomasu 0,5 TJ

40% se gubi ili troši u respiraciji

pa ostaje: 0,3 TJ

Ukupna efikasnost: 0,64%

Prinosi pojedinih “energetskih” biljaka

t/ha na godinu

Šećerna trska 35

Bagasa 10

Uljna repica* 3

Žitarice (pšenica, riža) 15

Sorgum, miscanthus 15

Drvo** 10

Drvo*** 20

* u Hrvatskoj

** u umjerenim krajevima

*** u tropskim krajevima

Izvori biomase

“Energetske” biljke

drvenaste biljke

poljoprivredne biljke

(miscanthus, sorghum)

a) sunflower

b) soybean

c) rapeseed

d) beans

e) forest area (ha)

f) Annual production of wood assortment (logs, firewood, wood residue) (m3).

a)

b)

e)

c)

d)

f)

Agricultural biomass potential u Hrvatskoj (t):

Woody biomass potential:

*source: Schneider (Int. J. Energy, 2007)

Izvori biomase

“Energetske” biljke

drvenaste biljke

poljoprivredne biljke

(miscanthus, sorghum)

Otpad drveni otpad

otpad/ostatak od pšenice, kukuruza (slama)

bagasa (od šećerne trske)

ljuske riže

životinjski izmet

komunalni otpad

deponiji

izgaranje

anaerobni digestori

Elektrana na slamu

Sastav komunalnog otpada

Proizvodnja plina iz deponija komunalnog otpada

Spaljivanje komunalnog otpada u EU

Izgaranje biomase

Izgaranje drva (primjer na litri vode)

Izgaranje drvenog ugljena

Izgaranje komunalnog otpada

Spalionica komunalnog otpada

Proizvodnja plinskih goriva iz biomase

Anaerobna pretvorba (anaerobic digestion)

Organski materijal + Bakterije -> šećer -> kiseline -> plin + kruti ostatak

Bioplin (mokri otpad)

(od 1 m3 do 1000 m3)

stalna ili u šaržama

digestija 10 dana do nekoliko tjedana

Plin sa deponija (landfill gas)

1 t opada -> 200-400 m3 bioplina (50-75% metan); 8 GJ/t

Anaerobni digestori za komunalni otpad

Gasifikacija

Para + kisik + organski materijal -> plin (CO + H2 + CH4)

Integralno rješenje gospodarenja otpadom

Kombinirani ciklus:

plinska turbina i

parna turbina

Pretvaranje biomase u korisnu energiju

Proizvodnja plinskih i tekućih goriva iz biomase

Plinifikacija

Piroliza

Plin u tekućinu (gas to liquid) – Fischer-Tropsch proces

Plin u metanol

Fermentacija – proizvodnja etanola

Biljna ulja u biodizel

Pretvaranje biomase u goriva

Proizvodnja bioplina

(C6H10O5)n + nH2O → 3nCO2 + 3nCH4 (+19n J/mol)

celuloza metan

Proizvodnja bioplina i njegovo korištenje

GJ/dan

Proces rasplinjavanja ugljena ili biomase

Vrste reaktora za rasplinjavanje i pirolizu

(C6H10O5)n + nH2O → 3nCO2 + 3nCH4 +19n J/mol

fermentacija

Reakcije (teoretske) pretvorbe biomase

jednostavno raspadanje

C6H10O5 → 6C + 5H2 + 2.5O2

proizvodnja drvenog ugljena

C6H10O5 → 6C + 5H2O(g)

piroliza – proizvodnja uljnih ostataka

C6H10O5 → 0.8C6H8O + 1.8H2O(g) + 1.2CO2

nagla piroliza – proizvodnja etilena

C6H10O5 → 2C2H4 + H2O + 2CO2

+5,94 MJ/kg

−2.86 MJ/kg

−2.07 MJ/kg

+0.16 MJ/kg

Specifična toplina

(entalpija) reakcije

Reakcije (teoretske) pretvorbe biomase

(nastavak)

rasplinjavanje – proizvodnja sintetskog plina

C6H10O5 + 0.5O2 → 6CO + 5H2

“shift” reakcija

CO + H2O → CO2 + H2

hidrogenacija - proizvodnja ugljikovodika

C6H10O5 + 6H2 → 6”CH2” + 5H2

izgaranje – proizvodnja topline

C6H10O5 + 6O2 → 6CO2 + 5H2O

Specifična toplina

(entalpija) reakcije

- egzotermna reakcija (toplina se proizvodi)

+ endotermna reakcija (toplina se mora dovoditi)

+1,85 MJ/kg

−4.86 MJ/kg

−17.48 MJ/kg

litara/toni litara/hektaru na godinu

Šećerna trska 70 400-12,000

Kukuruz 360 250-2000

Cassava (korijen) 180 500-4000

Batat (korijen) 120 1000-4500

Drvo 160 160-4000*

* Teoretski maksimum

Proizvodnja etanola iz biomase

C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2

fermentacija

šećer (glukoza) etanol

Proizvodnja etanola iz biomase

(energija potrebna za proizvodnju, skupljanje i transport biomase nije

uzeta u obzir)

Proizvodnja etanola

Poljoprivreda

proizvodnja

šećerne repe

Proizvodnja

etanola

otpad

repa

etanol

nuz-proizvodi, otpad

Energetski input

za proizvodnju etanola

energija za

poljoprovredu

15-21.6 GJ/ha 97,8 GJ/ha

Solarna

energija

43000 GJ/ha*

*Pretpostavka: 1200 kWh/m2,yr

101,8 GJ/ha

bioplin 14,7 GJ/ha 245,7

GJ/ha

Mala ili nikakva neto energija (isplativost?)

Proizvodnja metanola iz biomase

rasplinjavanje – proizvodnja sintetskog plina

C6H10O5 + 0.5O2 → 6CO + 5H2 “shift” reakcija

CO + H2O → CO2 + H2 sinteza - proizvodnja metanola

CO + 2H2 → CH3OH

Proizvodnja metanola iz biomase

rasplinjavanje – proizvodnja sintetskog plina

C6H10O5 + 0.5O2 → 6CO + 5H2 “shift” reakcija

7/3 CO + 7/3 H2O → 7/3 CO2 + 7/3 H2 sinteza - proizvodnja metanola

11/3 CO + 22/3 H2 → 11/3 CH3OH

Proizvodnja biodizela

Pogodne biljke

Uljena repica

Soja

Suncokret

Palme

Biljno ulje

Otpadno ulje

ulje

alkohol

(metanol)

(natrijev

ili kalijev

hidroksid)

transesterifikacija biodizel

glicerin

sirovine proizvod

nuz-proizvod

katalizator

Proizvodnja biodizela

Proizvodnja biodizela (iz uljene repice)

Poljoprivreda

proizvodnja

uljene repice

Proizvodnja

ulja Esterifikacija

slama

uljena

repica

ulje

otpadni “kolač”

glicerin

900-1300 l/ha

30-42 GJ/ha

metanol energija za

proizvodnju ulja

energija u

poljoprivredi

7.8-11.2 GJ/ha 7.3-10.6 GJ/ha

41.1-59.4 GJ/ha

15-21.6 GJ/ha 5.5-7.9 GJ/ha 4.7-6.8 GJ/ha

Bio-dizel

Solarna

energy

43000 GJ/ha*

*Pretpostavka: 1200 kWh/m2,god

Mala ili nikakva neto energija (isplativost?)

Koliko vodika se može proizvesti na 1 hektaru?

Fotonaponski

paneli Elektrolizer el. energija vodik

voda

solarna

energy

50000 GJ/ha

1900 GJ/ha 2500 GJ/ha

Pretpostavke: 1400 kWh/m2,yr; pokrivenost 50%, eff. PV = 0.1; eff. elektrolizer = 0.75

Strategija energetskog razvoja Republike Hrvatske iz 1998 predviđa

4%-8% bio-dizela u ukupnim gorivima za transport do 2030

• BIOEN – jedan od nacionalnih energetskih programa

Studija isplativosti za početak proizvodnje bio-dizela u Hrvatskoj

napravljena 2001.

Hrvatska nije ostvarila Europski cilj od 5.75% do 2010.

U 2007. 0.9% ukupne energije su trebala biti biogoriva

10 bio-dizel autobusa u Zagrebu (2007)

Privatne inicijative: dvije tvornice bio-dizela

(Ozalj, Virovitica) + bio-ethanol

Bio-dizel u Hrvatskoj

Bio-dizel iz otpadnog ulja za kuhanje

Jeftina sirovina

Zahtijeva filtraciju

Problemi s spremanjem – ne smije se spremati na duže vrijeme

Hydrogenirana ulja bi se trebala izbjegavati

U Zagrebu:

100,000 l otpadnog ulja –

dostatno za 2-3 bio-dizel autobusa

Kućanstva: 2 l/osobi jednako 1 milijun litara godišnje

Procjene budućeg korištenja energije iz biomase

u svjetskoj energetskoj bilanci

EJ/god % od ukupne

Johansson, et al., 1993 2025 145 37%

2050 206 37%

Shell, 1994 2060 220 14-22%

WEC, 1994 2050 94-157 15%

2100 132-215 11-15%

Greenpeace, 1993 2050 114 19%

2100 181 18%

IPCC, 1996 2050 280 50%

2100 325 46%

Utjecaji na okoliš (pozitivni i negativni)

Emisije štetnih plinova (LCA Life Cycle Analysis)

ugljični dioksid

metan

drugi

Površina zemljišta

Neto energija (EROI – energy return on investment)

Cijena

električne energije

biogoriva

Energija iz biomase –

što je sve potrebno uzeti u obzir

Izvori energije

Ostatak

gospodarstva

Korisna energija

Energetski

sektor

Energetski povrat uloženog

Energy Return on Energy Investment (EROEI)

Uložena

energija

novac

EROEI = Korisna energija

Uložena energija

Što je problem s obnovljivim izvorima energije?

Neto energija je visoka!

Fosilna goriva Korisna energija

Visokokvalitetni feedback

Neto energija je niska?!

Obnovljivi

izvori energije Korisna energija

Visokokvalitetni feedback

Energetski povrat uloženog

Energy Return on Energy Investment (EROEI)

R. Heinberg, Searching for Miracle, ‘Net Energy’ Limits & the Fate of Industrial Society, 2009

Izvor energije ili gorivo EROEI procjene

Ugljen 50:1

Nafta 19:1

Prirodni plin 10:1

Tar sands 5.2:1 to 5.8:1

Naftni škriljci 1.5:1 to 4:1

Nuklearna energija 2:1 to 15:1

Hidro-energija 20:1 to 40:1

Energija vjetra 18:1

Fotonaponski uređaji 4:1 to 10:1

Solarna termalna energija 1.6:1

Geotermalna energija 2:1 to 13:1

Drvo za ogrijev 28:1 to 35:1

Etanol 0.5:1 to 8:1

Biodizel 1.9:1 to 9:1