Bioüzemanyagok - 1 - Biogáz

Bioüzemanyagok - 1 - Biogáz

• Globális klímaváltozás
• 1970-es évek: kőolajválság
• A kőolajtermékek árának ugrásszerű növekedése
• Szegényebb országokat jobban érintette
• Brazília: 2006-ban az üzemanyag felhasználás 45%-a bioetanol volt
• 2000-es évek elején relatív mezőgazdasági túltermelés volt
• A bioüzemanyagok termelésének állami támogatása
• 2006-ban George W. Bush támogatta a bioüzemanyagokat
• Élelmiszer árak növekedése
• Termőföld: táplálék vagy bioüzemanyag közötti választás
• Mexikóban tüntetések voltak

Biomassza hasznosítási lehetőségek

• Égetés: csak hő, égéstermékek
• Komposztálás: hő és biotrágya
• Biogáz: zöld áram és biotrágya
• Bioetanol, biodízel: speciális alapanyagokból
• Biohidrogén: a jövő ígérete

Bioüzemanyagok

• A növényi vagy állati biomasszából származnak
• Bioetanol
• Biodízel
• Biohidrogén
• Biogáz

Metanogének: metánt termelnek

• Volta 1776: éghető gáz = mocsárgáz
• 1804 Dalton: CH₄ + CO₂
• Pasteur: Mikrobák termelik a metánt
• Tiszta tenyészet 1947: Methanosarcina sp.

Biogáz jellemzői

• Mocsárgáz, lidércfény
• Szerves anyag levegőmentes környezetben
• Bonyolult mikrobiológiai rendszer, túlélésre optimalizálva
• A biogáz melléktermék
• A biogáz termelés fokozása: az anyagcsere szűk keresztmetszeteinek megismerése és megváltoztatása

Alapanyagok

• Növény (kukorica siló, cukorrépa, energianövények; cukor cirok, szudáni fű, csicsóka, tritikálé)
• Állati eredetű trágya (szarvasmarha, sertés, baromfi)
• Kommunális hulladék szerves része
• Szennyvíziszap
• Mezőgazdasági hulladékok
• Élelmiszeripari melléktermékek (melasz, törköly)
• Bioetanol gyártás melléktermékei

Alapelv

• A szerves anyag ("hulladék") anaerob fermentációja biogázt eredményez
• A biogáz a fermentáció terméke

Biogáz képződés

• Polimerek bontása monomerrekre és oligomerrekre
• Acetogén és metanogén baktériumok közreműködésével metán képződés

Szénhidrátok anaerob lebontása

• Lignocellulóz (fa) mechanikai darabolása
• Lignin, cellulóz, hemicellulóz, xilán bontása cellulázok és xilanázok segítségével
• Glükóz, cellobióz, pentózok képződése
• Anaerob környezetben propionsav, vajsav, tejsav, etanol képződés
• Acetogenezis: H₂CO₂, acetát képződése
• Metanogenezis: CH₄ + CO₂ képződése

Fehérjék anaerob lebontása

• Fehérjék (állati, növényi) proteázok hatásával oligopeptidek képződéshez
• Aminosavak képződése NH₃-val
• Propionsav, vajsav, tejsav, etanol képződése
• Acetogenezis: H₂CO₂, acetát képződése
• Metanogenezis: CH₄ + CO₂ képződése

Lipidek (foszfolipidek, glikolipidek) anaerob lebontása

• Zsírok, olajok (állati, növényi) lipázok és foszfolipázok hatásával glicerin, glükóz, galaktóz, inozitol, foszfát, kolin és telített vagy telítetlen zsírsavak képződéséhez
• Acetogenezis: H₂CO₂, acetát képződése
• pH-tól függően etanol vagy metanol képződés
• Metanogenezis: CH₄ + CO₂ képződése

Batch fermentáció

• Biomassza és desztillált víz tartalmú edények
• A folyamat során képződő biogáz elvezetése

Folyamatos üzemű laborfermentor

• A biomassza tárolására szánt tartály
• Keverőmotor a fermentáció folyamatos biztosításához
• A keletkezett biogáz, és gázmintavétel
• Vezérlő és adatgyűjtő számítógép a folyamat ellenőrzéséhez

Folyamatos labor fermentálás

• A folyamat folyamatos biogáz létrehozásához
• A biogáz tárolásához és elosztáshoz, valamint működéshez szükséges berendezések

Biogáz - India

• Integrált biogáz rendszer

Biogáz üzem működési sémája

• A biomassza előkezelést, majd elő és utó fermentációt követ
• Az előkezelés, elő és utó fermentációs folyamatok eredményezik a biogáz létrejöttét
• A biogáz a gázmotorban elektromos árammá alakítható
• A fermentációs maradék a talajhoz visszajuttatható vagy újrahasznosolható.

Zöldforrás Energia Kft.

• Biogáz erőmű működésével foglalkozó cég
• Szegeden működik egy erőművük

Zöldforrás biogáz erőmű, Szeged

• Műszaki jellemzők
• Éves üzemóra szám
• Mezofil fermentáció
• Szarvasmarha hígtrágya
• Siló kukorica
• Elektromos teljesítmény
• Termelt hőenergia
• Biogáz termelés
• Metán mennyisége

Biogáz üzemek Európában

• A biogáz üzemek számainak növekedése az EU-ban

Fermentációs paraméterek

• Hőmérséklet
• pH-érték
• Szárazanyag tartalom
• N/C arány
• Pufferkapacitás
• Illó szervessav tartalom
• Szerves sav összetétel
• Ammónium-ion tartalom

A hőmérséklet hatása

• A hőmérséklet hatása a mezofil és termofil bakteriális növekedésre

A pH hatása a fermentációra

• A pH hatása a gáztermelésre

A szárazanyag-tartalom hatása a gázhozamra

• A szárazanyag-tartalom és a gáztermelés közötti összefüggés

Gázhozam az N/C arány függvényében

• Az N/C arány hatása a biogázhozamra

Az illó szervessav tartalom/pufferkapacitás aránya

• Az illó szerves savak és a pufferkapacitás aránya és a gáztermelés közötti függvény

Az ammónium-ion tartalom hatása a fermentációra

• Ammónium-ion tartalom hatása a gáztermelésre

A biotechnológiai kihívások

• Tehén: 2-3 nap
• Mezofil: 30-60 nap
• Termofil: 15-30 nap

Az anaerob fermentáció hatékonyságának növelése

• A biomassza lebontásának elősegítése
• Előkezelés
• Cellulóz bontó mikrobák
• Lignin bontó mikrobák
• Bioaugmentáció
• Hidrogén adagolása
• Hidrogén termelő törzsek
• Enterobacter cloacae (mezofil)
• Caldicellulosiruptor saccharolyticus (termofil)
• DIET (direkt elektron transzfer)

Előkezelés gombákkal

• Aspergillus nidulans
• Trichoderma reesei
• Rhizomucor miehei
• Gilbertella persicaria

Előkezelés gombák hatása

• A különböző növényi szubsztrátokra és ellenőrzött csoportra gyakorolt hatások megfigyelése, valamint a függvény ábrázolása

Bioaugmentáció hatása

• A bioaugmentáció hatása a metánhozamra és a különböző alapanyagokra

Szintrópia

• Legalább 2 mikroorganizmus kölcsönösen előnyös társulása
• A tagok különböző anyagcseréket folytatnak
• Az anyagcserei folyamatok a másik partner javára szolgálnak
• H₂ átadás a fajok között = Szintrópia
• Pontos mechanizmus nem ismert
• H₂ termelés és fogyasztás egymásrautalva

Hidrogén termelő törzs hatása

• A hidrogén termelő törzsek hatása a biogáz termelésre

„Power-to-gas” eljárás

• A biogáz létrehozása és felhasználása más energiaforrásokból származó hidrogén felhasználásával

Hidrogén metánná alakítás hidrogenotróf metanogénekkel

• A hidrogén metánná alakításának folyamata hidrogenotróf metanogénekkel, valamint a kontroll és a kétféle hidrogén bevitel hatása
• A metán termelődésének vizsgálata különböző hidrogénbevitel mellett, időkontrollal

Biogáz összetétele

• Metán, szén-dioxid, kén-hidrogén, szén-monoxid, nitrogén 1-2%
• A metán a szennyvíz iszapban 65-70%, a mezőgazdasági melléktermékben 60-65%, míg a települési hulladékban 50%
• A szén-dioxid 28-48% a metánban

Biogáz tisztítása

• Szén-dioxid (CO₂) eltávolítása: vizes mosás, fizikai adszorpció, kémiai adszorpció (aminosav oldatokkal), membrán szeparáció

Gáztisztítás

• Kénmentesítés (H₂S): biológiai (Thiobacillus ferrooxidans), Fe₂O₃ reakció, FeCl₂ reakció
• K2CO₃ és aktív szén reakció

Biológiai kéntelenítés

• A kén-hidrogén (H₂S) biológiai eltávolítása

A biogáz felhasználása

• Különböző felhasználási módok (helyi hőhasználat, szomszédos falvak fűtése, távoli falvak fűtése, távoli falvak energiatermelése)
• Elektromos hálózatba történő bekötés

Biogáz = bioüzemanyag

• A biogáz felhasználhatósága bioüzemanyagként, és a hatékonyságának összehasonlítása más bioüzemanyag típusokkal (biometán, bioolaj, biodízel, bioetanol)
• Kilométerek összehasonlítása 1 hektárnyi földi területen termesztett bioüzemanyagok felhasználásánál