7.2. Konverziós folyamatok

A biomasszából átalakítás során nyerhető ki a hasznosítható energia (pl. hő, elektromosság vagy folyékony üzemanyag formájában). Az egyes alapanyagok átalakítása történhet mechanikus, termokémiai és biokémiai módon, melyeket a következőkben tekintünk át. Az átalakítás eredményeképpen szilárd, folyékony, illetve gáznemű fűtőanyagot, bioüzemanyagot és hőt kapunk (Crucible Carbon, 2008).

7.2.1 Mechanikai átalakítás

A mechanikai átalakítás lehet maga a teljes átalakítási folyamat, vagy annak előfeldolgozási része. Ez az eljárás darabolást, tömörítést vagy sajtolást jelent. Legelterjedtebb formái a pellet és brikett készítés, valamint a sajtolás, melyet egyes olaj alapú növények (pl. repce) átalakításakor használnak (IEA, 2012b).

A pellet és brikett (7.2. ábra) készítését szárítási folyamat előzi meg, mely történhet szabad levegőn vagy szárítóházban. Máskülönben a megtermelt hő jelentős része a nedvesség elpárologtatására fordítódna, és kisebb lenne a fűtőértéke. A pelletek rövidek, henger alakúak, átmérőjük kisebb mint 25 mm. Készíthetők fűrészporból, nyesedékből, faforgácsból, szalmából. Az alapanyagot szükség esetén először feldarabolják, majd finom porrá zúzzák, melyet átpréselnek a pellet keresztmetszetét formáló nyomórácson. A formázáskor keletkező súrlódás elegendő hőt termel ahhoz, hogy az alapanyagban levő lignint meglágyítsa. Hűtés után a lignin ismét megszilárdul és ez tartja össze a formát. A fabrikett néhány (3–7) cm átmérőjű, henger vagy négyzetes keresztmetszetű tömörített fa. Készítésekor az alapanyagokat dugattyúhoz hasonló üzemű prés segítségével tömörítik össze, sajtolási folyamat révén (European Commission, 2005).

A bal oldali képen keresztmetszetüket és hosszukat tekintve, 5/5, 5/12, 5/20, 10/10, 30/24, 10/40, 28/28, 28/70, 28/115 mm-es pelletek láthatók, téglatest, valamint henger alakúak. A jobb oldali ábrán brikettek láthatók, többnyire henger alakúan, 15–40 cm közötti hosszal, és 5–8 cm átmérővel, közepükön a sajtoló által hagyott 1 cm-es átmérőjű benyomódás is megfigyelhető.

7.2. ábra: Különböző méretű és formájú pellet és brikett szabványok (BIONORM-projekt).

7.2.2 Termokémiai átalakítás

A termokémiai átalakításnak 5 fő módját alkalmazzák: a pörkölést, a pirolízist, a gázosítást, a cseppfolyósítást és az égetést. A pirolízis és a gázosítás során az alapanyagot kevesebb oxigén környezetében hevítik, mint amennyi a teljes égéshez szükséges lenne, eredményül pedig gázkeveréket, folyadékot és faszenet kapnak. A termékek égéshője függ az alapanyagtól, a hevítés sebességétől és mértékétől, a keletkező gázok reakciójától, a tartalmazott vagy hozzáadott víz mennyiségétől és a jelenlevő anyagoktól (vagy azok hiányától), melyek katalizátorként működhetnek (European Commission, 2005).

Pörköléskor az alapanyagot (jelenleg főként fát) 200–300 °C-ra hevítik és elszenesítik. Ez hasonlít a hagyományos faszén készítéshez, de azzal a jelentős különbséggel, hogy több gáz marad a kapott fűtőanyagban. A pörkölt fát jellemzően pelletté alakítják, így 25%-kal nagyobb tömeg-, és akár 30%-kal nagyobb energiasűrűség érhető el a hagyományos fa pelletekhez képest. Ráadásul a pörkölt biomassza tulajdonságai nagyban hasonlítanak a szénéhez, így a már létező szénerőművek átalakítása nélkül kezelhető, tárolható és felhasználható. Ez a technológia nagyüzemben jelenleg még csak demonstrációs fázisban van, évenkénti 35–60 kt kapacitással (IEA, 2012b).

A pirolízis során az alapanyagot oxigénmentes környezetben hevítik 400–600 °C közötti hőmérsékleten. Ennek következtében a biomassza lebomlik vízre és nagyon reakcióképes, kis molekulatömegű darabokra, melyek nagy része szenet alkot. A forró szén reakcióba lép a vízgőzzel, melyből nagy fűtőértékű szén-monoxid és hidrogén gáz keveréke (szintézisgáz) lesz:

(7.2)

A kis molekulatömegű anyag egy része eltávolítható a reaktorból, amely ezután hűléskor rekombinálódik és kátránnyá alakul. A finom szemcseméretű hamu és részben elszenesedett biomassza a gázban maradhat, ezért felhasználás előtt meg kell tisztítani a gázkeveréket. Gyors pirolízis esetén kevesebb szilárd anyag keletkezik (7.3. ábra). A hűlést és kondenzációt követően sötét, viszkózus anyag – bioolaj – keletkezik. A bioolaj hőértéke kb. fele a hagyományos üzemanyagolajnak, ezért csak üzemekben alkalmazzák, ahol hőt vagy áramot termelnek. Az olaj további feldolgozása hidrogénezéssel vagy katalizálással már olyan terméket ad, amely megközelíti a petróleum alapú üzemanyagolajok tulajdonságait, így ez már dízelüzemű járművek motorjához is alkalmazható (Bauen et al., 2009).

kb. 500 °C-on, 1 másodperces vagy annál rövidebb hőkezeléssel, a biomassza 80–85%-a, ennél hosszabb idő esetén pedig 50%-a alakul kátránnyá, kb. 1000 °C-on nagyon rövid hőkezeléssel a biomassza kb. 20%-a, hosszabb időtartam alatt pedig 30–40%-a elgázosítható. Minél hosszabb az alkalmazott idő, annál több faszén keletkezik.

7.3. ábra: Hőkezeléssel kinyerhető összetevők aránya a hőmérséklet és idő függvényében [7.1].

A gázosítást magas hőmérsékleten (1000–1500 °C) kétféleképpen lehet elvégezni. Vagy csekély mennyiségű levegő jelenlétében részleges égetéssel, vagy oxigéndús közegben 1200–1400 °C-on. Utóbbihoz a tiszta oxigén alkalmazása lenne ideális, mert így magas fűtőértékű, főként CO, H2 és CO2-ból álló gázkeverék lenne az eredmény. Gazdasági okokból azonban levegővel helyettesítik a tiszta oxigént, így nitrogént is tartalmaz a keletkező gáz, mellyel csökken a fűtőérték. Bárhogy is készül azonban a fagáz, megfelelő kezelést, tisztítást követően közvetlenül elégethető, vagy gázturbinákkal, illetve motorokkal elektromos vagy mechanikai energia fejleszthető belőle. A folyamat módosítható annyiban, hogy hidrogénben gazdag vagy szintézisgázt nyerjenek belőle, amelyet más üzemanyagokhoz fel lehet használni.

A cseppfolyósítás alacsony hőmérsékleten (300–500 °C) és magas nyomáson történik, katalizátor vagy hidrogén jelenlétében. Megfelelő körülmények és adalékok segítségével a bemenő tömeg akár 50%-át is cseppfolyósítani lehet (Nan et al., 1994).

A gáz megtisztítása fontos lépés, bármelyik fenti termokémiai folyamat során keletkezik. Az a cél, hogy a füstgázok emisszióját, szennyezőanyag (pl. hidrogén-szulfid és szerves kénhidrogének) tartalmát lecsökkentsék, és megszűrjék a szilárd anyagoktól és a kémiai folyamatok során keletkezett kátránytól. Erre sokféle módszer létezik: gáz átvezetése vízen és oldószereken; szűrés elektrosztatikus csapadékkeltéssel vagy keveréssel; molekuláris sziták használata vagy hűtés, mely során a vizet és egyéb szennyezőket ki tudnak vonni; vas, kálcium, cink-oxid vagy egyéb redukáló hatású anyag használatával a kéntartalmú összetevők eltávolítása céljából. Vízen való átvezetéssel tovább csökkenthető a CO2 mennyisége. A tisztítási folyamatok többsége csak ipari méretekben költséghatékony, kis méretű biomasszaüzemekben nem (European Commission, 2005).

7.2.3 Biokémiai átalakítás

A hő helyett számos biokémiai folyamat segítségével is át lehet alakítani a biomasszát, ennek két fő módja az anaerob bomlás baktériumok segítségével és az erjesztés.

Az anaerob bomláskor oxigénhiányos környezetben, különböző baktériumok bontják le az alapanyagban található polimereket, melynek eredményeképpen biogáz termelhető. Ez a gáz főleg metánt és szén-dioxidot tartalmaz, de lehet benne ammónia, hidrogén-szulfid és szerves kénhidrogén is, melyek korrozívak, mérgezők és büdösek. A folyamat több lépcsőből áll. Először az olyan polimereket, mint a cellulóz, keményítő, proteinek és lipidek hidrolízissel cukorrá, aminosavakká, zsírsavakká alakítják. Ezután acetonképző baktériumokkal ezt tovább bontják hidrogéngázzá, kis molekulatömegű savakká (elsősorban ecetsavvá) és szén-dioxiddá. Végül az így kapott termékek két különböző úton alakulnak át metánná. A baktériumok egy csoportja a hidrogént hasznosítva a szén-dioxidból metánt termel (7.3), másik csoportja pedig az acetátot bontva fejleszt metánt és szén-dioxidot (7.4) (IEA, 2012b).

(7.3)

(7.4)

Az erjesztés az emberiség által tudatosan alkalmazott legrégebbi biológiai folyamat. Ennek során általában élesztőt használnak, hogy olyan kémiai reakciókat indítsanak el, melyek a kívánt terméket hozzák létre, azaz etanolt és szén-dioxidot. Az etanolt nemcsak alkoholos italokhoz használják fel, hanem oldószerként, adalékként és üzemanyagként is. Ezt a módszert főként cukornádra alkalmazzák, de búzára, melaszra és petrolkémiai alapanyagokra is lehetséges. Az élesztő helyett enzimes konverziós folyamatokat használnak abban az esetben, ha az alapanyag keményítő, cellulóz, protein vagy zsírsav (European Commission, 2005).

Az olaj és zsír alapú források az erjesztés kivételével az összes fő átalakítási folyamattal – közvetlen égetés, pirolízis, gázosítás, anaerob bomlás és olaj kinyerés – feldolgozhatók. Az oldható szénhidrátok (cukor, keményítő) esetén az anaerob bomlás és olaj kinyerés nem alkalmazható. A lignin és cellulóz átalakítás szintén nem működhet olaj kinyeréssel, valamint az anaerob bomlás és erjesztés csak a cellulózra működik.

Összefoglalva a közvetlen égetéssel hőt termelhetünk, az anerob bomlással gáznemű, az olaj kinyeréssel folyékony halmazállapotú feldolgozott biomasszát kaphatunk. Erjesztéssel gáznemű és folyékony fázisú másodlagos biomasszát kapunk. A pirolízissel mindhárom fázisú termék előállítható a hőn kívül, míg a gázosításnál csak szilárd terméket nem nyerünk.

7.2.4 Bioüzemanyagok

A bioüzemanyagokat attól függően, hogy az alkalmazott technológia milyen fejlettségi szinten van, illetve milyen alapanyagokat használnak, első, második vagy harmadik generációs üzemanyagokra oszthatjuk.

Az első generációbeli bioüzemanyagok ipari termeléséhez már kidolgozott technológiák állnak rendelkezésre. Ennek során bioetanolt állítanak elő cukor és keményítő alapú mezőgazdasági terményekből, biodízelt olaj alapú növényekből és állati zsírokból, valamint biometánt anaerob bomlással nedves biomasszából.

A második generáció széles skálát fed le, melyek már új alapanyagokból készülnek:

- Bioetanol és biodízel előállítása hagyományos technológiákkal, de olyan alapanyagokból, mint a kutyatejfélék (jatropha), manióka vagy japán fű (Miscanthus).

- Hagyományos és új bioüzemanyag fajták (etanol, butanol, szindízel) melyeket lignocellulóz anyagokból (rostos biomassza, pl. fűfélék, fa) állítanak elő. Az előállítás bio- és termokémiai átalakítással zajlik, de ezek még csak demonstrációs szinten üzemelnek.

A harmadik generációs üzemanyagok előállítása többnyire még csak fejlesztési fázisban van, vagy még nagyon messze vannak az ipari méretektől. Ilyenek például az algából előállított bioüzemanyag, vagy a biomasszából nyert hidrogén (Kitani et al., 1999; Rutz és Janssen, 2008).

A különböző alapanyagokat először előfeldolgozással egy egyszerűbb molekula összetételű anyagra (pl. lipidek, szintézisgáz) bontják, majd további kezeléssel folyékony vagy gáznemű üzemanyagot (7.4. ábra) készítenek belőlük. Az alábbiakban az öt legfontosabb üzemanyag, a bioetanol, a biodízel, BtL, biometán és biohidrogén előállításának módjait részletezzük.

Az állati zsírokból és olajos növényekből finomítással olaj illetve biodízel készíthető. A cukor és keményítő alapú növényekből, kinyeréssel és hidrolízissel cukor, melyből erjesztéssel bioetanol nyerhető. A cellulóz esetén biokémiai hidrolízissel cukor, pirolízissel pedig olaj, hő és szintézisgáz állítható elő. Nedves biomasszából anaerob bomlással biogáz gyártható.

7.4. ábra: A különböző biomassza alapanyagok bioüzemanyag konverziós útvonalai (Rutz és Janssen, 2008).

Bioetanol

A bioetanolt mikrobiológiai erjesztéssel állítják elő. A biomassza alapanyagát tekintve lehet cukor, keményítő vagy lignocellulóz komponensű. Alapanyagtól függetlenül a cél egy glükóz massza előállítása, melyet baktériumokkal, élesztővel erjesztenek, hogy a glükóz etanollá alakuljon. Az erjesztést követően desztillációval, majd dehidrációval kapjuk a kész bioetanolt. A desztilláció során az erjesztett massza 10–15%-os alkoholtartalma 90%-ra nő, mely dehidrációval tovább növelhető 99%-ig. Attól függően, hogy mi az alapanyag, az előállítás előfeldolgozási folyamatokkal egészül ki (Cheng és Timilsina, 2010).

Cukor alapú növényeknél (cukorrépa, cukornád) a növényi glükózt egyszerűen áztatással vagy préseléssel vonják ki.

A keményítő hosszú glükóz molekulákból áll, így az erjesztés előtt szacharizációval le kell bontani a keményítőmolekulákat. Ennek során a biomasszát (pl. kukorica, búza) először beáztatják, hogy a keményítő reakcióba lépjen a vízzel, majd a masszát melegítik, hogy a növényi sejtfalak felbomoljanak. A melegítés közben amiláz enzimeket adnak hozzá, melyek a keményítőt cukorrá alakítják.

A lignocellulóz alapú (fa) bioetanol előállítása azért nehéz, mert bár a magas cukortartalmú cellulózban gazdag a biomassza, de a cellulóz molekulákat lignin tartja össze. A lignin adja a cellulózváznak a szilárdságot, és nem tartalmaz cukrot, ezért első lépésben ettől az összetevőtől kell mentesíteni az alapanyagot. Ezt úgy érik el, hogy először nagyon apró, 2 mm-nél kisebb – egyes esetekben néhány μm átmérőjű – darabokra zúzzák az alapanyagot.

Második lépésként további fizikai, kémiai vagy biológiai előkezelést alkalmaznak. A fizikai előkezelés lehet gőzbontás, melyet 160–260 °C-on magas nyomású gőzzel végeznek, mely telíti a lignocellulózokat. A nyomás hirtelen lecsökkentése robbanásszerű dekompresszióhoz vezet és felbontja a lignocellulózt. Ehhez hasonló eljárás az ammóniás rostfeloldás is, ahol az alapanyagot kb. 100 °C-on beáztatják ammóniába, majd a nyomást hirtelen lecsökkentve felbontják a lignin és a cellulóz közti kötést. További módszer lehet a pirolízis is, melynek során a lignin folyékony halmazállapotban kerül ki a biomasszából. A fizikai előkezelések összességére elmondható, hogy nagyon hatékonyan bontják fel a lignocellulózt, de jelentős mennyiségű energiafelhasználással járnak (Cheng és Timilsina, 2010).

A kémiai előkezelés leggyakoribb formája az oldott kénsavas áztatás, melyet magas hőmérsékleten (140–190 °C) alkalmazva felbontják a lignocellulóz szerkezetet. Ezt követően az elegy szétválasztható folyékony és szilárd részre. A folyékony részben a cukorrá bomlott hemicellulóz, a szilárdban a cellulóz található. Az elkülönített szilárd terméket enzimes hidrolízisnek vetik alá, melynek eredménye az erjeszthető glükóz massza. Egy másik kémiai módszer az alkános hidrolízis, melyben az elszappanosítást használják fel. Itt a magas hőmérsékleten (100–170 °C) reagáló anyagok a lignocellulózból észtereket hoznak létre, kisebb molekulákra bontják a nagy lignocellulóz elemeket. Ezzel az eljárással azonban jelentős mennyiségű lignin maradhat az elegyben, mely gátolhatja az enzimes hidrolízist (Sims et al., 2008). A 7.5. ábrán a fás szárú növények etanollá alakításának fő lépései láthatók.

7.5. ábra: A ligno-cellulóz alapú növények etanollá alakításának fontosabb lépései. - animáció

A biológiai előkezeléskor fabontó penészgombákat (pl. barna-, fehérpenész) használnak. A leghatékonyabb a fehérpenész, mely a cellulózt és a lignint egyaránt bontja. Habár ez a legolcsóbb előkezelési forma, sajnos a leglassabb is, általában néhány hetet vesz igénybe. Annak ellenére, hogy a lignocellulóz alapú etanolgyártás még csak fejlesztési fázisban van, több előnnyel is járna alkalmazása, például többféle alapanyagot lehet felhasználni, nem okoz ellentéteket az élelmiszertermesztéssel, kisebb üvegházhatású gáz kibocsátással jár.

Halmazállapotát tekintve a bioetanol a benzinhez hasonló, azonban kisebb fajlagos energiaértéke miatt kb. másfélszer annyi etanolra van szükség, mint benzinre ugyanakkora energia fejlesztésére (7.1. táblázat). Átlagosan tekintve az etanol előállításához 21–36 MJ/l energiára van szükség. Ha a melléktermékekből (pl. lignin) származtatható energiát elhanyagoljuk, akkor az energiamérleg negatív.

 

Sűrűség [kg/l]

Viszkozitás [mm2/s]

Gyulladáspont[°C]

Fajlagos energia érték

[20 °C-on MJ/kg]

Fajlagos energia érték [MJ/l]

Oktánszám [RON]

Üzemanyag ekvivalencia

Benzin

0,76

0,6

<21

42,7

32,45

92

1

Bioetanol

0,79

1,5

<21

26,8

21,17

>100

0,65

7.2. táblázat: A fosszilis eredetű benzin és a bioetanol fizikai tulajdonságai (Paul és Kemnitz, 2006).

Mint minden energiahordozónak, a bioetanolnak is van szennyező hatása, ezért számításba kell venni a felszínhasználattal, szállítással, konverziós folyamatokkal járó szennyezést is. A bioetanol előállításához nagy mennyiségű vízre van szükség, és a víz szennyezése is problémát okozhat. Ugyanakkor az etanol a természetben is előfordul, gyorsan és természetes úton bomlik, a bomlás során azonban csökkenti a szennyezett víz vagy talaj oxigéntartalmát. Emiatt ha az etanolt keverik a benzinnel, akkor a szennyezéskor a benzin lassabban fog lebomlani. Ezzel együtt a bioetanol használata igen előnyös is lehet. Brazíliában például a cukornád ültetvényekből származó etanol segítségével mintegy 46 Mt szénekvivalens szennyezőanyag kibocsátás csökkenéssel lehet számolni, mely Brazília fosszilis üzemanyag kibocsátásának kb. 20%-a. Ez annak is köszönhető, hogy az ország éghajlata és talajának termőképessége igen előnyös a cukornád számára, csak kevés műtrágyára van szükség. Emellett a bioetanol üzemanyagként történő alkalmazása során kevesebb (akár 25%) CO keletkezik a hagyományos üzemanyaghoz képest, valamint kénmentes, viszont a VOC és PAN kibocsátás növekszik (Rutz és Janssen, 2008).

Biodízel

Biodízelt olyan biomasszából lehet előállítani, melynek magas a lipidtartalma, ilyenek például a repce, a szója, a kókusz, a napraforgó vagy a mikroalgák és a fáradt olaj. Az előállítás két nagy fázisra osztható: (1) az olaj vagy zsír kinyerése az alapanyagból, (2) az olaj dízellé alakítása. Az előkezelés lépései attól függenek, hogy mi az alapanyag. Az előkezelés tartalmazhatja például az alapanyag szárítását, tisztítását, zúzását. Ezt követi az olajok és zsírok többnyire mechanikai kinyerése. Utána a nyersolaj, a finomítás különböző fázisain megy keresztül. Először, mivel az olaj foszfáttartalma nagy, ezt el kell távolítani, mert zavarossá teszi az olajat, vízmegkötő hatása van, és növeli a szükséges katalizátoranyag mennyiségét. El kell távolítani továbbá a szabad zsírsavakat, elszappanosítással vagy észterezéssel, melyet alkohollal végeznek. Fehérítéssel eltávolítják a pigmenteket és a nyom fémeket, valamint csökkentik az oxidáció során keletkezett anyagokat. Dehidrációval pedig eltávolítják a vizet, mely a transzészterezést gátolja, és csökkenti a biodízelgyártás hatékonyságát. Ezt követően zajlik a transzészterezés, melynek során sav vagy enzim katalizátor segítségével alkohollal eltávolítják a glicerint az olajból. Ennek eredményeképpen kapunk biodízelt és glicerint (Sims et al., 2008, Cheng és Timilsina, 2010).

A lipid alapú bioüzemanyagok tulajdonságai nagyon eltérők lehetnek az előállítás különbözősége miatt. Ezzel együtt hatásfokuk jobb, mint a bioetanolé, majdnem teljes értékű dízelt lehet így előállítani (7.2. táblázat).

 

Sűrűség [kg/l]

Viszkozitás [mm2/s]

Gyulladáspont[°C]

Fajlagos energia érték [20°C-on MJ/kg]

Fajlagos energia érték [MJ/l]

Cetánszám

Üzemanyag ekvivalencia

Dízel

0,84

5

80

42,7

35,87

50

1

Repce olaj

0,92

74

317

37,6

34,59

40

0,96

Biodízel

0,88

7,5

120

37,1

32,65

56

0,91

BtL

0,76

4

88

43,9

33,45

>70

0,97

7.3. táblázat: A fosszilis eredetű dízel és a különböző biodízelek fizikai tulajdonságai (Paul és Kemnitz, 2006).

A biodízel környezetszennyező hatása kisebb, mint a fosszilis dízelé. Amellett, hogy vízben jobban oldódik, biológiailag lényegesen gyorsabban bomlik le. Ugyanakkor előállításához (tisztításkor) nagy mennyiségű vízre van szükség. A biodízel szinte teljes mértékben vegyíthető a dízel üzemanyaggal; 5%, 20%, illetve 30%-os arányban szokták keverni. Tisztán üzemanyagként használva 40–70%-os üvegházgáz kibocsátás csökkenés érhető el. Mivel a bioetanolhoz hasonlóan ez sem tartalmaz ként, ezért már a keveréssel is csökkenthető a káros anyag kibocsátása. Emellett a CO és a nagy átmérőjű PM kibocsátás is kisebb (Rutz és Janssen, 2008).

BtL (Biomass to Liquid)

A BtL (Biomass to Liquid – biomasszából folyékony) üzemanyagok előállítása viszonylag új keletű. Mivel nincs még nagyüzemi gyártásra tervezve, ezért a második generációs üzemanyagokhoz tartozik. A biodízeltől abban különbözik, hogy gyártása során szintézisgázt alkalmaznak. Előnye, hogy különféle alapanyagokból készülhet, mint például szalma, hulladékfa, energiafüvek.

A BtL üzemanyagok gyártása a CtL (Coal to Liquid – szénből folyékony) és GtL (Gas to Liquid – földgázból folyékony) üzemanyagok gyártásakor szerzett tapasztalatokon alapszik. Az alapanyagot víz és oxigén jelenlétében először gázosítják. A gázosítás a következő három fő lépésből áll. Először alacsony hőmérsékleten karbonizálják a biomasszát (melynek kb. 15–20%-os nedvességtartalma van) részleges oxidációval levegővel vagy 400–500 °C-os oxigénnel. Így a biomassza lebomlik gázzá, kátránnyá és faszénné. A magas hőmérsékletű gázosításnál a kátránytartalmú gázt teljesen eloxidálják levegő vagy oxigén jelenlétében. Végül az endotermikus keverőágyas gázosításnál a faszént porrá zúzzák, majd befújják a gázosítóba. A porított szén és a gázosító közeg endotermikus reakcióba lép, melynek eredményeképpen tiszta szintézisgázt kapunk. A szintézisgáz főként H2-t, CO-t, CO2-t és CH4-t tartalmaz. A folyamat során az a cél, hogy minél nagyobb mennyiségű H2 és CO legyen a gázban (Rutz és Janssen, 2008). Második lépésként megtisztítják a gázt. Erre azért van szükség, mert a gázosítás fizikai korlátai nem teszik lehetővé a kátrány teljes eltávolítását, valamint az egyéb szennyeződésektől – például a kéntől – is meg kell tisztítani a gázt. A BtL gyártás harmadik lépése az ún. Fischer-Tropsch (FT) folyamat, melynek során különböző kémiai reakciókkal a szintézisgázból szénhidrogén-molekulákat állítanak elő. A legalkalmasabb reakciók a hidrogénből és a szén-monoxidból alkánokat, valamint vizet képeznek:

(7.5)

legtöbb így képződött alkán egyenes láncot alkot, mely dízelgyártásra alkalmas. A CO alkánná alakítása két úton zajlik, egyrészt hidrogénezéssel, másrészt a C-O kötések hidrogénnel történő felbontásával. A reakciók fémkarbonilok segítségével mennek végbe, melyek CO ligandumai eldisszociálnak. A katalizátorként használt fémkarbonilokat jellemzően átmeneti fémek Co, Fe, Ru (ruthenium) alkotják (Cheng és Timilsina, 2010).

Amint a 7.2. táblázatból láthatjuk, a BtL üzemanyagok tulajdonságai nagyon hasonlítanak a dízel üzemanyagokra. A magas cetánszám ideális égési környezetet biztosít, szinte teljes égés megy végbe. A többi bioüzemanyaggal ellentétben a BtL NOx tartalma jelentősen kisebb. Előnye továbbá, hogy a korábbi motorok átalakítása nélkül használható.

Biometán

Napjaink közlekedési infrastruktúrája folyékony üzemanyagokon alapszik, ezért a gáz alapú üzemanyagok bevezetése lassú folyamat. A földgáz üzemű járművek esetén az átállás könnyebb. További előnye, hogy a biometán a leghatékonyabb és legtisztább éghető bioüzemanyag, mely napjainkban rendelkezésre áll. Szinte bármilyen biomasszából előállítható, beleértve a nedves biomasszákat is, melyek a legtöbb bioüzemanyag előállítására alkalmatlanok.

Gyártása két fő lépésből áll, a biogáz előállításából és a gáz megtisztításából. A biogázt anerob bomlással készítik. A bomláshoz különböző baktériumtörzseket használnak, hogy a bomlás különböző fázisai a legnagyobb hatékonysággal menjenek végbe. Négy fő csoportra különíthetők el az alkalmazott baktériumok. Egy részük a komplex szerves hulladékot cukrokká és aminosavakká bontja. Más részük – az erjesztő baktériumok – az így kapott anyagokból szerves savat képeznek. A harmadik baktériumcsoport a szerves savat hidrogénné, szén-dioxiddá és acetáttá alakítja, melyből a metanogén baktériumok – a negyedik csoport – biogázt termelnek. A baktériumok aktivitása hőmérsékletfüggő, ezért legalább 20 °C-ot kell számukra biztosítani. Általánosságban ha magasabb hőmérsékletet alkalmazunk, a gyorsabb feldolgozási idő eredményeképpen, 25–40%-kal kisebb emésztőtároló is elegendő. Az emésztők típusai különböző szempontok szerint csoportosíthatók, melyeket összefoglalva a 7.3. táblázat mutat (Rutz és Janssen, 2008).

Szempont

Típus tulajdonsága

Folyamat hőmérséklete

   

pszichrofil baktériumok (25 °C)

mezofil baktériumok (32–38 °C)

termofil baktériumok (42–55 °C)

Alapanyag nedvességtartalma

 

nedves bomlás (szárazanyag tartalom < 15%)

száraz bomlás (szárazanyag tartalom 20–40%)

Bomlási folyamat lépcsőinek száma

   

egy

kettő

több

Adagolási folyamat

   

szakaszos

kvázi-folyamatos

folyamatos

7.4. táblázat: Emésztők osztályozási elve (Rutz és Janssen, 2008).

A bomlási folyamat eredményeképpen kapott biogáz általában 6:4 arányban tartalmaz metánt és szén-dioxidot. Emellett kis mennyiségben hidrogénszulfid és kis mennyiségben (0–2%) egyéb gázok (NH3, CO, H2,N2,O2) is megtalálhatók benne (Graaf és Fender, 2010). Mivel csak a metán használható üzemanyagként, ezt el kell különíteni. A végső termék a biometán, mely 95–100%-os metántartalommal rendelkezik. A többlépcsős erjesztési folyamatot több erjesztő (fermentor) összekapcsolásával végzik (7.6. ábra). Egy ilyen üzemet általában mezőgazdasági üzemek mellé telepítenek, mert így az erjesztéshez szükséges biomassza szállítási veszteség nélkül hozzáférhető. A termelt biogáz az épületek (keltetők, ólak) fűtésére és elektromos áram termelésére egyaránt felhasználható. Az erjesztés után fennmaradó sűrű pépszerű maradék pedig trágyázásra alkalmas, ezáltal csökkentve a magas nitrogén- és foszfáttartalmú műtrágyák alkalmazásának szükségességét.

a biogázüzem alapanyagát a növényi nyersanyag (pl. energia növények) és a hígtrágya adja. Először a fermentorban erjesztik magas hőmérsékleten folyamatos keverés mellett, majd átszivattyúzzák az utófermentorba. Az utófermentorból származó biogázzal generátor hajható meg, mellyel épületek és a biogázüzem fűtését lehet megoldani, valamint elektromos áram fejleszthető. Az utófermentorból a maradékot tárolják és gazdasági trágyaként felhasználhatják.

7.6. ábra: Biogázüzem általános sémája.

Maga a metán magas üvegház-potenciállal rendelkezik, 100 évre vonatkoztatva minden egyes metánmolekula 23-szor jobban melegíti a légkört, mint egy CO2 molekula. Üzemanyagként magasabb fajlagos energiával, illetve üzemanyag-egyenértékkel rendelkezik (7.4. táblázat), mint a folyékony bioüzemanyagok (7.2. táblázat). Biogáz előállításával a mezőgazdasági tevékenység során a légkörbe juttatott metán jelentős része csökkenhető, hiszen égésekor CO2-dá alakul. Attól függően, hogy milyen alapanyagot használnak előállításához, a biogázzal a CO2 kibocsátás 65–85%-kal kisebb a fosszilis üzemanyagokhoz képest. Emellett az NOx, CO és szénhidrogén mennyisége is jelentősen kisebb a biogázban, mint a jelenlegi fosszilis üzemanyagokban (7.5. táblázat).

 

Sűrűség [kg/l]

Viszkozitás [mm2/s]

Gyulladáspont[°C]

Fajlagos energia érték [20°C-on MJ/kg]

Fajlagos energia érték [MJ/l]

Oktánszám [ROZ]

Üzemanyag ekvivalencia

Metán

0,72

-

-

50

36

130

1,4

7.5. táblázat: A biometán fizikai tulajdonságai (Paul és Kemnitz, 2006).

kibocsátott anyag

Benzin

dízel

NOx

55%

80%

CO

55%

50%

PM

-

98%

szénhidrogén

80%

80%

ózon keletkezés

65%

85%

7.6. táblázat: A biometán használatával elérhető kibocsátás-csökkentés mértéke a fosszilis benzinhez és dízelhez képest (Rutz és Janssen, 2008).

Egy másik előnye a biometánnak az, hogy mivel hulladékból állítják elő, nem igényel földterület felhasználást. Továbbá a biometán hektáronkénti energiahasznosítása közel három és félszer akkora, mint a biodízelé (7.7. ábra).

1 ha földterületet használva biodízellel kb. 20 ezer, bioetanollal 30 ezer, BtL-lel, 55 ezer, míg biometánnal 70 ezer kilométert tehetünk meg gépjárművel.

7.7. ábra: Különböző bioüzemanyagokból kinyerhető energia, szállítási kilométerekben kifejezve, 1 ha földterület használattal számítva (Costa Gomez, 2006).

Biohidrogén

A hidrogén az univerzum egyik leggyakoribb eleme. Habár a hidrogénüzemű üzemanyagcellák használata nem növeli az üvegházgázok koncentrációját, előállításukkor jelentős mennyiségű üvegházhatású gáz és egyéb káros anyag szabadulhat fel. A hidrogén előállítására számos lehetőség kínálkozik (Rutz és Janssen, 2008).

  1. Elektrolízis: a víz elektromossággal H2-re és O2-re bontható. A kapott hidrogén rendkívül tiszta, de az eljáráshoz nagymennyiségű elektromosságra van szükség. Ideálisan ezt olyan megújuló energiaforrásokkal lehetne fedezni, mint a nap- vagy a szélenergia.

  2. Gőz-metán reakció: természetes metángázból közel 1100 °C-on katalizátor jelenlétében hidrogén fejleszthető. Ez relatíve hatékony eljárás és kis költséggel jár.

  3. Fotoelektrolízis: Egy félvezető segítségével a víz napfény segítségével felbontható. Az eljárás során egy fotovoltaikus cellát vízbe tesznek, mely napfény hatására felbontja a vízmolekulákat. Még csak laboratóriumi kísérletek szintjén működik ez a technológia.

  4. Hidrogén előállítása szénből: Igen környezetkárosító módja a H2 fejlesztésnek. A technológia fejlesztés alatt áll.

  5. Bio-hidrogén: egyes zöld algák hidrogént termelnek a napfény hatására, mely hasznosítható. Ez az eljárás is kísérleti fázisban van.

  6. Biomassza melléktermék: A fenti átalakítási folyamatok egy részénél – például a gázosítás során – melléktermékként H2 keletkezik.

Amint látható, a hidrogén nagyüzemi fejlesztésének még technológiai korlátai vannak. A hatékonyabb felhasználáshoz azonban új típusú üzemanyagcellákra is szükség van, ezért a hidrogén ipari méretű alkalmazására még egy-két évtizedet várni kell.

7.2.5 Konverziós technikák ipari elterjedése

A fő konverziós folyamatok kereskedelmi szinten is elérhetők, de az egyes altípusok között nagy különbségek vannak (7.8. ábra). A biomassza előkezelések közül a hidrotermikus kezelés jelenleg kutatási és fejlesztési stádiumban van. A pörkölési eljárás bevezetés alatt áll. A pirolízist napjainkban kezdik iparilag alkalmazni. A pellet és brikett készítés már jól bevált technológia az iparban.

Az anaerob bomlással végzett mikrobiológiai üzemanyagcellák használata még csak kísérleti stádiumban létezik. A kétfázisú bomlás és a biogáz feljavítás technológiáinak ipari alkalmazása még néhány évet várat magára. Az egyfázisú bomlással, valamint a szemétlerakókból és szennyvízből származó biogáz ipari előállítását viszont már megvalósították (IEA, 2012b). A közvetlen hőtermelő technológiák közül a kis méretű gázosítás még kezdeti ipari fázisban van, a gőzkazánokban és tüzelőkben felhasznált biomassza az iparban elterjedt.

Elektromos áram előállítására az égetést, az együtt-tüzelést és a gázosítás során keletkező biogázt használják. A hagyományos gőzciklussal fejlesztett ipari méretű elektromos áramfejlesztés könnyen elterjedt. Kezdeti ipari állapotban van az olyan motorok elterjedése, ahol a hővezető folyadék nem víz, hanem bioüzemanyag. A gőzüzemű biogázt használó motorok demonstrációs, illetve kezdeti ipari állapotúak. Az együtt-tüzeléskor a meglévő szénadagolást biomassza égetéssel egészítik ki.

Az égetéshez hasonlóan a gázosításnál is a motorok alkalmazása kezdeti állapotban van, míg a gőzciklussal működtetett áramfejlesztők ipari méreteket öltenek. Kísérleti és demonstrációs fázisban az üzemanyagcellákkal történő gázosítás van, míg demonstrációs és kezdeti ipari felhasználásúak a belsőégésű gáz- illetve belső gázosító kombinált turbinák.

A különböző biomassza alapanyagokra alkalmazható konverziós eljárásokat, valamint azok eredményét a 7.1. animációra kattintva lehet áttekinteni.

7.1. interaktív animáció: Különböző biomassza alapanyagok hasznosítási lehetőségei. Az alapanyagokra kattintva megjelenik az alapanyag neve, az alkalmazott eljárás, valamint az eredmény.

a fejezetben leírt konverziós folyamatokra jellemző technológiák nyersanyagforrás és fejlesztési állapot szerint vannak csoportosítva.

7.8. ábra: A biomassza konverziós folyamatok és termékek fejlesztési állapota (Chum et al., 2007).