Transcript 10. óra anyaga

Alternatív energiaforrások
Bioüzemanyagok
Múlt és jelen
• Folyamatatosan nő a világ energiafelhasználása
1937
2000
Igényeink meghaladják lehetőségeinket
Megoldás: megújuló/alternatív energiaforrások
• Napenergia
• Szélenergia
• Vízenergia
• Geotermikus energia
• Biomassza (élő és nemrég elhalt szervezetek, biológiai
eredetű termékek)
Megújuló energiaforrások
• Közvetlen : Nap – ebből származó energia
megújítható
• Közvetett : szél, víz, biomassza, geotermikus
energia (ez utóbbi nem egyértelmű)
• Alternatív, mert megoldást kínál a fosszilis
energiahordozók kiváltására
– Ez nemcsak a kifogyóban lévő készletek miatt fontos,
de pl. az üvegházhatás csökkentéséhez is hozzájárul
Zöldáramtermelés (Magyarország, GWh)
Biomassza
Biogáz
Vízenergia
Szélenergia
Hulladékégetés
Forrás: VG-gyűjtés
2001
7
7,6
186
0,9
112
2004
793
23
210
5,5
54
Megújuló energiaforrások
Biomassza
– biológiai eredetű anyag (élő és nemrég elhalt szervezetek,
biológiai eredetű termékek)
– A biomassza a szén, a kőolaj és a földgáz után a világon jelenleg
a negyedik legnagyobb energiaforrás. Világátlagban a felhasznált
energia 14 %-át, a fejlődő országokban 35 %-át biomassza
felhasználásával nyerik
– Faipari hulladék,gabonafélék, egyéb növények szármaradványai,
stb – közvetlen égetéssel nyerhető energia
– Cellulóz, keményítő alapú biomasszából biogáz, alkohol
nyerhető
– Állattartásból eredő, élelmiszeripari melléktermékekből,
hulladékokból szintén nyerhetünk biogázt
– Energiahordozó előállítása - üzemanyag
Biorefinery =bio-finomító
Biodízel
• Telítetlen zsírsavakból előállított metil észter
• Alapanyagok: növényi olajok (kb 97%-a triglicerid), állati
zsiradékok, használt sütőolaj
– A növényi olajok üzemanyagként használata szempontjából
hátrányos, hogy nagyobb a viszkozitása, ill. nehezebben gyullad,
mint az ásványolaj eredetű. Ezek alapján tehát önmagukban
üzemanygként nem alkalmazhatók. Át kell észterezni NaOH-os
metilalkohollal a növényi zsírsavakat
• Termesztett alapanyag: repce, napraforgó, szója,
tökmag, dió, stb
– olajpréselés
– Trigliceridek jelenléte gond, ezek átészterezése szükséges
– Melléktermékek: olajpogácsa – energiadús (fehérje),
glicerin –szintén hasznosítható
Napraforgóolajjal
száguldó autókat
veszély fenyegeti
Mi ez az isteni
sültkrumpli
szag???
Etanol
• Már az egyiptomiak is tudták (azaz legalább 3000 éve
használt technológia: élesztővel cukorból sört, bort
fermentáltak)
• Ma még jelentősebb, hiszen a bioüzemanyagok egyik fő
képviselője (első etanol hajtotta autót 1880-ban Henry Ford
alkotta, majd 1990-től Amerikában gasohol, mely
kukoricából készült)
• Fermentáció lényege: Saccharomyces cerevisiae oxigén
hiányában cukorból etanolt és CO2-ot állít elő
C6H12O6
2 C2H5OH + CO2
• Nagyüzemi gondok: az etanol, mint oldószer 5% feletti
koncentrációban tönkreteszi a sejtek membránját
• Előnye, hogy magas cukortartalmú hulladékot,
mellékterméket is fel lehet használni alapanyagként
Alkohol termelő mikroorganizmusokban
a glükóz átalakulása etanollá
glükóz
glikolizis
SzentgyörgyiKrebs ciklus
2 piruvát
2 CO2
Piruvát
dekarboxiláz
acetaldehid
Alkohol
dehidrogenáz
NADH
NAD+
2 etanol
Fejlesztési lehetőségek
• oldószer toleráns törzsek keresése (Zymomonas
mobilis baktérium), létrehozása (több hosszúláncú
telítetlen zsírsav a sejtmembránban)
• Batch kultúra helyett fed-batch-, vagy folyamatos-,
és/vagy sokedényes folyamatos kultúra
• Etanol folyamatos kivonása
• Cellulóz alapú szubsztrátok használata jó, de
előkezelés szükséges: fizikai (pl. gőzrobbantás),
kémiai (pl. savas hidrolizis), biológiai (celluláz
enzimek)
Cellulózból a glükóz enzimatikus
kinyerése
cellulóz
celluláz
cellobióz
b-glükozidáz
glükóz
Az intermedier és a végtermék gátolja (negatív visszacsatolás)
az enzimatikus folyamatokat
Bioetanol
• Keményítő és magas cukortartalmú növényi termékekből
régóta
• Most ismét „divat” – benzinhez kötelező bekeverni
– Olajválság, ólomterhelés miatt
• Cukorrépa, búza, kukorica, cukornád, burgonya, cukorcirok
• Bioetanol előállítás többlépcsős
• Üzemanyagként lehet eredeti formájában használni, de
hátránya, hogy a benzinhez képest kisebb az energiatartalma (ugyanakkora táv megtételéhez 25-50%-kal több
alkoholra van szükség) Benzinbe keverve, ill.
komponensként üzemanyagadalék formájában
• Üzemanyagadalékként oktánszámjavító etil-tercier-butil-éter
(ETBE) gyártható belőle (5-7%-ban használják)
Néhány bio-etanol előállításra alkalmas növény termesztési adatai (www.kekenergia.hu)
Növény
Termésátlag
(t / ha)
Átlagos bioetanol
hozam (l / ha)
Cukorrépa
40
4000
Cukorcirok
35
3500
Cukornád
57
5300
Burgonya
20
2000
Őszi búza
5
1500
Kukorica
6
2300
Csicsóka
50
4200
ABE (aceton-butanol-etanol) fermentáció
• 1861-ben Pasteur figyelte meg a butanol képződését egy
butirát termelő törzs izolálása során
• 1893-ban Beijernick két butanol termelő baktériumot izolált:
Granulobacter butylicus, G. saccharobutyricum
• 1914-től ipari szintű mikrobiológiai termelés – aceton, butanol
• 1914 Weizmann izolálta az anaerob Clostridium
acetobutylicum-ot, keményítőből acetont és butanolt állított
elő. Az I. Világháború során a lőporgyártásban sok aceton
kellett, a nitrocellulóz oldószere
• A butanolt a gumielőállításhoz haszálták, butadiént állítottak
elő belőle, mely a szintetikus gumi prekurzora
• ABE termelődés 6-6,5% szubsztrátnak kb 37%-a lesz
oldószer 3:6:1 arányban
• A sejtek exponenciális fázisában acidogén szakasz: acetát,
butirát képződik, a rendszer savanyodik, 2. szakaszban
szolventogén fázis alacsony pH-n ABE termelődés, 3.
szakasz az alkohologén fázis. Melyben csak etanol és butanol
képződik közel semleges pH-n
Clostridium sp. fermentáció időskála
Gáz=CO2+H2
ABE (aceton-butanol-etanol)
fermentáció
Clostridium acetobutylicum
etanol
aceton
butanol
Biogáz
Biogáz
• Szervesanyagok anaerob bontásával nyerhető gáz – fő
komponensek: CH4 + CO2
• Felhasználása:
– helyben – fűtésre
– Elszállítva – gázhálózatba – fűtésre
- Villamos- és hőenergia előállításra
- motormeghajtásra
• hulladékhasznosítás!
• Visszamaradó biomassza talajerőpótlásra
Biogáz előállításának sematikus
ábrázolása
BIOGÁZ
Szerves
anyag,
“hulladék”
Anaerob
fermentáció
TÁPANYAG
Biogáz képződés
Polimerek
bontása
Monomerek,
oligomerek
emésztése
Biogáz
+H2
Energia növények
Bagasse
Cukor cirok
Cukorrépa
Csicsóka
Lucerna
A nyírbátori biogáz üzem
Biohidrogén
Biotechnológiai előállítása :
1. víz bontásából
2. a nitrogén fixálás mellékterméke
3. biomassza fermentációja során
H2
H2 fejlesztés
redukció
ENERGIA
H+
e-
H2 fogyasztás
oxidáció
H2
REDUKÁLÓ
SZER
hidrogén alapú technológiák
Legtisztább energiahordozó: H2
Víz
Víz
primer
energia
energia
szállítás,
tárolás
energia
felhasználás
Biohidrogén termelési stratégiák
2H+
2H2O
e-
Fotoszintézis
eO2 + 2H+
Biomassza
elektron hordozó
Hidrogenáz
Sötét
fermentáció
e-
e-
elektron hordozó
2H+
Hidrogenáz
Kétlépéses, keratintartalmú hulladékot hasznosító
hidrogéntermelő rendszer
I. keratintartalmú hulladék
II. hidrogéntermelés
III. gáztisztítás
biológiai bontása
Bacillus licheniformis
Thermococcus litoralis
oldott keratin
H2
H2, CO2
CO2
keratintartalmú
hulladék
biomassza
biomassza
Jó vagy rossz???
• Zöldszervezetek tiltakoznak a
bioüzemanyagok bevezetése ellen!
• A belefektetett energia, költségek
megtérülnek-e?