Biotechnologie pozyskiwania źródeł energii odnawialnej

Biologiczne źródła energii, paliw gazowych i ciekłych

Sposoby pozyskiwania energii z surowców biologicznych

Zawartość energetyczna różnych paliw Paliwo Energia (GJ/t) Gaz ziemny 55 Węgiel 28 Benzyna 47 Olej napędowy 43 Drewno 15 Papier 17 Gnojowica 16 Słoma 14 Trzcina cukrowa 14 Odpady komunalne 9 Odpady przemysłowe 16 Siano 4

Źródło Typ paliwa Organizm Wydajność (sm/ha/rok) Drzewa leśne Drzewa szybkorosnące Trawy wieloletnie Odpady ze zbóż Odpady komunalne Rośliny uprawiane Rośliny wodne Drobnoustroje Drewno Słoma Odpady Sacharoza Skrobia Olej Materiał roślinny Wodór Różne gatunki Wierzba Topola Miscanthus sp. Hemmthria Pennisetum Łodygi trzciny cukrowej Słoma kukurydziana, ryżowa, jęczmienna itp.. - Trzcina cukrowa Buraki cukrowe Kukurydza Ziemniaki Rzepak Słonecznik Soja Lilia wodna Tatarak Cyjanobakterie, Mikroglony Botryococcus braunii 10 –35 6 – 15 10 – 17 20 7 – 22 34 – 55 36 – 70 8 – 15 26 5 – 21 2 – 3 52 – 100 8 - 34

Fermentacja metanowa biogaz ścieki oczyszczone ścieki odpady płynne osady ustabilizowane ścieki odpady płynne osady ściekowe odpady komunalne odpady z przemysłu rolno-spożywczego Fermentacja metanowa biogaz

Fermentacja metanowa Przekształcenie związków organicznych o różnym stopniu utlenienia do metanu i CO2 w warunkach beztlenowych. Proces jest kilkuetapowy, prowadzony przez konsorcjum bakterii. Ostatni etap – bakterie metanowe Produkt końcowy – biogaz, zawierający 55 – 75% metanu, 20 – 40% CO2, 2 - 3 % wodoru

CO2 + H2  CH4 + 2H2O 4HCOOH  CH4 + 3CO2 + 2H2O Fermentacja metanowa Reakcje metanogenezy z różnych substratów CO2 + H2  CH4 + 2H2O 4HCOOH  CH4 + 3CO2 + 2H2O 4CH3OH  3CH4 + CO2 + 2H2O CH3COOH  CH4 + CO2 Reakcje te prowadzone są przez drobnoustroje należące do Archebacteria, Będące ścisłymi beztlenowcami; większość z nich jest organizmami termofilnymi. Wykorzystują one CO2 jako źródło węgla, NH4+ jako źródło azotu i H2S jako źródło siarki.

Fermentacja metanowa Współzależność bakterii acetogennych i metanowych

Rodzaje reaktorów i techniki fermentacji anaerobowej

Schemat przydomowej wytwornicy biogazu

INSTALACJA DO WYTWARZANIA BIOGAZU Z ORGANICZNYCH ODPADÓW STAŁYCH (SALZBURG, AUSTRIA) W instalacji przerabianych jest rocznie 20 000 ton odpadów w jednofazowym procesie fermentacji beztlenowej. Odpady rozdrobnione do 40 mm są transportowane do dozownika, mieszane ze szlamem fermentacyjnym. i podgrzewane do 55 C, a następnie wprowadzane do bioreaktora. Wydajność 135 m3 biogazu/T odpadów. Przetworzenie na energię elektryczną – 250 kWh ze 135 m3 biogazu.

Schemat instalacji wykorzystującej odpady browarnicze do wytwarzania energii w obiegu zamkniętym

Efektywność wytwarzania biogazu Substrat Wydajność biogazu m3/m3/dzień Czas zatrzymania (h) Osad ściekowy pierwotny Osad ściekowy wtórny Odpady komunalne Obornik bydlęcy Obornik świński 0,9 – 3,0 0,7 – 2,4 2,4 – 3,6 1,0 5 – 22 19 – 30 10

Wytwarzanie oleju przez rośliny Roślina Wydajność (kg/ha/rok) Wieloletnie Kakaowiec 860 Drzewo oliwne 1 019 Awokado 2 217 Palma kokosowa 2 260 Palma makauba 3 775 Palma olejowa 5 000 Roczne Kukurydza 145 Bawełna 273 Soja 375 Słonecznik 800 Orzeszki ziemne 890 Rzepak 1 000 Rycyna 1 188 Jojoba 1 528

Oleje wytwarzane biologicznie Organizmy wytwarzające i akumulujące oleje mogące znaleźć zastosowanie jako paliwo Rośliny Hevea brasiliensis (kauczukowiec) 3 – 10 t/ha/rok Eucalyptus globus Drobnoustroje Glony (oleje terpenoidowe) Botrycoccus braunii 53 – 75% s.m. Chlorella vulgaris 40 – 58% s.m. Phaedodactylum tricornutum 31% s.m. Hydrokraking i destylacja oleju z Botrycoccus braunii daje 62% benzyn, 15% paliwa lotniczego, 15% oleju napędowego, 3% olejów cięzkich Drożdże Apiatrichium curvatum (triacyloglicerole) do 80& s.m.

Komórki drożdży Apiatrichium curvatum wytwarzające i magazynujące duże ilości lipidów

Biodiesel Porównanie właściwości oleju napędowego, olei roślinnych i modyfikowanych olei roślinnych Cecha Olej napędowy Olej rzepakowy Olej słonecznikowy Olej sojowy Krakowany olej sojowy Modyfikowany olej kokosowy Gęstość (kg/l) Lepkość (cSt) Punkt zapłonu (C) Liczba cetanowa Wartość energetyczna (MJ/kg) 0,85 2,8 – 3,5 64 – 80 48 – 51 38 - 45 0,78 – 0.91 37 – 47 246 – 273 38 – 50 37 - 40 0,86 – 0,92 34 – 46 183 – 274 37 – 49 33 - 40 0,88 – 0,91 33 – 45 178 – 254 38 – 45 0,88 7,74 Brak danych 43 40,6 0,81 2,58 BD 60,5 47,5

Biodiesel Modyfikacje olei roślinnych mające na celu polepszenie cech paliwowych Mieszanie z olejem napędowym i alkoholami (obniżenie lepkości) Problem – separacja faz Mikroemulgacja – dyspersja mieszaniny oleju, oleju napędowego, środka powierzchniowo-czynnego i krótkołancuchowego alkoholu Piroliza (ogrzewanie w temp. 300 – 500 C w obecności katalizatora) Rozpad triacylogliceroli. Problem – wydajność (do 80%), koszt 4. Transestryfikacja. Tworzenie estrów metylowych lub etylowych.

Transestryfikacja triacyloglicerydów Warunki: stosunek molowy metanol lub etanol: olej 6:1, kataliza alkaliczna (NaOH lub KOH), kwasowa (HCL lub H2SO4), lub enzymatyczna (lipaza).

Porównanie właściwości oleju napędowego i estrów z olei roślinnych Cecha Olej napędowy Estry metylowe z oleju rzepakowego Estry etylowe z oleju rzepak. Estry metylowe z oleju słoneczn. Biodiesel EN 14214 Gęstość (kg/l) Lepkość (cSt) Punkt zapłonu (C) Liczba cetanowa Wartość energetyczna (MJ/kg) 0.85 2,8-3,5 64-80 48-51 38,5-46 0,77-0,88 6,1-7,2 170-185 52-54 35-40 0,88 6,2 124 60 40,5 0,89 4,3 110 47 40 3,5-5,0 >101 >51 Brak danych

Wytwarzanie wodoru w układach biologicznych Technologie wytwarzania wodoru: reforming metanu zgazowanie węgla termokatalityczna przeróbka pary wodnej (katalizator zeolitowy) elektroliza wody gazyfikacja biomasy piroliza biomasy bezpośrednie wytwarzanie przez drobnoustroje Drobnoustroje wytwarzające wodór: glony zielone; bakterie fotosyntetyzujące (np. Rhodospirillum rubrum, Rhodobacter sphaeroides), inne bakterie (np. Clostridium butylicum, Clostridium bifermentans, Enterobacter aerogenes; warunki beztlenowe, substraty – mąka, skrobia, wydajność – 4 – 6 g z kg Substratu).

Wytwarzanie wodoru w układach biologicznych Szlaki wytwarzania wodoru przez drobnoustroje fotosyntetyzujące a/ szlak bezpośredni; w warunkach niskiego poziomu siarki; b/ szlak pośredni c/ szlak z wykorzystaniem fotosystemu