Alternatv energiaforrsok Biozemanyagok Mlt s jelen Folyamatatosan n
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 2001 7 7, 6 186 2004 793 23 210 Szélenergia Hulladékégetés 0, 9 112 5, 5 54 Forrás: VG-gyűjtés
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 Na. OH-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 CO 2 -ot állít elő C 6 H 12 O 6 2 C 2 H 5 OH + CO 2 • 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 Szentgyörgyi. Krebs ciklus 2 piruvát 2 CO 2 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 p. H-n ABE termelődés, 3. szakasz az alkohologén fázis. Melyben csak etanol és butanol képződik közel semleges p. H-n
Clostridium sp. fermentáció időskála Gáz=CO 2+H 2
ABE (aceton-butanol-etanol) fermentáció
Clostridium acetobutylicum etanol aceton butanol
Biogáz
Biogáz • Szervesanyagok anaerob bontásával nyerhető gáz – fő komponensek: CH 4 + CO 2 • 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 +H 2
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 H 2 fejlesztés redukció ENERGIA H+ e- H 2 fogyasztás oxidáció H 2 REDUKÁLÓ SZER hidrogén alapú technológiák
Legtisztább energiahordozó: H 2 Víz primer energia szállítás, tárolás energia felhasználás
Biohidrogén termelési stratégiák 2 H+ 2 H 2 O e- Fotoszintézis O 2 + 2 H+ Biomassza e- Sötét fermentáció elektron hordozó e- Hidrogenáz e- elektron hordozó 2 H+ Hidrogenáz
Kétlépéses, keratintartalmú hulladékot hasznosító hidrogéntermelő rendszer I. keratintartalmú hulladék II. hidrogéntermelés III. gáztisztítás biológiai bontása Bacillus licheniformis Thermococcus litoralis oldott keratin H 2, CO 2 keratintartalmú hulladék biomassza
Jó vagy rossz? ? ? • Zöldszervezetek tiltakoznak a bioüzemanyagok bevezetése ellen! • A belefektetett energia, költségek megtérülnek-e?
- Slides: 32