Τεχνολογίες παραγωγής

Η ενεργειακή αξιοποίηση της βιομάζας μπορεί να επιτευχθεί με:

Θερμικές διεργασίες

  • Καύση (με ή χωρίς προ επεξεργασία της βιομάζας-τεμαχισμός, συμπίεση, ξήρανση κ.α.)
  • Αεριοποίηση
  • Πυρόλυση

Βιολογικές διεργασίες 

  • Αερόβια ζύμωση (composting)
  • Αναερόβια χώνευση (παραγωγή βιοαερίου)

Καύση

Ως καύση ορίζεται η οξείδωση της βιομάζας με περίσσεια ποσότητα αέρα η οποία παρέχει θερμά καυσαέρια που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ατμού, που ακολούθως αυτός θα χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Χρήση
Η βιομάζα μπορεί να καεί σε μικρής κλίμακας μοντέρνους λέβητες ατμού για σκοπούς θέρμανσης ή σε μεγαλύτερους λέβητες για τη παραγωγή ηλεκτρισμού ή συμπαραγωγή θερμότητας και ηλεκτρικής ενέργειας (CHP). Όλα τα είδη βιομάζας μπορεί να καούν αλλά με απαραίτητη προϋπόθεση η υγρασία να είναι μικρότερη από 50%.

Μία από τις μεθόδους καύσης είναι η τεχνολογία ORC. Αναλυτικότερα, η παραγωγή ηλεκτρισμού ή/και θερμότητας από την καύση της βιομάζας σε σύστημα ORC αποτελεί μια σημαντική εναλλακτική στα συμβατικά συστήματα καύσης της βιομάζας, με ξεχωριστά οικονομικά και περιβαλλοντικά πλεονεκτήματα.

Η θεμελιώδης διαφορά του Οργανικού Κύκλου Rankine (ORC) με τους υπόλοιπους θερμοδυναμικούς Κύκλους Rankine είναι ότι ο ORC δεν χρησιμοποιεί νερό ως κινούμενο ρευστό, αλλά κάποια άλλη κατάλληλη οργανική ουσία. Συνήθως η οργανική ουσία είναι κάποιος υδρογονάνθρακας (βουτάνιο, πεντάνιο, εξάνιο, κ.λπ.), κάποιο σιλικονούχο λάδι ή υπερφθοράνθρακας (PFC).

Ιδιότητες
Το οργανικό ρευστό του συστήματος ORC πρέπει να διαθέτει χαμηλό σημείο ζέσεως, χαμηλή κρίσιμη θερμοκρασία και πίεση, μικρό ειδικό όγκο, χαμηλό ιξώδες και επιφανειακή τάση, υψηλή θερμική αγωγιμότητα και να είναι συμβατό-μη διαβρωτικό προς τα υλικά κατασκευής του μηχανολογικού εξοπλισμού και φιλικό προς το περιβάλλον.

Στις ORC διεργασίες κρίνεται απαραίτητη η συμμόρφωση στους νομοθετικούς περιορισμούς που ισχύουν για μερικά οργανικά ρευστά καθώς είναι υπεύθυνα για την καταστροφή του όζοντος . Αρκετά από τα ρευστά που είχαν χρησιμοποιηθεί κατά καιρούς στο παρελθόν ανήκουν στα Freon και τα CFC, (ενώσεις που αποδεδειγμένα οδηγούν στην καταστροφή του όζοντος του πλανήτη), ενώ άλλες, όπως τα HCFC και τα HFC είναι υπεύθυνα για την μεγέθυνση του φαινομένου του θερμοκηπίου. Κατά συνέπεια, η χρήση τους στην τεχνολογία ORC έχει απαγορευτεί και στη θέση τους χρησιμοποιούνται ενώσεις, όπως οι HFEs και το πεντάνιο. Σημειώνεται ότι ο τύπος της χημικής ουσίας που χρησιμοποιείται ως οργανικό ρευστό επηρεάζει και την συνολική ενεργειακή απόδοση του συστήματος ORC.

Εφαρμογή
Οι πρώτες εφαρμογές του συστήματος ORC εμφανίστηκαν στα τέλη της δεκαετίας του 1970 και τη δεκαετία του 1980 με μεσαίας κλίμακας ισχύος συστήματα που τροφοδοτούνταν είτε από την ηλιακή ενέργεια, είτε από τη γεωθερμία. Πλέον περισσότερες από 200 μονάδες ηλεκτροπαραγωγής έχουν εγκατασταθεί με συνολική ισχύ μεγαλύτερη των 1,8GWe. Η πλειοψηφία των ORC μονάδων χρησιμοποιούν βιομάζα για την παραγωγή ενέργειας.

Διαδικασία
Η θερμότητα από την καύση της βιομάζας μεταφέρεται από τα καυσαέρια σε διαθερμικό λάδι μέσω δυο εναλλακτών θερμότητας σε θερμοκρασία που κυμαίνεται από 150 μέχρι 320°C. Κατόπιν, το διαθερμικό λάδι μεταφέρεται στον κύκλο του ORC, όπου θερμαίνεται και εξατμίζεται το οργανικό κινούμενο ρευστό σε θερμοκρασία γύρω στους 300°C. Το εξατμισμένο ρευστό έπειτα εκτονώνεται παράγοντας ενέργεια, ενώ ακολουθεί η δίοδος του μέσω του κατάλληλου εναλλάκτη θερμότητας για την προθέρμανση νέας ποσότητας ρευστού και για την συμπύκνωσή του. Έτσι μειώνεται η απαιτούμενη ποσότητα θερμότητας για την εξάτμιση του οργανικού μέσου στον εξατμιστήρα.

Αεριοποίηση

Σαν τεχνολογία που χρησιμοποιεί ανανεώσιμη ενέργεια, το σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με αεριοποίηση βιομάζας μετατρέπει στερεά γεωργικά και αστικά υπολείμματα, όπως ροκανίδια, πριονίδι, κλαδιά δέντρων, φλοιό ρυζιού, καλάμια ρυζιού, κοτσάνι βαμβακιού, φλοιό φοίνικα, μπαμπού, υπολείμματα ζαχαροκάλαμου κ.α., σε καύσιμα αέρια με την χρήση της τεχνολογίας της αεριοποίησης. Το καύσιμο αέριο εν συνεχεία καθαρίζεται και ψύχεται πριν την είσοδο του στις μηχανές αερίου για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Η αεριοποίηση της βιομάζας είναι ουσιαστικά η μετατροπή των στερεών καυσίμων (ξύλο και κατάλοιπα ξύλου, γεωργικά κατάλοιπα κτλ.) σε καύσιμο αέριο μείγμα που καλείται συνήθως παράγωγο αέριο. Η διαδικασία αυτή συνήθως χρησιμοποιείται για διάφορα υλικά βιομάζας και περιλαμβάνει την μερική καύση τέτοιας βιομάζας. Η διαδικασία της μερικής καύσης συμβαίνει όταν η παροχή αέρα (Ο2) είναι μικρότερη από την απαιτούμενη για την πλήρη καύση της βιομάζας.

Πλεονεκτήματα αεριοποίησης

  • Μετατρέπει ένα παραδοσιακά χαμηλής ποιότητας ακατάλληλο για χρήση καύσιμο σε υψηλής ποιότητας, εύχρηστο καύσιμο αέριο. Η μετατροπή αυτή είναι σε σχετικά πολύ υψηλή απόδοση και καταλήγει σε μια απόλυτα βολική και ελεγχόμενη διαδικασία
  • Σχεδόν όλη η περιβαλλοντική μόλυνση που σχετίζεται με την χρήση της βιομάζας μπορεί να ελαχιστοποιηθεί. Είναι φιλική προς το περιβάλλον και μειώνει την απειλή της παγκόσμιας υπερθέρμανσης του πλανήτη
  • Το κόστος τόσο της αρχικής επένδυσης όσο και της ενέργειας / ισχύς παραγωγής είναι ανάμεσα στα χαμηλότερα από τις γνωστές εναλλακτικές καθώς βασίζεται στις τοπικές πηγές με μια λογική σταθερότητα στην τιμή
  • Καθώς είναι μια ανανεώσιμη τεχνολογία υπάρχουν πολλά κονδύλια διαθέσιμα από την κυβέρνηση. Οι αεριοποιητές είναι επιλέξιμοι για Carbon Credits στα πλαίσια του μηχανισμού καθαρής ανάπτυξης και το αυξανόμενο κόστος αυτών των credits θα μπορούσε να επιταχύνει την απόσβεση του συστήματος
  • Επειδή η βιομάζα ως πρώτη ύλη δεν περιέχει σχεδόν καθόλου θείο, η διαδικασία αεριοποίησης δεν παράγει εκπομπές οξειδίων του θείου (SOx). Παρομοίως, κατά την αεριοποίηση βιομάζας και την παραγωγή του «σύνθετου αερίου»(syngas) προκύπτει πολύ περιορισμένη συγκέντρωση οξειδίων του αζώτου (NOx), με επακόλουθο τη χαμηλή εκπομπή ρύπων κατά την καύση στις μηχανές.
     

Πυρόλυση

Είναι η χημική διάσπαση οργανικών υλικών με θέρμανση σε απουσία οξυγόνου και άλλων αντιδραστηρίων.

Διαδικασία
Η πρώτη ύλη θερμαίνεται ταχύτατα σε θερμοκρασίες 400-500⁰C, σε συνθήκες έλλειψης αέρα (οπότε και οξυγόνου) με αποτέλεσμα την έκλυση αερίων όπως υδρογόνο (Η₂), μεθάνιο (CH₄), μονοξείδιο του άνθρακα (CO) και ως υπόλειμμα πυρολιγνιτικά υλικά (ξυλόπισσα και ξυλάνθρακα). Τα πυρολιγνιτικά υλικά στη συνέχεια μπορούν με απόσταξη να δώσουν ποικιλία χημικών προϊόντων παράγοντας έτσι, ατμούς οργανικών ενώσεων, μη συμπυκνώσιμα αέρια και ρευστή πίσσα. Οι ατμοί των οργανικών ενώσεων στη συνέχεια συμπυκνώνονται, παράγοντας έτσι το έλαιο πυρόλυσης (pyrolysis oil) ή βίο-έλαιο (bio-oil). Το έλαιο πυρόλυσης παράγεται σε ποσοστό 20% και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ανανεώσιμης ενέργειας, καυσίμων ή χημικών προϊόντων. Η ενεργειακή πυκνότητα του ελαίου είναι έως 5 φορές μεγαλύτερη από εκείνη της αρχικής βιομάζας, γεγονός που προσφέρει ουσιαστικά διαχειριστικά πλεονεκτήματα. Ως ένα επιπλέον  πλεονέκτημα θεωρείται η  δυνατότητα χρήσης του ελαίου σε υψηλότερης απόδοσης στροβίλους παραγωγής ενέργειας.

Mε την πυρόλυση η ενεργειακή μετατροπή της βιομάζας φτάνει σε απόδοση το 90%, ενώ για τις ενεργειακές ανάγκες της πυρόλυσης απαιτείται περίπου το 10% του παραγόμενου αερίου. Τα αέρια που δεν συμπυκνώνονται και έχουν παραχθεί από την πυρόλυση μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας.