*Ινστιτούτο Τεχνολογιών Παραγωγής Κεραμικών Εξαρτημάτων και Σύνθετων Υλικών, Πανεπιστήμιο της Στουτγάρδης
Εισαγωγή
Οι ανανεώσιμες πρώτες ύλες έχουν γίνει πρόσφατα μείζον θέμα συζήτησης λόγω της περιορισμένης διαθεσιμότητας ορυκτών καυσίμων. Τα ερωτήματα σχετικά με τις αποδόσεις των καλλιεργειών, την απαιτούμενη έκταση και το ενεργειακό περιεχόμενο βρίσκονται στο προσκήνιο. Σε σύγκριση με τα ορυκτά καύσιμα, η συμπεριφορά της καύσης των ανανεώσιμων πρώτων υλών επηρεάζεται πολύ περισσότερο από παραμέτρους όπως οι κλιματικές συνθήκες, η επεξεργασία, η ξήρανση και η αποθήκευση των φυτικών μερών - μαζί με τη σχετική περιεκτικότητα σε υγρασία - και συνεπώς υπόκειται σε μεγαλύτερες φυσικές διακυμάνσεις. Στο Σχήμα 1 παρουσιάζεται μια σύνθεση των πρώτων υλών και εκείνων που μπορούν να ταξινομηθούν ως βιομάζα και ενεργειακά φυτά.
Ενεργειακά εργοστάσια
Εάν τα ενεργειακά φυτά πρόκειται να χρησιμοποιηθούν ως εναλλακτική λύση για τα ορυκτά καύσιμα, το κόστος προμήθειας πρέπει να συγκριθεί με τις αποδόσεις των καλλιεργειών. Για παράδειγμα, 232 κιλά κριθαριού ισοδυναμούν με 100 λίτρα πετρελαίου θέρμανσης σε θερμογόνο δύναμη [1] και είναι κατά 41 ευρώ φθηνότερα σε κόστος με βάση τις τιμές αγοράς του Σεπτεμβρίου 2013. Υποθέτοντας ετήσια κατανάλωση 3.000 λίτρων για τη θέρμανση μιας μονοκατοικίας στη Γερμανία, η εξοικονόμηση θα ήταν 1.200 ευρώ ετησίως. Δεδομένου ότι τα γεωργικά φυτά, όπως τα διάφορα είδη σιτηρών, πρέπει να χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ενέργειας μόνο εάν είναι μη βρώσιμα ή μικρής ποιότητας και συνεπώς ακατάλληλα για ανθρώπινη κατανάλωση, εξετάζονται εντατικά εναλλακτικές ενεργειακές εγκαταστάσεις.
Λαμβάνοντας υπόψη τις αυξανόμενες τιμές του αργού πετρελαίου, τα pellets ξύλου και άλλα, τα εργοστάσια παραγωγής ενέργειας προσφέρουν ήδη μια οικονομικά αποδοτική εναλλακτική λύση. Στον πίνακα 1 συγκρίνονται οι μέσες τιμές και οι τιμές θέρμανσης για το άχυρο καλλιεργειών, τα pellets ξύλου και το πετρέλαιο θέρμανσης [2].
Πίνακας 1: Τιμές θέρμανσης και κόστος των διαφόρων ενεργειακών φορέων
Τιμή | Αξία θέρμανσης | Κόστος / 1000 MJ | |
|---|---|---|---|
| Πετρέλαιο θέρμανσης | 850 €/t | 35 MJ/l | 23.40 € |
| Πελέτες ξύλου | 220 €/t | 19 MJ/kg | 11.57 € |
| Άχυρο | 110 €/t | 16 MJ/kg | 6.87 € |
Όπως φαίνεται από τον πίνακα, η χαμηλότερη θερμογόνος δύναμη του άχυρου αντισταθμίζεται από το σημαντικά χαμηλότερο κόστος απόκτησης που το καθιστά πιο οικονομικό από το πετρέλαιο θέρμανσης. Ως εκ τούτου, τα γεωργικά απόβλητα, όπως το άχυρο από την παραγωγή δημητριακών, αξίζει να εξεταστούν πιο προσεκτικά ως εναλλακτική πηγή ενέργειας μαζί με άλλα ενεργειακά φυτά που αναπτύσσονται εύκολα σε όλους σχεδόν τους τύπους εδάφους. Το κινέζικο ασημόχορτο (miscanthus sinensis) και το miscanthus giganteus παρουσιάζουν επίσης συγκριτικά υψηλή θερμογόνο δύναμη και χαμηλή περιεκτικότητα σε τέφρα και συνεπώς παρουσιάζουν ενδιαφέρον για περαιτέρω διερεύνηση. Αν και ο μισκάνθος πρέπει να καλλιεργείται ειδικά για ενεργειακή χρήση, το άχυρο της ελαιοκράμβης είναι διαθέσιμο ως υποπροϊόν της παραγωγής σιτηρών. Συνεπώς, οι περιορισμοί της έκτασης πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά τη στάθμιση των πλεονεκτημάτων των δύο πηγών ενέργειας.
Θερμοβαρυμετρία
Η μέθοδος της θερμοβαρυμετρίας (TG) είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για τη διερεύνηση των διεργασιών καύσης. Επιτρέπει την ταχεία αξιολόγηση της θερμικής σταθερότητας κυρίως στερεών καυσίμων. Η ποσότητα του καύσιμου υλικού (απώλεια μάζας) και η εναπομένουσα περιεκτικότητα σε τέφρα (υπόλειμμα) ποσοτικοποιούνται εύκολα. Η θερμοκρασία καύσης και ο ρυθμός αντίδρασης που αναλύονται μέσω του λογισμικού NETZSCH Thermokinetics παρέχει σημαντικές κινητικές πληροφορίες σχετικά με τη συμπεριφορά του υλικού κατά την καύση.
Μπορούν επίσης να ποσοτικοποιηθούν τόσο η απώλεια μάζας κατά την αντίδραση καύσης όσο και η περιεκτικότητα σε μη εύφλεκτη ορυκτή τέφρα. Σε αντίθεση με άλλες αντιδράσεις, όπως η αποσύνθεση ή η απελευθέρωση υγρασίας ή διαλυτών, η καύση είναι μια αντίδραση στερεού-αερίου. Επομένως, παράμετροι όπως η επιφάνεια του δείγματος, η συγκέντρωση του οξυγόνου στο αέριο καθαρισμού και η γεωμετρία του χωνευτηρίου είναι ζωτικής σημασίας.
Αυτές οι σημαντικές παράμετροι βελτιστοποιήθηκαν σε πειράματα με τη χρήση του NETZSCH STA 409 C για την καύση ενεργειακών φυτών.
Συμπεριφορά καύσης
Το παρόν σημείωμα εφαρμογής περιγράφει τα αποτελέσματα μιας έρευνας σχετικά με τη συμπεριφορά κατά την καύση του φυτικού άχυρου (μίσχανθος και επανασπόρος) και των πελλετών που παρασκευάζονται από αυτό. Οι ουσίες που διερευνήθηκαν απεικονίζονται στα σχήματα 2 και 3.
Η συμπεριφορά καύσης των υλικών διερευνήθηκε με NETZSCH STA 409 C. Χρησιμοποιήθηκε δειγματοφορέας DTA-TGA με ανοιχτά χωνευτήρια αλουμίνας- το αέριο καθαρισμού ήταν συνθετικός αέρας με ρυθμό ροής 80 ml/min. Όταν χρησιμοποιήθηκε ρυθμός θέρμανσης 20 K/min, οι αντιδράσεις καύσης ολοκληρώθηκαν στους 600°C (σχήματα 4 και 5).
Η μέθοδος DTA παρέχει πληροφορίες σχετικά με το ποσό της παραγόμενης θερμότητας και τον ρυθμό παραγωγής θερμότητας για την εξώθερμη αντίδραση καύσης. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι τα μη πελλετοποιημένα δείγματα παρουσίασαν υψηλότερη θερμότητα αντίδρασης (larger σήμα DTA) παρόλο που το προφίλ απώλειας μάζας ήταν παρόμοιο. Η μεγαλύτερη επιφάνεια του χαλαρού υλικού προάγει μια πιο αποτελεσματική διαδικασία καύσης. Επιπλέον, τα δείγματα άχυρου ελαιοκράμβης παρουσίασαν συμπεριφορά καύσης παρόμοια με εκείνη των δειγμάτων μισκάνθου. Η εναπομένουσα μάζα (περιεκτικότητα σε τέφρα) αντιστοιχεί στα αδρανή ανόργανα συστατικά των ενεργειακών φυτών.
Προσδιορισμός του πορώδους και της πυκνότητας
Με ποροσιμετρία υδραργύρου (Porotec Pascal 140/440) προσδιορίστηκαν το πορώδες και η πυκνότητα των δειγμάτων. Τα αποτελέσματα συνοψίζονται στον πίνακα 1. Τα σχήματα 6 και 7 απεικονίζουν τις σημαντικές διαφορές μεταξύ των δύο υλικών και των επεξεργασμένων προϊόντων τους (σφαιρίδια) όσον αφορά το πορώδες και τη σχετική ή ειδική πυκνότητά τους. Το δείγμα άχυρου ελαιοκράμβης χαρακτηρίζεται από χαμηλότερη πυκνότητα και σημαντικά larger όγκο πόρων σε σχέση με το δείγμα μισκάνθου (πίνακας 1). Αυτό προφανώς ευνοεί τη συμπεριφορά καύσης, καθώς το δείγμα μη πελλετοποιημένου άχυρου ελαιοκράμβης παρουσίασε σημαντικά υψηλότερο ρυθμό καύσης σε σημαντικά χαμηλότερη θερμοκρασία από το δείγμα πελλετών άχυρου ελαιοκράμβης (σχήμα 5).
Πίνακας 2: Σύγκριση των αναλυτικών δεδομένων των τεσσάρων δειγμάτων βιομάζας
| Ιδιότητες | Miscanthus | Σφαιρίδια μίσχανθου | Άχυρο ελαιοκράμβης | Σφαιρίδια ελαιοκράμβης |
|---|---|---|---|---|
| Συνολικό πορώδες [vol%] | 67.01 | 9.82 | 64.15 | 15.96 |
| Διατεταγμένος όγκος πόρων [m²/g] | 1366.0 | 70.0 | 2412.9 | 128.4 |
| Ειδική επιφάνεια δείγματος [mm²/g] | 16.87 | 6.64 | 3.64 | 7.75 |
| Μέση ακτίνα πόρων [μm] | 6.545 | 0.393 | 1.019 | 0.817 |
| Πυκνότητα1 [kg/dm³] | 0.49 | 1.40 | 0.27 | 1.24 |
| Φαινόμενη πυκνότητα2 [kg/dm3] | 1.49 | 1.56 | 0.74 | 1.48 |
1Πυκνότητα: Πυκνότητα του στερεού δικτύου (συμπεριλαμβανομένων των πόρων και του μεσοδιαμερισματικού κοίλου χώρου)
2Ορατή πυκνότητα: Πυκνότητα του υλικού συμπεριλαμβανομένων των κλειστών και μη προσβάσιμων πόρων
Ανίχνευση αερίων και κινητική ανάλυση
Ο χαρακτηρισμός FT-IR των αναπτυσσόμενων αερίων που σχηματίστηκαν κατά τη διάρκεια της θερμοβαρυτομετρικής ανάλυσης αποκάλυψε ότι τα αέρια που δημιουργήθηκαν στην κορυφή του ρυθμού αποσύνθεσης (στους 515°C) αποτελούνταν κυρίως απόCO2. Οι επιδράσεις των οριακών συνθηκών στον ρυθμό αντίδρασης μπορούν να αποφευχθούν σε μεγάλο βαθμό εάν χρησιμοποιηθεί χωνευτήρι με επίπεδη βάση και αρκετά υψηλή ροή αερίου (εδώ 160 ml/min οξυγόνου). Με τον τρόπο αυτό εκπληρώνεται μια κρίσιμη απαίτηση για την υποβολή των δεδομένων που λαμβάνονται σε μια σε βάθος κινητική ανάλυση. Η θερμοκινητική ανάλυση των θερμοβαρυτομετρικών δεδομένων από δείγμα σφαιριδίων μισκάνθου που ελήφθησαν με ρυθμούς θέρμανσης μεταξύ 1 και 5 K/min. πραγματοποιήθηκε με τη βοήθεια του λογισμικού NETZSCH Thermokinetics . Δύο διαδοχικές αντιδράσεις nth order βρέθηκαν να προσφέρουν την καλύτερη προσαρμογή στα πειραματικά δεδομένα, όπως φαίνεται στο σχήμα 9.
Συμπέρασμα
Αυτές οι θερμοβαρυτομετρικές έρευνες έδειξαν ότι η προετοιμασία του δείγματος και οι συνθήκες μέτρησης επηρεάζουν σημαντικά τα αποτελέσματα. Αξιόπιστες συγκρίσεις μεταξύ διαφορετικών δειγμάτων ενεργειακών εγκαταστάσεων όσον αφορά τη συμπεριφορά τους κατά την καύση μπορούν να γίνουν μόνο όταν οι μετρήσεις πραγματοποιούνται σε δείγματα εγκαταστάσεων με παρόμοια πυκνότητα και γεωμετρία συσκευασίας και υπό τις ίδιες συνθήκες αερίου καθαρισμού (δηλαδή, συγκέντρωση οξυγόνου και ρυθμός ροής).
Για τη συγκριτική διερεύνηση της συμπεριφοράς καύσης διαφορετικών ενεργειακών εγκαταστάσεων, θα μπορούσε να καθοριστεί ότι οι παράμετροι μέτρησης, όπως η γεωμετρία του δείγματος, η ποσότητα του δείγματος, η συγκέντρωση οξυγόνου του αερίου καθαρισμού, η ποσότητα του αερίου καθαρισμού αλλά και το μέγεθος των τμημάτων της εγκατάστασης ή η πυκνότητα συσκευασίας των δειγμάτων είναι καθοριστικής σημασίας. Προκειμένου να ελαχιστοποιηθούν αυτές οι εξωτερικές επιδράσεις, όλες οι παράμετροι μέτρησης του STA 409 C ρυθμίστηκαν έτσι ώστε να μην μπορούν να επηρεάσουν τα αποτελέσματα οι μετρήσιμες επιδράσεις αυτών των οριακών συνθηκών. Μόνο με αυτόν τον τρόπο είναι δυνατή η πραγματοποίηση συγκριτικής θερμοβαρυτομετρικής ανάλυσης αλλά και κινητικής αξιολόγησης των δεδομένων μέτρησης.
Αν και ο μισκάνθους είναι ελκυστικός ως πηγή ενέργειας λόγω της υψηλής ενεργειακής πυκνότητάς του, η ανάγκη για ειδική καλλιέργεια αυτής της καλλιέργειας μειώνει τη δυνητική του αξία. Η ελαιοκράμβη, από την άλλη πλευρά, είναι ένα εύκολα διαθέσιμο υποπροϊόν της παραγωγής δημητριακών και επίσης μια καλή πηγή ενέργειας.