power-to-gas technolÓgiÁhoz kapcsolÓdÓ ...imre attila budapest műszaki és gazdaságtudományi...
TRANSCRIPT
-
1
POWER-TO-GAS TECHNOLÓGIÁHOZ KAPCSOLÓDÓ
KUTATÁSOK A BME-N
METÁNCSEPPFOLYÓSÍTÁS; METÁNELNYELETÉS,
HULLADÉKHŐ HASZNOSÍTÁS, OXIGÉNVISSZAKEVERÉS,
ADATELEMZÉS ÉS OPTIMALIZÁLÁS
Imre Attila
Budapest műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék
P2G 2019, Budapest
-
2
P2G ALAPÚ ENERGIATÁROLÁSI KUTATÁSI
PROJEKT
-
3
P2G
Bemenő: szén-dioxid, víz, villamos energia
Kijövő: metán, oxigén, hulladékhő
A villamos energiát kémiai formában tároljuk, időben (és/vagy térben) elkülönülő felhasználáshoz.
A gyártás optimalizálása mellett a melléktermékek felhasználása is fontos.
-
4
PROJEKTEK
Hulladékhő-hasznosítás
Metán elnyeletésfémszivacsban Metán elnyeletésfolyadékokbanMetán cseppfolyósítás
Oxigén-visszakeverés
Adatelemzés, termelés optimalizáció
-
5
HULLADÉKHŐ FELHASZNÁLÁS
A technológiában több lépés van, ahol hulladékhő keletkezik
- a jelenlegi metanizálás; 65 ˚C hulladékhő (hűtés szükséges hálózatba táplálás előtt)- a gáz sűrítésénél, ill. elnyeletés- A széndioxid-forrásnál is lehet hulladékhő (főleg ha ez egy égetőmű)
A hulladékhők felhasználhatók más technológiai lépésekben, de előállítható belőlük villamosenergia. A felhasználás lehet azonnali, illetve későbbi (ekkor hőtárolás szükséges) Speciálisan az ilyen alacsony hőmérsékletű (65-200 ˚C) hulladékhőkre dolgozták ki az ORC-technológiákat, amikor az áramfejlesztőt nem nagynyomású vízgőz, hanem egy jóval alacsonyabb forráspontú szerves anyag gőze hajtja (ilyen elven működik a turai geotermerőmű is).
Amennyiben a hőmérséklet túl alacsony, napkollektorral lehet emelni; míg külön sem a napkollektor hője, sem a hulladékhőt nem érné meg átalakítani, együtt már megfelelő hatásfokú átalakítás lehetséges.A megtermelt villamos energia mellett a környezet hőterhelése is csökkenthető, akár az össz-hulladékhő 15-25%-val (ez más területeken is felhasználható).
-
6
HULLADÉKHŐ FELHASZNÁLÁS
A BME EGR-en folyó kutatások arra irányulnak, hogy adott hőmérsékletű és mennyiségű hulladékhőhöz megtaláljuk az optimális munkaközeget (a vizet helyettesítő szerves anyagot). Eddig ezt próba-szerencse módszerrel végezték, mi a kémiai tulajdonságok alapján optimalizálunk.
Emellett nagyobb mennyiségű hulladékhő tároláshoz dolgozunk ki technológiákat; a hőtároló anyag a tárolandó hő hőmérsékletéhez van optimalizálva)
Gábor Györke, Axel Groniewsky, Attila R. Imre: A simple method to find new dry and isentropic working fluids for Organic Rankine Cycle, Energies, 12 (2019) 480
-
7
PROJEKTEK
Hulladékhő-hasznosítás
Metán elnyeletésfémszivacsban Metán elnyeletésfolyadékokbanMetán cseppfolyósítás
Oxigén-visszakeverés
Adatelemzés, termelés optimalizáció
-
8
METÁN-TÁROLÁS
A keletkező metán optimális esetben betáplálható a földgázhálózatba. Előfordulhat viszont olyan eset, amikor a P2G állomáshoz nincs kiépített gázvezeték és a kiépítés költségei magasak lennének (ld. a német HELMETH projekt terveit). Ekkor a megtermelt metánt el kell szállítani a felhasználóhoz.
Lehetőségek
- CNG-t csinálni belőle …
- LNG-t csinálni belőle …
- elnyeletni egy fém-mátrixban …
- elnyeletni egy hordozó folyadékban …
-
9
METÁN TÁROLÁS - CNG
0 50 100 150 200 250 300
0
50
100
150
200
250
sû
rûsé
g (
kg
/m3
)
nyomás (bar)
tiszta metán (CNG), 25 0C
metán (CNG)
sûrûség: 160-180 kg/m3
fûtõérték: 50 MJ/kg
benzin
sûrûség: 720-775 kg/m3
fûtõérték: 43 MJ/kg
Azonos energiatartalom mellett még nagy nyomáson is, 4-5-ször nagyobb térfogat, mint a benzin esetén; közlekedésben ez mindenképp hátrány.
-
10
METÁN TÁROLÁS - LNG
Direkt hűtéssel költséges. Lehet kompressziós-expanziós lépésekkel kombinálni a hűtést, ez esetben a költségek csökkenthetők. A kompressziós hulladékhő és az expanziós hideg-hő (kriogenikus energia) felhasználható a korábban említett ORC-technológiákban, ezzel csökkentve a további költségeket (BME EGR).
-
11
METÁN TÁROLÁS – FÉM-MÁTRIX
- Több potenciális fém-organikus-mátrix is létezik.- A cél az, hogy 1 g mátrixban 500 mg metánt tudjanak tárolni 35 bar nyomáson
(messze a CNG nyomása alatt 200-250 bar - könnyebben kezelhető).- A BME VBK-n zajló kutatások főként a mátrixok mechanikai stabilitásával, valamint
a vízzel szembeni ellenállásával foglalkoznak.
-
12
METÁN TÁROLÁS HORDOZÓFOLYADÉKBAN
A metánt egy másik folyadékban is elnyelethetjük; esetleg a másik „folyadék” lehet gáz is (pl. propán), közösen viszont könnyebben cseppfolyósíthatók.
Ha a másik folyadék egy másik alkán, akkor a felhasználásnál részben az is megsemmisül (elég); jelenleg propánra fokuszál a kutatás.
A későbbiekben nem éghető, nem volatilis hordozófolyadékot szeretnénk találni, ez teljes mértékben újrafelhasználható lenne.
-
13
PROJEKTEK
Hulladékhő-hasznosítás
Metán elnyeletésfémszivacsban Metán elnyeletésfolyadékokbanMetán cseppfolyósítás
Oxigén-visszakeverés
Adatelemzés, termelés optimalizáció
-
14
OXIGÉN VISSZAKEVERÉS
A metanizáláshoz hidrogén szükséges, amit vízbontásból nyernek. Ekkor melléktermékként oxigén is keletkezik. Amennyiben ezt is fel tudjuk használni, akkor csökkenthetők a fajlagos költségek.
- Ha a CO2-forrás pl. egy szennyvíztelep, akkor a szennyvíz kezelésére felhasználható az oxigén.
- A későbbiekben - főképp a CO2-emissziós korlátok szigorítása miatt – várható, hogy kidolgoznak a CO2 füstgázokból való kivonására hatékonyabb és kevésbé költséges technológiákat. Ekkor a CO2 forrás lehet egy biomassza-égető, hulladékégető, stb. Az ilyen alacsony fűtőértékű anyagoknál égésjavítóként hasznosítható a visszakevert oxigén. Mivel az égés tökéletesebb lesz, a fajlagos CO2 kibocsájtás is csökkenni fog.
-
15
HULLADÉKÉGETŐoxyfuelfluidágyas
Gas (Air)
Plenum
Az FBC technika ismert tulajdonságai:
+ Nagyfokú flexibilitás a tüzelőanyag
minőségével szemben
+ Jóval nagyobb szemcseméret megengedett
+ Kiváló keveredés és hőtranszport
+ In-situ alacsony: NOX+ In-situ alacsony: SO2- Nagyobb ventilátor kell
-
16
HULLADÉKÉGETŐoxyfuelfluidágyas
Hagyományos tüzelés Oxyfuel tüzelés
O2
N2 égés
CO2
N2?
levegő
C, H
O2
CO2 égés
CO2
CCU
(CCS)O2
C, H
Az oxyfuel technika ismert tulajdonságai:
+ A füstgáz (tisztán) CO2 → CCU/CCS
+ Tökéletesebb égés
+ Többlet szabadságfok a szabályozáshoz (O2 részarány)
- O2 szükséges (ez itt nem hátrány!)
-
17
HULLADÉKÉGETŐoxyfuelfluidágyas
Tulajdonságok:
+/- Fluidágyas
+/- Oxyfuel
+ CO2 pontforrás
+ O2 integrált hasznosítás
+ hulladék hasznosítás (deponálás helyett)
CO2
hő
O2 CO2
hulladék
(RDF/SRF)
Bár a technológia minden eleme ismert, mégsem lehet mondani, hogy
kereskedelmi termékről lenne szó − különösen nem a szóban forgó
méretre, alkalmazásra és hulladékmixre.
(fbc.energia.bme.hu)
http://www.fbc.energia.bme.hu/
-
18
PROJEKTEK
Hulladékhő-hasznosítás
Metán elnyeletésfémszivacsban Metán elnyeletésfolyadékokbanMetán cseppfolyósítás
Oxigén-visszakeverés
Adatelemzés, termelés optimalizáció
-
19
ADATELEMZÉS/OPTIMALIZÁCIÓ
Mivel a fő-termék több úton is hasznosítható és a melléktermékeknek is különböző felhasználási csatornái lehetnek, szükséges a technológiai és gazdasági optimalizáció (mikor miből küldünk ide többet, oda kevesebbet, ehhez melyik berendezés működését hogyan kell változtatni). E technológiai optimalizációval kapcsolatban jelenleg is folynak kutatások a BME ERG-en.
-
20
ÁTTEKINTÉS
Hulladékhő-hasznosítás és hőtárolás: Imre Attila, Groniewsky Axel, Kustán Réka, BME GPK
Metán elnyeletés fémszivacsban : László Krisztina, BME VBKMetán elnyeletés folyadékokban: Imre Attila, BME GPKMetán cseppfolyósítás: Imre Attila, Groniewsky Axel, BME GPK
Oxigén-visszakeverés: Szentannai Pál, BME GPK
Adatelemzés, termelés optimalizáció: Groniewsky Axel, BME GPK
-
21
TOVÁBBI KUTATÁSI PROJEKTEK
Új metanizációs technológia (Szegedi Egyetem)
Vízbontáshoz kötődő kutatások (MTA EK)
Metán reformáláshoz kötődő kutatások (MTA EK)
-
22
KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS
Az ismertetett kutatások részben a FIEK_16-1-2016-
0007 számú projekt keretén belül a Nemzeti Kutatási
Fejlesztési és Innovációs Alapból biztosított
támogatással, a "Felsőoktatási és Ipari
Együttműködési Központ – Kutatási infrastruktúra
fejlesztése – FIEK_16" pályázati program
finanszírozásában valósultak meg.
-
23