Odpadek iz biomase kot surovina in energetski vir, Matjaž Kunaver

ODPADEK IZ BIOMASE KOT SUROVINA
IN ENERGETSKI VIR
Matjaž Kunaver
Kemijski inštitut Ljubljana
[email protected]
Slovenski biopolimerni dan
Slovenj Gradec, 5.6.2014
ZAKAJ?
58.4%
površine je
pokrite z
gozdom.
Gozdne
površine se
povečujejo.
Samo ½
letnega
prirasta
posekamo.
Slovenski biopolimerni dan
Slovenj Gradec, 5.6.2014
Lignocelulozna
biomasa
Celuloza
Hemiceluloze
Glukoza
Ksiloza, Arabinoza
Etanol
Gorivo
Slovenski biopolimerni dan
Organske kisline,
tekstilna vlakna,
polimeri, lepila, maziva,
črnila
lignin
Polimeri,
gorivo
Slovenj Gradec, 5.6.2014
Lignocelulozni materiali
Slovenski biopolimerni dan
Slovenj Gradec, 5.6.2014
Ljubljana – Zbirni center Barje
Podatki iz leta 2010
350.000 prebivalcev:
5.700 ton lesnih odpadkov (pohištvo)
2.300 ton zeleni odrez
Slovenski biopolimerni dan
Slovenj Gradec, 5.6.2014
Les – glavne sestavine
• najbolj razširjen naravni polimer
• kompleksna zgradba:
- celuloza 42 – 51%
- hemiceluloze 24 – 40%
- lignin 18 – 30%
- ekstraktivi
- pepel
Slovenski biopolimerni dan
Slovenj Gradec, 5.6.2014
Eksperimentalni pristop
Depolimerizacija lesne biomase s polioli do multifunkcionalne
oligomerne mešanice – surovine za sintezo polimerov:
Poliestri: nenasičeni in nasičeni
Poliuretani
Slovenski biopolimerni dan
Slovenj Gradec, 5.6.2014
Kaj je UTEKOČINJEN LES ?
Zmes depolimeriziranih in
utekočinjenih komponent
lesa – rezultat reakcije s
polihidroksi alkoholi in
kislinskega katalizatorja.
Utekočinjanje pretvori les v
surovino za sintezo novih,
okolju prijaznih polimerov.
Slovenski biopolimerni dan
Slovenj Gradec, 5.6.2014
Postopek utekočinjanja
Laboratorijski reaktor za
utekočinjanje lesa in druge
biomase
Slovenski biopolimerni dan
Pilotni reaktor za utekočinjanje
lesa in druge biomase - GGP
Postojna. (1200kg/dan)
Slovenj Gradec, 5.6.2014
Utekočinjena biomasa
LEPILA
GORIVO
POLIESTRI,
POLIURETANSKE
PENE
Slovenski biopolimerni dan
Slovenj Gradec, 5.6.2014
Poliestri: nenasičeni in nasičeni
Poliuretani
Sinteza poliestra na osnovi utekočinjenega lesa:
- V istem reaktorju kot za utekočinjanje biomase
- Dodamo večfunkcionalne organske kisline
- Reakcija poteka pri 180oC do 200oC 2 do 4 ure
- Pogoji so podobni, kot pri sintezi poliestra za
premaze in kompozite.
Slovenski biopolimerni dan
Slovenj Gradec, 5.6.2014
Trde poliuretanske pene iz U.L. ali UL-Poliestra
Poliuretanske pene iz
utekočinjenega lesa ali
poliestra na osnovi U.L.
Gostota = 40 - 50 Kg/m3
Tlačna trdnost pri 10%
deformaciji:
300kPa – 400kPa
Toplotna prevodnost:
0.028-0.036W/mK
Slovenski biopolimerni dan
Slovenj Gradec, 5.6.2014
IZOLACIJSKE LAHKE PLOŠČE
Poliretanska pena iz
poliestra na osnovi
utekočinjene
biomase
MDF 3mm
Slovenski biopolimerni dan
Slovenj Gradec, 5.6.2014
Trde poliuretanske pene iz U.L. ali UL-Poliestra
Lastnosti PUR pene so odvisne od sestave poliestra
in od formulacije za izdelavo pene.
Pigmenti za obarvanje in aditivi za izboljšanje
lastnosti zlahka dodamo v končno formulacijo za
izdelavo pene.
Delež lesa:
- 50% - 25 % v utekočinjenem lesu
- 45% - 25% v linearnem poliestru
- 20% - 10% v poliuretanski peni
Slovenski biopolimerni dan
Slovenj Gradec, 5.6.2014
INDUSTRIJA LESNIH KOMPOZITNIH PLOŠČ MOŽNOSTI
Svetovna proizvodnja 2011: 75 Mio m3
– Evropa: 37 Mio m3
– Azija: 32 Mio m3
37 Mio m3:
17
12
4
4
Mio m3 ivernih plošč
Mio m3 MDF vlaknenih plošč
Mio m3 Vezanih plošč
Mio m3 OSB
10% Adhesive
30% Adhesive
~ 15% Adhesive
5% Adhesive
17 Mio m3 = 12 Mio Ton = 1.2 Mio Ton lepila
Slovenski biopolimerni dan
Slovenj Gradec, 5.6.2014
Izdelava ivernih plošč
•
komercialna lepila:
- melamin-urea-formaldehidno (MUF)
- melamin-formaldehidno (MF)
•
parametri stiskanja:
- T = 140 - 180°C
- t = 2 – 3,5 min
- p = 3 N/mm2
•
testiranje fizikalnih in mehanskih lastnosti
ivernih plošč skladno z Evropskimi
standardi
Slovenski biopolimerni dan
Slovenj Gradec, 5.6.2014
Mehanske in fizikalne lastnosti troslojnih ivernih plošč,
pripravljenih z lepilom, ki vsebuje 30 ut.%
utekočinjenega lesa – simulacija industrijskega procesa
Zahtevane vrednosti
Dosežene vrednosti
16,0 ± 0,3
16.1
-
0.72
Razslojna trdnost
EN 319 (N/mm2)
Več kot 0.35
0.94
Čvrstost površine
EN 311 (N/mm2)
Več kot 0.8
1.96
Upogibna trdnost
EN 310 (N/mm2)
Več kot 13
21.1
Debelinski nabrek
EN 317 (%)
Manj kot 15
8.2
Manj kot 8
3.2
Debelina EN 324 (mm)
Gostota EN 323 (g/cm3)
Emisija formaldehida
Perforator metoda
EN 120 (mg/100g plošče)
Slovenski biopolimerni dan
Slovenj Gradec, 5.6.2014
LEPILA Z DODANO UTEKOČINJENO BIOMASO
- UPORABA
•siva lepenka (recikliran
odpadni papir)
•Melamin urea
formaldehidna smola
•Utekočinjena biomasa
•Dekorativna folija, furnir
Visoka nosilnost!
Slovenski biopolimerni dan
Slovenj Gradec, 5.6.2014
Poliester iz utekočinjenega lesa:
Lepilo za vezane plošče
Lepilo iz poliestra iz utekočinjenega lesa in melaminskoformaldehidne smole (1:1).
STANDARD EN 12765:
Klasifikacija termično utrjujočih
lepil za nestrukturne aplikacije...
Lahko dosežemo več kot
12N/mm2 vezivne moči.
USTREZA KLASI C1 in C2
Slovenski biopolimerni dan
Slovenj Gradec, 5.6.2014
LEPILA Z DODANO UTEKOČINJENO BIOMASO
- UPORABA
OPAŽNE PLOŠČE V
GRADBENIŠTVU
•Melamin urea
formaldehidno lepilo
•Utekočinjena biomasa
Slovenski biopolimerni dan
Slovenj Gradec, 5.6.2014
LEPILA Z DODANO UTEKOČINJENO BIOMASO
- UPORABA
•LEPILO ZA PARKET:
+ 20% POLIESTRA IZ UTEKOČINJENE BIOMASE
Slovenski biopolimerni dan
Slovenj Gradec, 5.6.2014
NANOKRISTALINIČNA CELULOZA
•Dolžina: ~200nm, premer:~ 20nm
•IZKORISTEK: 90%
nanokristalinične celuloze iz
različnih virov.
•Suspenzija v različnih topilih.
•Visoka kompatibilnost.
•Enostavna modifikacija.
Slovenski biopolimerni dan
Slovenj Gradec, 5.6.2014
Share of renewable energy in final energy consumption
ENERGIJA IZ BIOMASE
100,00
90,00
80,00
70,00
60,00
2008
50,00
2009
40,00
2010
30,00
Goal (2020)
20,00
10,00
0,00
Delež energije iz obnovljivih virov v skupni porabi energije v EU: trendi in cilji
Vir: Eurostat, Share of renewable energy in gross final energy consumption, 2013.
Slovenski biopolimerni dan
Slovenj Gradec, 5.6.2014
Utekočinjen les - gorivo
Predgretje
Rezervoar
Zgorevanje
- proizvodnja toplote: gorilnik centralnega ogrevanja
- soproizvodnja toplote in električne energije: mikroturbina
Kurilna vrednost: 22-24 MJ/kg
Rjavi premog:
Suh les:
Lignit:
Kurilno olje:
21 MJ/kg
14,5 MJ/kg
15 MJ/kg
42 MJ/kg
Slovenski biopolimerni dan
Slovenj Gradec, 5.6.2014
Utekočinjen les - gorivo
KURILNA VREDNOST: 22 -24 MJ/kg
Energija, potrebna za utekočinjanje:
1. Standardno – brez ultrazvoka:
4.8 MJ/kg
2. Standardno – z ultrazvokom:
1.6 MJ/kg
3. Utekočinjanje v pilotnem reaktorju:
0.45 MJ/kg
(z uporabo ultrazvoka 2kW moči)
Slovenski biopolimerni dan
Slovenj Gradec, 5.6.2014
UTEKOČINJENA BIOMASA – TEKOČE GORIVO ZA
KOGENERACIJO TOPLOTE IN EL. ENERGIJE
Dovod goriva
Predgrevanje, filtracija
Izgorevalna
komora
Velikost kapljic, uparevanje, čas
zadrževanja
Plinska turbina
Pepel, korozivni plini?
Slovenski biopolimerni dan
Slovenj Gradec, 5.6.2014
INOVATIVNA KONSTRUKCIJA ZA TESTIRANJE NA
STROJNI FAKULTETI UNIVERZE V LJUBLJANI ...
Dovod goriva
zgorevalna komora
kompresor - turbina
rekuperator
loputa za intenziteto
rekuperacije
Gorivni sistem
Hladilni sistem
Slovenski biopolimerni dan
Slovenj Gradec, 5.6.2014
Pomembno vprašanje: Je to ekonomično?
1. LEPILA za iverne plošče:
0.63 EUR/kg
Dodatek 30% utekočinjene biomase:
0.53 EUR/kg
Emisija formaldehida: manj kot 5mg/100g
2. Cena GORIVA za proizvodnjo 10kWh energije:
Utek. naftni plin:
1.18 EUR
utek. zemeljski plin
0.80 EUR
Kurilno olje:
1.41 EUR
Bencin 95:
1.71 EUR
Utekočinjena biomasa:
0.98 EUR
Slovenski biopolimerni dan
Slovenj Gradec, 5.6.2014
Zaključki
• Različne lignocelulozne materiale smo utekočinili z izkoristkom več kot
95%.
• Sintetizirali smo poliestre z uporabo utekočinjene biomase. Del polihdroksi
alkoholov (iz surove nafte) smo tako nadomestili z obnovljivimi viri.
• Lastnosti poliuretanskih pen so primerljive komercialnim.
• Utekočinjeno biomaso smo uporabili kot lepilo za pripravo ivernih plošč– z
zmanjšano emisijo formaldehida in odličnimi mehanskimi lastnostmi.
• Poliestre na osnovi utekočinjene biomase lahko uporabimo v lepilih za
različne namene
• Utekočinjeno biomaso smo uporabili kot gorivo.
• Učinkovito in inovativno lahko uporabimo lignoclulozno biomaso v sintezi
polimerov. Pri tem lahko uporabimo tudi glicerol iz proizvodnje biodiesla.
Slovenski biopolimerni dan
Slovenj Gradec, 5.6.2014
Zahvale:
- Kemijskemu inštitutu Ljubljana za vso podporo pri
raziskavah.
- Strojni fakulteti Univerze v Ljubljani.
- GGP za njihovo materialno in finančno pomoč.
- Biotehniški fakulteti Univerze v Ljubljani, Oddelku za
lesarstvo.
- Melaminu Kočevje
- Centru odličnosti PoliMaT
Slovenski biopolimerni dan
Slovenj Gradec, 5.6.2014