POWER-TO-GAS TECHNOLÓGIÁHOZ KAPCSOLÓDÓ ...Imre Attila Budapest műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék P2G 2019, Budapest 2 P2G ALAPÚ

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





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





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


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


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





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.

Documents

POWER-TO-GAS TECHNOLÓGIÁHOZ KAPCSOLÓDÓ ...Imre Attila Budapest műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék P2G 2019, Budapest 2 P2G ALAPÚ