Biokaasun ja -vedyn tuotanto ja integrointi energiantuotantojärjestelmään

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2010
Major/Subject
Ydin- ja energiatekniikka
Mcode
Tfy-56
Degree programme
Language
fi
Pages
47
Series
Abstract
The purpose of this thesis was familiarizing me to the production of biogas and bio-hydrogen. Bio energy production is generally decentralized energy production due to small energy content of raw materials compared to their volume. Bioenergy production systems can be divided into stand-alone systems and grid connected systems. The main biogas hydrogen sources can be divided into dry and wet biomass. Each has its own conversion processes. Various waste streams are very important for biogas and hydrogen production. The yield of methane varies greatly from raw material to another. For wet biomasses anaerobic microbiological process is more efficient and for dry biomasses the thermal process is better. Biogas derived from anaerobic process is 55-75 % methane. Anaerobic decomposition consists of 4 phases. Key parameters for bioreactors in operation are retention time and loading rate Long-term storage of gas isn't profitable. Anaerobic bioreactors can be divided into dry and wet reactors. Gasification is based on gasification of solid fuel with sub-Stoichiometric air ratio. The resulting product gas contains mainly hydrogen and carbon monoxide. Gasification can be carried out with air or oxygen. Dark hydrogen fermentation and photo biological hydrogen production are based on hydrogen producing microbes. Hydrogen and methane can be converted into electricity by various means. The production and transportation costs of primary energy resources were taken into account. Calculations were based on resource allocation to smaller units in relation to their population or land area. Transportation costs to production points were calculated based on the surrounding density of resources. Small scale biogas production costs around 55 Euro / MWh. Biogas purification in a small applications scale is far too expensive, 80 Euro per MWh. Electricity and heat production of biogas is not viable without subsidies. In the larger scale the production costs of biogas from straw is <10 Euro / MWh. Purification is still around 55 Euro / MWh. Production of hydrogen via gasification costs 40-45 Euro / MWh. The efficiency of production of electricity and heat is 50 % and the efficiency of production of biogas is ~ 90%. In Finland, it would be possible to produce via selected conversion processes 1.8 TWh of electricity, 1.8 TWh of heat, 4.2 TWh of methane and 13.2 TWh of hydrogen.

Diplomityön tarkoitus oli perehtyä biokaasun ja -vedyn tuotantoon. Bioenergian tuotanto on yleensä hajautettua energiantuotantoa johtuen raaka-aineiden pienestä energian sisällöstä ja tilavuuteensa nähden. Bioenergiantuotantojärjestelmät voidaan jakaa stand-alone järjestelmiin ja verkkoon kytkettyihin järjestelmiin. Pääasialliset biokaasun ja - vedyn lähteet voidaan jakaa kuiviin ja märkiin biomassoihin. Kummallekin on omat konversioprosessinsa. Erilaisilla jätevirroilla on suuri merkitys biokaasun ja - vedyn tuotannossa. Metaanin saanto vaihtelee voimakkaasti raaka-aineesta toiseen. Märille biomassoille anaerobinen mikrobiologinen prosessi on tehokkaampi ja kuiville terminen. Anaerobisesta prosessista saatava biokaasu on 55 - 75 % metaania. Prosessi koostuu 4 vaiheesta. Keskeisiä tekijöitä bioreaktorin toiminnassa ovat pidätysaika ja kuormitus. Kaasun pitkäaikainen varastointi ei ole kannattavaa. Anaerobiset bioreaktorit voidaan jakaa kuiviin, märkiin, jatkuvatoimisiin ja panosperusteisiin. Kaasutus perustuu kiinteän polttoaineen kaasuttamiseen ali-stöikiometrisella ilmasuhteella. Syntyvä tuotekaasu koostuu pääosin vedystä ja hiilimonoksidista. Kaasutus voidaan suorittaa ilmalla tai hapella. Tuoreimpia vedyntuottotekniikoita biomassasta ovat pimeä käyminen ja fotobiologinen prosessi, jotka perustuvat vetyä tuottaviin mikrobeihin. Vety ja metaani voidaan muuntaa sähköksi useilla eri keinoilla. Primäärienergiaresursseista huomioitiin tuotanto- ja kuljetuskustannukset. Laskenta perustui resurssien jakamiseen pienempiin yksiköihin pinta-alojen tai asukaslukujen suhteessa. Kuljetuskustannukset arvioitiin tuotantopistettä ympäröivien resurssien tiheyden avulla. Biokaasun tuotanto maatilakokoluokassa kustantaa edullisimmillaan 55 &#128;/MWh. Biokaasun puhdistaminen on pienessä kokoluokassa aivan liian kallista, 80 &#128;/MWh. Sähkön ja lämmön tuotanto biokaasusta ei ole kannattavaa ilman tukia. Suuremmassa kokoluokassa biokaasun tuotanto oljesta <10 &#128;/MWh. Puhdistus 55 &#128;/MWh. Vedyn tuotanto kaasuttamalla 40 - 45 &#128;/MWh edullisimmillaan. Laitoskoot ovat melko suuria Suomeen. Anaerobisen prosessin hyötysuhde sähköksi ja lämmöksi 50 % ja biokaasuksi ~90 %. Suomessa olisi mahdollista tuottaa valituilla konversioprosesseilla 1,8 TWh sähköä, 1,8 TWh lämpöä, 4,2 TWh metaania ja 13,2 TWh vetyä.
Description
Supervisor
Lund, Peter
Thesis advisor
Lund, Peter
Keywords
bio energy, bioenergia, methane, metaani, hydrogen, vety
Other note
Citation