Ανάπτυξη προηγμένων συστημάτων ηλεκτροπαραγωγής με αξιοποίηση βιόμαζας
Authors: Φρυδά Λυδία-Αιμιλία 
Published: January 2014

Ο στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η διερεύνηση της ενεργειακής αξιοποίησης της βιομάζας σε εγκαταστάσεις αεριοποίησης ρευστοποιημένης κλίνης χρησιμοποιώντας μια ολοκληρωμένη μεθοδολογία για την αξιολόγηση, πρόβλεψη και μελέτη της συμπεριφοράς νέων καυσίμων. Η βιομάζα είναι μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας (ΑΠΕ) με δυναμικό ικανό ώστε να αποτελεί υπολογίσιμη ενεργειακή εναλλακτική για την Ευρωπαϊκή Ένωση συμβάλλοντας έτσι στην επίτευξη του στόχου τόσο της ανεξαρτητοποίησης του ενεργειακού συστήματός της από εισαγόμενα ορυκτά καύσιμα, καθώς και του στόχου της μείωσης εκπομπών ρύπων και εκπομπών θερμοκηπίου. H τεχνολογία της ρευστοποιημένης κλίνης έχει αποδειχθεί πρόσφορη επιλογή για την αξιοποίηση βιομάζας τόσο για αεριοποίηση όσο και για καύση καθώς έχει τη δυνατότητα να αξιοποιεί μεγάλο εύρος καυσίμων με διαφορετικές φυσικές ιδιότητες, όπως υγρασία και τέφρα. Η τεχνολογία της καύσης της βιομάζας σε ρευστοποιημένη κλίνη βρίσκεται σε προηγμένο στάδιο σχετικά με την αεριοποίηση, έχοντας εφαρμοσθεί σε βιομηχανική κλίμακα. Η αεριοποίηση της βιομάζας μπορεί να ενσωματωθεί σε συστήματα με μεγάλες ενεργειακές αποδόσεις, παρόλο που είναι ακόμα αντιμέτωπη με τεχνικά προβλήματα όπως ο καθαρισμός του αερίου από βαρείς υδρογονάνθρακες, που περιορίζουν την εφαρμογή της σε ευρεία κλίμακα. Η διατριβή αποτελείται από επτά Κεφάλαια (1-7). Το Κεφάλαιο 1 αποτελεί μια παρουσίαση και εισαγωγή στον προβληματισμό σχετικά με την αναγκαιότητα αξιοποίησης βιομάζας σαν εναλλακτικό καύσιμο στην Ευρωπαϊκή Ένωση. Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται μια εκτενής βιβλιογραφική επισκόπηση των ιδιοτήτων των φυσικών και χημικών ιδιοτήτων της βιομάζας, των βασικών αρχών αεριοποίησης, των μηχανισμών τήξης (sintering) της τέφρας, του σχηματισμού συσσωματωμάτων σωματιδίων (agglomeration) και ακολούθως της απώλειας ρευστοποίησης. Στο ίδιο Κεφάλαιο παρουσιάζεται η τεχνολογία της αεριοποίησης βιομάζας σε ρευστοποιημένη κλίνη για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε προηγμένους συνδυασμένους κύκλους αλλά και σε συστήματα συμπαραγωγής θερμότητας / ηλεκτρισμού. Στο Κεφάλαιο 3 περιγράφεται ο σχεδιασμός της πειραματικής εγκατάστασης ρευστοποιημένης κλίνης του Εργαστηρίου Ατμοπαραγωγών και Θερμικών Εγκαταστάσεων. Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται οι δοκιμές αεριοποίησης τριών ειδών βιομάζας: πυρηνόξυλο, στερεό υπόλειμμα γλυκού σόργου και καλαμιού, αντιπροσωπευτικών των υπολειμμάτων και των ενεργειακών φυτών που ευδοκιμούν στην Ελλάδα. Διερευνήθηκαν οι παράμετροι του λόγου αέρα, της θερμοκρασίας αεριοποίησης, καθώς και της σύστασης των υλικών ως προς την τελική σύνθεση του αερίου και την περιεκτικότητά του σε πίσσα. Για την πραγματοποίηση των δοκιμών χρησιμοποιήθηκαν ως υλικά κλίνης χαλαζιακή άμμος και ολιβίνης. Τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με τα αποτελέσματα ενός μοντέλου ψευδο-κινητικής που συντάχθηκε για την πρόβλεψη και αξιολόγηση της σύνθεσης του αερίου αεριοποίησης. Στο Κεφάλαιο 5 περιγράφεται διεξοδικά η πειραματική διερεύνηση του φαινομένου της απώλειας ρευστοποίησης που παρατηρείται κατά την αεριοποίηση βιομάζας σε αντιδραστήρες ρευστοποιημένης κλίνης και παρουσιάζεται η αξιολόγηση των παρατηρήσεων με τον προσδιορισμό της χημικής ισορροπίας φάσεων του σχηματιζόμενου χημικού συστήματος. Πολλαπλά δείγματα του υλικού της κλίνης αναλύθηκαν με χρήση ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης σε συνδυασμό με χημική στοιχειακή ανάλυση SEM/EDS, δίνοντας πληροφορίες σχετικά με τη σύνθεση του τήγματος, το πάχος της επίστρωσης και τη μορφή των συσσωματωμάτων, διαφωτίζοντας έτσι το μηχανισμό απώλειας ρευστοποίησης. Στο Κεφάλαιο 6 αναλύεται ενεργειακά και εξεργειακά ένα μικρής κλίμακας σύστημα αεριοποίησης βιομάζας με αέρα σε μια συμπαραγωγική μονάδα με συστοιχία ηλεκτροχημικών στοιχείων καυσίμου στερεού οξειδίου (Solid Oxide Fuel Cell - SOFC) για εύρος ισχύος μέχρι 1 MWe, για δυο επίπεδα πίεσης λειτουργίας του συστήματος αεριοποιητή - κελιού. Η ενεργειακή και εξεργειακή απόδοση καθορίζεται για τα σημαντικότερα βήματα της διεργασίας καθώς και για το σύστημα συνολικά. ¶Τέλος, στο Κεφάλαιο 7 ανακεφαλαιώνονται τα βασικά συμπεράσματα της διατριβής και προτείνονται θέματα προς περαιτέρω διερεύνηση.