ODPADEK IZ BIOMASE KOT SUROVINA IN ENERGETSKI VIR Matjaž Kunaver Kemijski inštitut Ljubljana matjaz.kunaver@ki.si
ZAKAJ? 58.4% površine je pokrite z gozdom. Gozdne površine se povečujejo. Samo ½ letnega prirasta posekamo.
Lignocelulozna biomasa Celuloza Hemiceluloze lignin Glukoza Ksiloza, Arabinoza Etanol Gorivo Organske kisline, tekstilna vlakna, polimeri, lepila, maziva, črnila Polimeri, gorivo
Lignocelulozni materiali
Ljubljana Zbirni center Barje Podatki iz leta 2010 350.000 prebivalcev: 5.700 ton lesnih odpadkov (pohištvo) 2.300 ton zeleni odrez
Les glavne sestavine najbolj razširjen naravni polimer kompleksna zgradba: - celuloza 42 51% - hemiceluloze 24 40% - lignin 18 30% - ekstraktivi - pepel
Eksperimentalni pristop Depolimerizacija lesne biomase s polioli do multifunkcionalne oligomerne mešanice surovine za sintezo polimerov: Poliestri: nenasičeni in nasičeni Poliuretani
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.
Postopek utekočinjanja Laboratorijski reaktor za utekočinjanje lesa in druge biomase Pilotni reaktor za utekočinjanje lesa in druge biomase - GGP Postojna. (1200kg/dan)
Utekočinjena biomasa LEPILA GORIVO POLIESTRI, POLIURETANSKE PENE
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 180 o C do 200 o C 2 do 4 ure - Pogoji so podobni, kot pri sintezi poliestra za premaze in kompozite.
Trde poliuretanske pene iz U.L. ali UL-Poliestra Poliuretanske pene iz utekočinjenega lesa ali poliestra na osnovi U.L. Gostota = 40-50 Kg/m 3 Tlačna trdnost pri 10% deformaciji: 300kPa 400kPa Toplotna prevodnost: 0.028-0.036W/mK
IZOLACIJSKE LAHKE PLOŠČE Poliretanska pena iz poliestra na osnovi utekočinjene biomase MDF 3mm
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
INDUSTRIJA LESNIH KOMPOZITNIH PLOŠČ - MOŽNOSTI Svetovna proizvodnja 2011: 75 Mio m 3 Evropa: 37 Mio m 3 Azija: 32 Mio m 3 37 Mio m 3 : 17 Mio m 3 ivernih plošč 10% Adhesive 12 Mio m 3 MDF vlaknenih plošč 30% Adhesive 4 Mio m 3 Vezanih plošč ~ 15% Adhesive 4 Mio m 3 OSB 5% Adhesive 17 Mio m 3 = 12 Mio Ton = 1.2 Mio Ton lepila
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/mm 2 testiranje fizikalnih in mehanskih lastnosti ivernih plošč skladno z Evropskimi standardi
Mehanske in fizikalne lastnosti troslojnih ivernih plošč, pripravljenih z lepilom, ki vsebuje 30 ut.% utekočinjenega lesa simulacija industrijskega procesa Zahtevane vrednosti Dosežene vrednosti Debelina EN 324 (mm) 16,0 ± 0,3 16.1 Gostota EN 323 (g/cm 3 ) - 0.72 Razslojna trdnost EN 319 (N/mm 2 ) Čvrstost površine EN 311 (N/mm 2 ) Upogibna trdnost EN 310 (N/mm 2 ) Debelinski nabrek EN 317 (%) Emisija formaldehida Perforator metoda EN 120 (mg/100g plošče) Več kot 0.35 0.94 Več kot 0.8 1.96 Več kot 13 21.1 Manj kot 15 8.2 Manj kot 8 3.2
LEPILA Z DODANO UTEKOČINJENO BIOMASO - UPORABA siva lepenka (recikliran odpadni papir) Melamin urea formaldehidna smola Utekočinjena biomasa Dekorativna folija, furnir Visoka nosilnost!
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/mm 2 vezivne moči. USTREZA KLASI C1 in C2
LEPILA Z DODANO UTEKOČINJENO BIOMASO - UPORABA OPAŽNE PLOŠČE V GRADBENIŠTVU Melamin urea formaldehidno lepilo Utekočinjena biomasa
LEPILA Z DODANO UTEKOČINJENO BIOMASO - UPORABA LEPILO ZA PARKET: + 20% POLIESTRA IZ UTEKOČINJENE BIOMASE
Dolžina: ~200nm, premer:~ 20nm IZKORISTEK: 90% nanokristalinične celuloze iz različnih virov. Suspenzija v različnih topilih. Visoka kompatibilnost. NANOKRISTALINIČNA CELULOZA Enostavna modifikacija.
Share of renewable energy in final energy consumption ENERGIJA IZ BIOMASE 100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 2008 2009 2010 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.
Utekočinjen les - gorivo Rezervoar Predgretje Zgorevanje - proizvodnja toplote: gorilnik centralnega ogrevanja - soproizvodnja toplote in električne energije: mikroturbina Kurilna vrednost: 22-24 MJ/kg Rjavi premog: 21 MJ/kg Suh les: 14,5 MJ/kg Lignit: 15 MJ/kg Kurilno olje: 42 MJ/kg
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)
UTEKOČINJENA BIOMASA TEKOČE GORIVO ZA KOGENERACIJO TOPLOTE IN EL. ENERGIJE Dovod goriva Predgrevanje, filtracija Izgorevalna komora Plinska turbina Velikost kapljic, uparevanje, čas zadrževanja Pepel, korozivni plini?
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
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
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.
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