Projekti / Programi
Uporaba izvirnega lignoceluloznega biogoriva za soproizvodnjo električne energije in toplote
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.03.00 |
Tehnika |
Energetika |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T140 |
Tehnološke vede |
Energijske raziskave |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.03 |
Tehniške in tehnološke vede |
Mehanika |
Plinska turbina; Biogorivo; Zgorevanje; Emisije izpušnih plinov, CO2 odtis; Zanesljivost; Kogeneracija
Raziskovalci (6)
Organizacije (2)
Povzetek
Zmanjšanje emisij CO2 je eden ključnih razvojnih in okoljevarstvenih ciljev pri pridobivanju električne in mehanske energije ter toplote. Z ozirom na dejstvo, da se kratko in srednjeročno ni mogoče izogniti uporabi goriv, ki vsebujejo ogljik, je v skladu s smernicami in regulativami EU ter globalnimi in nacionalnimi protokoli in predpisi nujno povečati delež obnovljivih virov energije in optimirati porabo energije. Slovenija ima v tem pogledu izjemna izhodišča, saj več kot 58% površine prekrivajo gozdovi. Surovine, v katerih sta osnovni material celuloza in lignin, lahko utekočinimo z uporabo glikolov pri povišani temperaturi in ob prisotnosti kislega katalizatorja. Postopek, patentiran s strani članov projektne skupine omogoča neposreden prehod v tekočo fazo brez vmesne plinaste faze, kar vodi v visok izkoristek pretvorbe (do 98%), relativno enostavnost, visoko varnost reaktorja in možnost energetsko in stroškovno učinkovitega pridobivanja v velikih količinah. Izvirnost rezultatov izvira iz uporabe utekočinjenega lesa v turbinskih motorjih, saj se kemično-fizikalne lastnosti goriva bistveno razlikujejo od lastnosti običajih goriv, ki se sicer uporabljajo v motorjih.
V okviru projekta bodo izvedene raziskave na področju zgorevanja inovativnega goriva, ki bodo obsegale tudi obsežno parametrično študijo, opravljeno na laboratorijski plinski turbini. S spreminjanjem ključnih termodinamskih spremenljivk bodo preverjeni vplivi obratovalnih režimov na izkoristek in emisije škodljivih snovi. V sodelovanju s partnerji bodo preizkušene različne formulacije goriva, kjer bo z iterativnim postopkom določena optimalna sestava za profesionalni turbinski stroj in visoko vsebnostjo obnovljivih virov. Razvit bo sistem za ogrevanje goriva, ki bo omogočil uporabo čistega utekočinjenega lesa in izvedbo eksperimentov z različnimi atomizacijskimi mehanizmi. V primeru pojavljanja ogljikovih depozitov na šobi bo razvita toplotna zaščita.
Spremembe na različnih sistemih bodo evalvirane z meritvijo emisij izpušnih plinov z uporabo opreme, ki omogoča realno časovno spremljanje trenutnih masnih deležev in s tem nudi dobro interpretacijo mehanizmov tvorbe škodljivih snovi. Z variacijo temperatur primarnega zraka, plinov pred turbino, temperature goriva bo podan natančen vpogled v fenomene formiranja gorljive zmesi in v razumevanje mehanizmov, ki so odgovorni za nastajanje določenih vmesnih produktov zgorevanja. Parametri testnih točk bodo izbrani tako, da bodo reprezentativno predstavljali razmere v zgorevalnih komorah profesionalnih plinskih mikroturbin.
Z raziskavami korozijskih lastnosti utekočinjenega lesa na različne procesne materiale bo podan odgovor na ustreznost posameznih komponent za uporabo v ogrevalnem sistemu za nižanje viskoznosti goriva. Na podlagi abrazivnosti in korozivnosti ter elementne sestave pepelnatih oblog bo ovrednotena tudi trajnost delovanja in potrebni ukrepi za zagotavljanje le-te. Ti bodo vključevali filtriranje goriva ter določitev korozijskih mehanizmov, ki jih povzročajo obloge pepela.
Izsledki obširne raziskave, ki bo izvedena na eksperimentalni turbini predstavljajo prvo fazo projekta, ki bo omogočila prenos tehnologij za uporabo utekočinjenega lesa na komercialno turbino. V drugi fazi projekta bo na podlagi izsledkov raziskav v prvi fazi izbran in nadgrajen komercialni turbinski motor z močjo približno 100kW. Razvita tehnologija bo implementirana v turbinski motor za generacijo električne energije. Obseg in vrste sprememb bodo znane po zaključku laboratorijskih raziskav, predvidoma pa bodo obsegale spremembe na gorivnem in vbrizgovalnem sistemu ter zgorevalni komori. Na demonstracijskem prototipu profesionalne turbine bo vzpostavljen nadzorni sistem, ki bo med nadaljnjim obratovanjem spremljal vse parametre ključne za trajno obratovanje ob uporabi utekočinjenega lesa. Vzpostavljena proizvodnja električne energije bo služila kot prvi korak h komercializaciji inovativnega biogoriva.
Pomen za razvoj znanosti
Rezultati projekta imajo zelo velik pomen za razvoj znanosti na področju alternativnih goriv in goriv iz obnovljivih virov. Inovativen patentiran postopek izdelave utekočinjenega lesa in številni znanstveni prispevki članov projektne skupine nakazujejo na izjemno dobro sprejetost raziskovalne tematike v mednarodnih krogih. V okviru projekta je bilo tako objavljenih: · 8 znanstvenih člankov od tega 6 v prvi četrtini področij od tega 4 v zgornjih 5% po IF (A'') in 3 v zgornjih 10% po IF (A'). · 3 strokovni članki · 7 prispevkov na konferencah, ki so organizirani kot znanstveni članki · 1 vabljeno predavanje · 6 povzetkov, objavljenih na konferencah · 4 končna poročila o rezultatih raziskav · 7 študij in elaboratov · 1 doktorska disertacija · 3 diplomske nalogame · 1 televizijska oddaja Prispevek k znanosti in razvoju stroke izhaja iz vrste opravljenih aktivnosti. To so predvsem poglobljene analize kinetike kemijskih reakcij, odgovornih za nastanek emisij škodljivih snovi ter analize vpliva različnih fizikalno-kemijskih lastnosti goriva na materiale. Dodaten prispevek predstavlja analiza vpliva produktov zgorevanja ter pepela na življenjsko dobo sestavnih delov zgorevalnih naprav. Širina baze tega znanja v veliki meri izhaja iz velike matrike izvedenih eksperimentov, kar omogoča dober vpogled v interakcijo med lastnostmi goriva in opazovanimi parametri motorja. Pomembno je tudi dejstvo, da je pridobljeno znanje v veliki meri prenosljivo na druga biogoriva, kar postavlja raziskovalno skupino v prednost, saj trenutno v svetovni javnosti nobena druga raziskovalna skupna ne razpolaga z eksperimentalnim sistemom, ki je sposoben zgorevati visoko viskozna biogoriva. Prva uporaba utekočinjenega lesa v mikroturbinije odprla tudi mnoga vprašanja na katera trenutno dosegljivo znanje ne daje odgovorov, zato je poseben doprinos predstavljenega dela tudi v odpiranju novih raziskovalnih področij, predvsem v povezavi s kinetiko zgorevanja in formiranjem emisij PM in NOx med zgorevanjem goriv iz lignocelulzone biomase z visoko viskoznostjo in visoko vsebnostjo kisika. Raziskovanje na teh področjih se bo tako nadaljevalo tudi po zaključku tega projekta v okviru potrjevanja številnih drugih znanstvenih hipotez, ki izhajajo iz te študije. Nekatera izhodišča so že bila uporabljen za projektne prijave v tujini. V tem smislu so bila vzpostavljena tudi mednarodna sodelovanja z raziskovalnimi skupinami v tujini, kjer so najpomebnejša: Univerza v Sarajevu, Mašinski fakultet; Univerza VUB v Bruslju ter raziskovalni center RE-CORD v Firencah. Izsledki projekta so služili tudi za zametek nadaljnjih prijav na mednarodne razpise (1 prijava FP7, 1 prijava v sodelovanju FWO-ARRS, vključitev v mrežo COST, 1 prijava H2020, trenutno je pripravi tudi prijava za dvostransko sodelovanje Slovenija-Italija). Širše znanje pridobljeno s projektom se redno vključuje tudi v številne druge tekoče in prihajajoče projekte v okviru H2020 ter nacionalnih financiranj različnih raziskovalnih agencij in neposrednih industrijskih raziskav.
Pomen za razvoj Slovenije
Poseben pomen ima uspešna izvedba projekta tudi na pozicioniranje slovenske znanstvene skupnosti v svetovnem merilu. Znanje za postopek izdelave utekočinjenega, znanje za sintezo formulacije potrebne za uspešno uporabo v turbinskih motorjih, znanje za izdelavo podpornih sistemov, ki so potrebni za delovanje motorja, znanje za nadgradnjo motorja in celotno pilotno postrojenje za pridobivanje goriva in mehanskega dela je v celoti razvito s strani članov projektne skupine in je tako plod raziskovanja slovenskih inštitucij, kar pomembno vpliva na promocijo. Predvsem je na tem mestu pomembno dejstvo, da so raziskave vezane na projektno vsebino prve v svetu in tako predstavljajo pionirsko delo, kar bistveno povečuje prepoznavnost slovenskih raziskovalnih skupin v svetu. Vsi projektni rezultati odpirajo pot za trženje pridobljenih tehničnih rešitev s strani projektnega partnerja GGP d.o.o. Z ozirom na dobro razpoložljivost surovin, relativno enostavnost in varnost postopka pridobivanja tekočega lignoceluloznega goriva in njegovo konverzijo v turbinskih motorjih, ki jih odlikuje zrelost tehnologije, visok izkoristek, zanesljivost delovanja in cenovna dostopnost, bi uspešene aktivnosti po zaključku projekta lahko dolgoročno prispevale k povečanju deleža obnovljivih virov v celotni skupni rabi energentov v Republiki Sloveniji, kar neposredno vpliva na kvaliteto bivanja in prehod v nizkoogljično družbo, hkrati pa ima tudi neposredne ekonomske vplive vezane na plačila ekoloških taks in energetsko samozadostnost ter stabilnost električnega omrežja. Raziskovalno delo na inovativnem področju je omogočalo zaščito inovativnih rezultatov v obliki patentnih prijav in hkrati tudi diseminacijo rezultatov v recenzirani znanstveni literaturi, kar predstavlja tržno prednost vključenih gospodarskih subjektov. Med izvajanjem projekta so se v raziskovanje vključevali tudi študentje vseh treh bolonjskih stopenj, kar je pozitivno vplivalo na dvig znanja na področju konverzije biomase in njene uporabe za pridobivanje energije med kadri na trgu delovne sile v Sloveniji, kar posredno pripomore k višjemu zavedanju o rešitvah na področju obnovljivih virov energije in posledično izbiranju ustreznejših rešitev v gospodarstvu. To posredno vodi v nižji ogljični odtis slovenskega gospodarstva. Pomembni znanstveni dosežki vezani na projekt bistveno povečujejo tudi možnost pridobivanja zunanjega financiranja v obliki neposrednih industrijskih raziskav in javnih raziskovalnih projektov v okviru EU in širše. Pričakovano je, da bo s tem dosežena manjša odvisnost vključenih raziskovalnih inštitucij od domačega financiranja, kar bisteno povečuje konkurečnost raziskovalne skupnosti v Sloveniji.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2014,
2015,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2013,
2014,
2015,
zaključno poročilo
