BIOKAASUN MUUTTAMINEN LIIKENNEPOLTTOAINEEKSI vaihtoehto biokaasu nesteytykselle Kari Pieniniemi Centria ammattikorkeakoulu Centria ammattikorkeakoulu www.centria.fi 1
Oberon Prosessi Pienen mittakaavan tuotantoyksikkö muuttaa METAANIA (CH 4 ) ja HIILIDIOKSIDIA (CO 2 ) DIMETYYLIETTEERIKSI (CH 3 -O-CH 3, DME) Raaka-aineena voidaan käyttää BIOKAASUA tai MAAKAASUA Lisäksi liuskekaasua (shale gas) ja jätteistä (ruokajäte, maatalousjäte, kaatopaikkakaasu, jäteveden käsittely) valmistettua biokaasua voidaan muuttaa DME:ksi http://www.oberonfuels.com/ Centria ammattikorkeakoulu www.centria.fi 2
Oberon Prosessi Oberon Fuels on kehittänyt menetelmä, jolla voidaan tuottaa kustannustehokkaasti DME:tä pienessä mittakaavassa. Oberon prosessissa lähtöaineena voidaan käyttää mm. liuskekaasua, eläin-ruoka- ja maatalousjätteestä tuotettua metaania. Tuotanto 3785-37 854 litraa / päivä (1000 10 000 gallons / day) Oberon Fuels president Rebecca Boudreaux show how it (will be) done. Prosessikokoluokat: 27 m 3 /pvä biokaasua (60% CH 4, 40% CO 2 ) => 17 m 3 /pvä DME 60 m 3 /pvä biokaasua (60% CH 4, 40% CO 2 ) => 38 m 3 /pvä DME Teknologia voidaan lisensoida Centria ammattikorkeakoulu www.centria.fi 3
Oberon Fuels Process Natural Gas + CO 2 NG-DME Syngas Methanol DME Biogas Gas-to-Liquids Unit Bio-DME Centria ammattikorkeakoulu www.centria.fi 4
Mitä on DME? DME (dimetyylieetteri) on myrkytön, väritön, biohajoava ja puhtaasti palava ja uusiutuva (bio)polttoaine http://www.aboutdme.org/ Erinomainen dieseliä korvaava polttoaine Korkea setaaniluku (55), halpa propaanin kaltainen tankkaus voidaan varastoida nestemäisenä, ei tarvita korkeita paineita (paineistettu maakaasu, CNG) eikä alhaisia lämpötiloja (nestemäinen maakaasu, LNG) Volvo Trucks -- Future Trucks will Run on DME, which is Curr DME on puhdas polttoaine 90 % vähemmän NOx päästöjä 95 % vähemmän CO 2 päästöjä Ei hiukkaspäästöjä Ei saastuta maaperää (biohajoava) DME on tehokas biopolttoaine 30 % parempi polttoainetalous kuin bensiinillä henkilöautoissa Paras synteettisten polttoaineiden polttoainetehokkuus (esim. FT-diesel metanoli) DME voidaan kuljettaa ja varastoida Voidaan kuljettaa ja varastoida missä vain Ei tarvita erillistä jakeluverkostoa Centria ammattikorkeakoulu www.centria.fi 5
Mack will begin production of the DMEpowered MACK Pinnacle Axle Back model in 2015. The MACK MP8 engine will power the DME-fueled MACK Pinnacle Mack Trucks to Begin Production of DME Vehicles in 2015 Mack Trucks will begin production of DME-powered Mack Pinnacle Axle Back models in 2015 DME POLTTOAINEEN etuja DME ei tuota hiukkaspäästöjä => ei tarvita hiukkassuodattimia (DPF diesel particulate filter) 95 % vähemmän CO 2 päästöjä normaaliin diesel polttoaineeseen verrattuna, kun DME on valmistettu biomassasta tai biokaasusta Käsittely ja varastointi samanlaista kuin propaanilla Ei tarvita korkeita paineita, alhaisia lämpötiloja eikä erityisiä suojavarusteita tankatessa Liuskekaasusta liikennepolttoainetta Mack is a leader in natural gas technology development, and we believe DME has tremendous potential as an effective way to use the country s abundant natural gas reserves to power heavy-duty trucks Centria ammattikorkeakoulu www.centria.fi 6
Major Chinese City To Trial DME Use in Heavy-Duty Trucks and Public Transportation to Reduce Pollution SHANGHAI, 6 September 2013 Shanghai has announced a plan to test the use DME in heavy-duty trucks, buses and taxis to help reduce vehicle emissions, in particular the fine particles ("PM 2.5") that present a number of health risks to humans. Vehicle emissions are the biggest source of PM2.5 pollutants, accounting for a quarter of air-borne particles in Shanghai, according to the Shanghai Environmental Protection Bureau. Centria ammattikorkeakoulu www.centria.fi 7
Miten DME:tä voidaan valmistaa? DME valmistetaan metaanista (CH 4 ) ja hiilidioksidista (CO 2 ) DME voidaan valmistaa uusiutuvista raaka-aineista (biomassa, jäte, maatalouden sivutuotteet, biokaasu), fossiilisista polttoaineista (maakaasu, liuskekaasu, kivihiili) ja metanolista (CH 3 OH) tai synteesikaasusta (CO + H 2 + CO 2 ) Epäsuora valmistusmenetelmä Synteesikaasu (2:1 H 2 :CO) => Metanoli => DME Toimii hyvin biokaasulla Suora valmistusmenetelmä Synteesikaasu (1:1 H 2 :CO) => DME Toimii hyvin kaasutuksessa Katalyytti Cu/ZnO/Al 2 O 3 Centria ammattikorkeakoulu www.centria.fi 8
Miten DME:tä voidaan valmistaa? Riippumatta valmistusmenetelmästä (suora, epäsuora) metaani muutetaan ensin synteesikaasuksi (CO + H 2 + CO 2 ) höyryn tai O 2 avulla Kun syntyneestä metanolista poistetaan vettä (dehyrataatio) saadaan DME:tä 1)MeOH-1 (2)MeOH-2 (3)MeOH De-H2O : CO + 2H 2 = CH 3 OH (91 kj/mol) : CO 2 + 3H 2 = CH 3 OH + H 2 O (49 kj/mol) : 2CH 3 OH = CH 3 OCH 3 + H 2 O (23 kj/mol) Centria ammattikorkeakoulu www.centria.fi 9
Chemrec mustalipeän kaasutusteknologia Chemrecin mustalipeän kaasutusteknologia (BLG) tuottaa erinomaista synteesikaasua, jota voidaan käyttää lämmön ja sähkön yhteistuotantoon tai muuttaa liikennepolttoaineiksi : dimetyylieetteri (DME) metanoli (MeOH) Fischer-Tropsch (FTD) synteettinen diesel-polttoaine Synteettinen luonnonkaasu (SNG) Vety (H 2 ) Chemrec prosessi perustuu mustalipeä paineistettuun korkealämpötilassa tapahtuvaan virtauskaasutuksen (entrained flow gasification) Nopea yksivaiheinen prosessi Pieni reaktiotilavuus Tuotettu synteesikaasu (syngas) on puhdasta ja sitä ei tarvitse enää erikseen puhdistaa Täydellinen hiilikonversio Ei muodostu tervaa Alhainen metaanipitoisuus Centria ammattikorkeakoulu www.centria.fi http://www.youtube.com/watch?v=vn36iadkru8 http://www.chemrec.se/ 10
Chemrec mustalipeän kaasutusteknologia Mustalipeä on sellun tuotannon sivutuote, joka on perinteisesti poltettu soodakattilassa. Soodakattilasta saadaan prosessihöyryä ja sähkö tehtaan käyttöön ja sellun keittokemikaalit saadaan palautettua sellukeittimeen Chemrecin kaasutusteknologia voidaan integroidan jo olemassa olevaan sellutehtaaseen Centria ammattikorkeakoulu www.centria.fi 11
Chemrec - BioDME Synteesikaasu (syngas) voidaan muuttaa dimetyylieetteriksi (DME) ja metanoliksi. DME on kaasu, mutta paineistettuna sitä voidaan käyttää dieselajoneuvoissa polttoaineena Raskaan kaluston vuosittainen ajokilometrimäärä hehtaaria kohti on DME:llä ja metanolilla parhaimmat Lähde: AB Volvo http://www.youtube.com/watch?v=cf1f7lufpnc http://www.youtube.com/watch?v=zrozutih0ak Centria ammattikorkeakoulu www.centria.fi 12
Chemrec - BioDME DME säilytetään paineistetussa tankissa joka pitää polttoaineen nestemäisenä aina polttoaineen syöttöön asti Yhteispaineruiskutusta voidaan käyttää polttoaineen syötössä DME:n energiasisältö on 55 % dieselin energiasisällöstä se voidaan kompensoida suuremmalla polttoainetankilla. 1. Tankki: DME pidetään nestemäisenä polttoainetankissa 2. Pumppu: polttoainepumppu säätää polttoaineen paineen 3. Injektointi: DME vaatii oman pa-syötön 4. Mootori: tavallinen diesel-moottori 5. Moottorin ohjausjärjestelmä: Ohjaa polttoaineen syöttöä Centria ammattikorkeakoulu www.centria.fi 13
BioDME tehdas, Piteå Ruotsi Kaasutus 30 bar / 1050 C Metanolisynteesi 130 bar DME synteesi 15 bar Tuotanto 4 ton DME / pvä BioDME from Piteå Centria ammattikorkeakoulu www.centria.fi
Videot Black liquor biofuel, bio DME from Volvo http://www.youtube.com/watch?v=7kchqk2c9hm Volvo Trucks to Commercialize Renewable Fuel Technology for Heavy Trucks in North America http://www.youtube.com/watch?v=4xzcokdz0mm Volvo Trucks - Future Trucks Will Run on Clean Fuel Made from Biomass or Natural Gas http://www.youtube.com/watch?v=k8nf9psjg-y Volvo Trucks - Next generation of bio-fuel in real life tests http://www.youtube.com/watch?v=3l0fr_i0p4y Volvo Trucks to Commercialize Renewable Fuel Technology for Heavy Trucks in North America http://www.youtube.com/watch?v=k8nf9psjg-y Centria ammattikorkeakoulu www.centria.fi 15
DME vs. LNG VOLVO TRACK s evaluated the performance of the seven fuels Biodiesel (B100); Methanol/Ethanol (Spark Ignition) ; Hydrogen + Biogas (Spark Ignition) ; CNG (Spark Ignition) ; LNG (Compression Ignition + pilot injection) ; Synthetic Diesel; and DME (Compression Ignition). Criteria in the evaluation were climate impact; energy efficiency; land use efficiency; fuel potential; vehicle adoption; fuel cost; and fuel infrastructure. Rank-ordered, the scores (higher is better) were: DME: 28.5 Methanol: 27.5 Synthetic diesel: 26.5 LNG: 23 CNG: 22.5 Hydrogen + biogas: 21 Biodiesel: 19 Ethanol: 17.5 3600 psi = 24,8 MPa, 75 psi = 0,5 MPa -260 F = -162 C 800 lbs = 363 kg 700 lbs = 318 kg Centria ammattikorkeakoulu www.centria.fi 16
Dimethyl ether fuel proposed as an alternative to LNG OIL & GAS JOURNAL 04/06/1998 Vol 96 Issue 14 Yoshitsugi Kikkawa, Ichizo Aoki Chiyoda Corp. Yokohama, Japan To cope with the emerging energy demand in Asia, alternative fuels to LNG must be considered. Alternative measures, which convert the natural gas to liquid fuel, include the Fischer- Tropsch conversion, methanol synthesis, and dimethyl ether (DME) synthesis. Comparisons are evaluated based on both transportation cost and feed-gas cost. The analysis will show that DME, one alternative to LNG as transportation fuel, will be more economical for longer distances between the natural-gas source and the consumer. LNG requires a costly tanker and receiving terminal. The breakeven distance will be around 5,000-7,000 km and vary depending on the transported volume. There will be risk, however, since there has never been a DME plant the size of an LNG-equivalent plant [6 million metric tons/year (mty)]. Centria ammattikorkeakoulu www.centria.fi 17
Methanol can be used as a fuel in internal combustion engines (ICE) Methanol has a high octane number (RON of 107 and MON of 92), making it a suitable gasoline substitute Methanol has long been known as a superior fuel for cars, one that is better for the environment than either gasoline or ethanol. DME can be used in compression ignition engines (diesel engine) DME is a good diesel fuel with a cetane number of 55-60 as compared to 45-55 for regular diesel fuel. Methanol production without CO 2 emissions Biomass Syngas (CO, CO 2, H 2 ) CH 3 OH Biomass Biogas CH 3 OH Centria ammattikorkeakoulu www.centria.fi 18
Methanol fuel made from natural gas and captured CO 2 A Chemistry Breakthrough That Could Fuel a Revolution Now methanol can be made from natural gas and captured carbon dioxide WALL STEET JOURNAL 10.10.2013 Centria ammattikorkeakoulu www.centria.fi 19
METHANOLIA LUONNONKAASUSTA Luonnonkaasusta höyryreformoinnilla saatu synteesikaasu voidaan muuttaa metanoliksi SMR teknologian avulla SMR = Carbon dioxide-assisted Steam Methane Reformer http://zeep.com/projects/south-louisiana-methanol/ Centria ammattikorkeakoulu www.centria.fi 20
METHANOL FROM CO 2 and H 2 University of Oxford researchers are developing a method for the homogeneous conversion of CO 2 to methanol CO 2 was converted into the valuable resource CH 3 OH by adding it to 2,2,6,6-tetramethylpiperidine and B(C 6 F 5 ) 3 in toluene under H 2 (1-2 atm), heating the mixture at 160 C, and vacuum distillation. Centria ammattikorkeakoulu www.centria.fi 22
Mitä metanolista voi tehdä? Centria ammattikorkeakoulu www.centria.fi 23
Centria ammattikorkeakoulu www.centria.fi 24