Wat zijn de mogelijkheden en uitdagingen van biomassagasificatie voor elektriciteitsproductie?

De gegenereerde syngas van de biomassagasificator kan na het reinigen en conditioneren ervan in een gasturbine (GT) cyclus worden gebruikt om elektriciteit op te wekken, zoals weergegeven in figuur 4.9. De uitlaatgassen van de GT worden vervolgens gebruikt in de warmte-herstel stoomgenerator (HRSG) om de benodigde thermische energie voor industriële processen te genereren. De uitlaatgassen van de HRSG worden vervolgens weer benut in de biomassa droger om het vochtgehalte van de grondstoffen (bijvoorbeeld suikerrietbagage) te verminderen. Bij het gebruik van een gasturbine is het belangrijk dat de teerconcentratie lager is dan 100 mg/Nm3 om schade aan de turbinebladen te voorkomen. Het biomassagasificatieproces gevolgd door het gebruik van syngas in de GT kan een elektrische efficiëntie van ongeveer 50% leveren, terwijl voor stoomturbines dit minder dan 20% is.

Er zijn echter verschillende beperkingen aan dit systeem, aangezien het gasificatieproces syngas met onzuiverheden produceert en teer genereert. Dit kan schade aan de gasturbinebladen veroorzaken en vluchtige organische stoffen vrijgeven die schadelijk zijn voor het milieu. De integratie van een gasgenerator met een gasturbine biedt wel een aanzienlijke verhoging van de efficiëntie, maar het probleem van de onzuiverheden in het syngas blijft een belangrijk aandachtspunt.

Een andere benadering van energiewinning uit biomassa is de koppeling van gasificatie met brandstofcellen, die elektrochemisch energie kunnen genereren uit chemische stoffen zoals waterstof. Brandstofcellen werken op een stille en efficiënte manier en produceren bij het gebruik van waterstof alleen elektriciteit en water, wat ze tot zogenaamde nul-emissie motoren maakt. De combinatie van gasificatie en brandstofceltechnologie, vooral bij gebruik van hogetemperatuur brandstofcellen zoals de Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) of de Solid Oxide Fuel Cell (SOFC), biedt hoge efficiënties en lage emissies. De technologie maakt gebruik van een gasgenerator die de benodigde syngas produceert, waarna dit door een zuiveringsfase gaat waarbij onder andere zwavel en kwik worden verwijderd. Het zuivere syngas wordt vervolgens naar de brandstofcel gevoerd, die op atmosferische druk werkt en via een gecombineerd cyclussysteem de opgewekte warmte gebruikt om extra elektriciteit te genereren.

Deze integratie biedt niet alleen voordelen in termen van energieopbrengst, maar zorgt ook voor een aanzienlijke vermindering van emissies door de nauwe koppeling van gasificatie, reiniging en de brandstofcelmodule. Het combineren van biomassagasificatie met brandstofcellen is een veelbelovende keuze voor het opwekken van gecombineerde warmte- en elektriciteitsproductie (CHP) met minimaal milieu-impact.

Daarnaast is er de mogelijkheid om biomassagasificatie te combineren met andere processen zoals torrefactie, pyrolyse en vergassing. Torrefactie kan een waardevolle bijdrage leveren aan het verbeteren van de energie-inhoud van ruwe biomassa, waardoor het kan worden gebruikt als vervanger voor kolen in energiecentrales. Torrefied hout heeft eigenschappen die vergelijkbaar zijn met die van kolen, met een hogere energiedichtheid en lagere asinhoud, wat het aantrekkelijk maakt voor toepassing in de energieproductie. Het gebruik van torrefied biomassa kan de operationele kosten van energiecentrales verlagen door de verhoogde energiedichtheid en het lagere transportgewicht. Studies tonen aan dat torrefied biomassa, wanneer geperst tot pellets, kolen volledig kan vervangen in de energieproductie, terwijl onbehandelde biomassa slechts gedeeltelijk kan worden ingezet.

Ook bio-olie en biochar, die geproduceerd worden via pyrolyse en vergassingsprocessen, kunnen als brandstof dienen voor de productie van energie. Bio-olie kan in verschillende toepassingen worden ingezet, van het voeden van boilers voor het genereren van warmte en elektriciteit, tot co-vuur met fossiele brandstoffen zoals kolen of aardgas. Biochar kan worden gebruikt in dezelfde rol, waarbij het kan worden verbrand in bestaande kolencentrales om zo de uitstoot van broeikasgassen te verminderen en tegelijkertijd de ecologische impact te verlagen.

De integratie van deze technologieën voor de productie van elektriciteit uit biomassa biedt aanzienlijke voordelen, maar er blijven technische en economische uitdagingen bestaan. De complexiteit van het reinigen van syngas en het integreren van verschillende systemen vereist zorgvuldige afstemming om zowel hoge efficiëntie als lage emissies te garanderen.

Naast de technologische uitdagingen, moeten ook de bredere contexten van duurzaamheid en maatschappelijke acceptatie in overweging worden genomen. De verschuiving naar hernieuwbare energiebronnen zoals biomassa kan niet alleen bijdragen aan het verminderen van de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen, maar kan ook leiden tot de creatie van circulaire economieën waarin afvalproducten worden omgezet in waardevolle energiebronnen. Echter, het gebruik van biomassa is niet zonder controverses, vooral als het gaat om de impact op de biodiversiteit en de mogelijke concurrentie met voedselproductie.

Welke technologieën kunnen worden toegepast voor het terugwinnen van geothermische energie uit verlaten olievelden?

Het terugwinnen van geothermische energie uit olievelden is een onderwerp van groeiende interesse, met name door het potentieel voor hernieuwbare energieproductie en het benutten van bestaande infrastructuren. Er wordt steeds meer onderzoek gedaan naar de mogelijkheid om verlaten olievelden om te vormen tot geothermische bronnen. Het verkrijgen van geothermische energie uit olievelden heeft echter enkele technische en economische uitdagingen, voornamelijk afhankelijk van de temperatuur en de hoeveelheid beschikbare geothermische warmte.

In veel gevallen blijft de temperatuur van de te winnen geothermische warmte uit een olieveld lager dan 150°C. Bij dergelijke lage temperaturen is het niet technisch haalbaar om energie te produceren via een traditionele stoom-gebaseerde Rankine-cyclus. Echter, bij temperaturen van 100°C of hoger kan er gebruik worden gemaakt van organische Rankine-cycli (ORC), die in staat zijn om elektriciteit te genereren door een organische vloeistof als werkvloeistof te gebruiken. Nieuwe technologieën zoals de transcritische CO2-cyclus en de organische flash-cyclus bieden innovatieve manieren om secundaire energie, zoals elektriciteit, te genereren uit geothermische warmte die boven 100°C beschikbaar is.

Het is belangrijk te vermelden dat de efficiëntie van deze conversieprocessen afneemt met stijgende omgevings- of lokaal heersende temperaturen. Dit betekent dat bij hogere omgevingswarmtes, zoals in regio's waar de lokale temperatuur boven de 30°C ligt, geothermische energie minder efficiënt omgezet kan worden in elektriciteit. Echter, deze omgevingswarmte kan juist effectief gebruikt worden voor het creëren van koeleffecten via absorptiekoelers of ejectorkoelcycli, waarmee de energiewinning uit geothermische warmte in dergelijke klimaten efficiënter kan worden benut.

Voor geothermische warmte tussen de 70°C en 100°C kunnen mechanische compressoren in combinatie met ejectoren een effectieve manier zijn om het energieverbruik van een dampcompressiekoelsysteem te verminderen. Bij lagere geothermische temperaturen, zoals tussen 60°C en 80°C, is een andere technologie de humidificatie-dehumidificatie (HDH) ontzilting. Deze technologie is bijzonder nuttig voor het produceren van gedesaliseerd water voor lokaal gebruik, bijvoorbeeld in land- of kustgemeenschappen.

Bij zeer lage geothermische temperaturen onder de 60°C, kan deze warmte direct worden gebruikt voor stadsverwarming. In dergelijke gevallen kan een warmtepomp worden ingezet om de temperatuur van de geothermische bron te verhogen naar een nuttig niveau voor verwarming. Het combineren van verschillende energieproductiemethoden binnen één systeem kan de flexibiliteit vergroten en de algehele efficiëntie verbeteren. Dit maakt de inzet van gecombineerde warmte- en krachtinstallaties (cogeneratie) of zelfs trigeneratie- of poly-generatiesystemen zeer aantrekkelijk voor het optimaliseren van de inzet van geothermische warmte.

Er zijn verschillende recente studies die de toepassing van geothermische warmte uit olievelden onderzoeken en een aantal praktijkvoorbeelden kan waardevolle inzichten bieden in de toepasbaarheid van verlaten olievelden als geothermische bronnen. Veel van deze onderzoeken hebben zich gefocust op de technische haalbaarheid en de economische voordelen van het hergebruik van olievelden voor geothermische toepassingen.

Wight en Bennett hebben bijvoorbeeld een studie uitgevoerd naar het gebruik van een binaire krachtcyclus voor het terugwinnen van geothermische warmte uit verlaten olievelden in Texas. In hun ontwerp maakten ze gebruik van een dubbelbuisige warmteterugwinningsunit (HRU) die de geothermische warmte van olievelden gebruikt om een organische werkvloeistof te verwarmen. Hun bevindingen toonden aan dat een diep boorgat van 4200 meter in staat was om water met een temperatuur van 130°C te leveren. De opbrengst van deze configuratie was ongeveer 109 kW bij een massastroom van 2,5 kg/s, terwijl bij een grotere massastroom de opbrengst opliep tot ongeveer 630 kW.

In een andere studie van Cheng et al. werd een simulatie uitgevoerd voor het terugwinnen van geothermische warmte uit een droog olieveld. Ze observeerden dat de temperatuur van het geo-vloeistof in de loop van de tijd geleidelijk daalde, maar na een bepaalde periode stabiliseerde. Een belangrijk resultaat was dat de temperatuur van het geo-vloeistof aanzienlijk verhoogd kon worden door de diepte van het boorgat te vergroten. Deze bevindingen tonen aan dat, hoewel de productie van elektriciteit uit een enkel verlaten olieveld beperkt was (maximaal 154 kW), het terugwinnen van geothermische warmte uit een cluster van olievelden economisch veel aantrekkelijker zou kunnen zijn.

Yang et al. hebben een ORC-systeem (organische Rankine-cyclus) ontwikkeld voor het terugwinnen van geothermische energie uit verlaten olievelden in de Huabei-olievelden in China. In hun opzet gebruikten ze een mengsel van olie, water en gas met 98% waterinhoud. Het geo-vloeistof werd gefilterd om de opgeloste gassen te verwijderen voordat het verder werd verhit om R245fa te verdampen en elektriciteit te genereren. Ze constateerden dat de efficiëntie van het systeem, hoewel laag (5,33%), verbeterd kon worden door het toevoegen van een secundaire watercirculatie, die blokkages in belangrijke apparatuur voorkwam.

Naast deze technische aspecten is het belangrijk te begrijpen dat de economische haalbaarheid van geothermische warmtewinning sterk afhankelijk is van de locatie en de schaal van de installatie. Het succes van dergelijke projecten wordt niet alleen bepaald door de technologie zelf, maar ook door de economische en operationele voordelen van het combineren van geothermische warmte met andere energiebehoeften in het gebied, zoals verwarming, koeling en ontzilting.