Gasificatie is een thermochemisch proces dat plaatsvindt bij hoge temperaturen tussen de 550 en 950 °C, waarbij vaste biomassa wordt omgezet in syngas (een mengsel van CO, H2, CH4, CO2, H2O en lichte koolwaterstoffen), condenserende teer, stikstofverbindingen (zoals NH3), zwavelverbindingen (zoals H2S) en fijne deeltjes. Dit endotherme proces wordt uitgevoerd in aanwezigheid van gasificerende agentia zoals lucht, stoom of zuurstof. Het syngas dat hierbij ontstaat, kan voor verschillende toepassingen worden gebruikt, zoals verbranding in gasmotoren, productie van tweede-generatie biobrandstoffen en waardevolle chemicaliën, brandstofcellen, directe verbranding en medeverbranding in bestaande kolengestookte ketels.

Gasificatie is een complex proces dat kan worden opgesplitst in vier verschillende zones: drogen, thermische ontbinding of pyrolyse, verbranding/deelverbranding, en de reductiezone. In de droogzone wordt het vocht in de biomassa verwijderd bij temperaturen van ongeveer 100-200 °C. Normaal gesproken wordt biomassa met een vochtgehalte van 10-20% aanbevolen voor gasificatie. Hoger vochtgehalte leidt tot aanzienlijke energieverliezen en verslechtert de kwaliteit en opbrengst van het syngas. De gedroogde biomassa ondergaat vervolgens pyrolyse, waarbij vast biochar, bio-olie en gassen ontstaan. Het pyrolyseproces begint met de afbraak van hemicellulose-moleculen tussen 150 en 270 °C, wat dampen, char en teer oplevert. Cellulose-moleculen in de biomassa degraderen bij 275-350 °C. De lignine in de biomassa ontleedt tussen 250 en 500 °C en produceert aromaten, voornamelijk in de vorm van vast char. Bij temperaturen boven de 500 °C versnelt de productie van gasvormige producten, met een verwaarloosbare opbrengst van teer.

In de verbrandingszone vinden exotherme reacties plaats bij temperaturen tussen 900 en 1200 °C. Het type en de hoeveelheid gasificerend middel bepalen doorgaans de temperatuur in de verbrandingszone, waarbij wordt voorkomen dat deze de smelttemperatuur van de as bereikt. De verbranding van biomassa resulteert in de vorming van uitlaatgassen (CO2, H2O, CO en H2) en een voldoende hoeveelheid warmte die wordt gebruikt voor gedeeltelijke droging en pyrolyse. In de reductiezone worden de onvolledig verbrande charresten en pyrolysegassen samen met de teerdeeltjes gereduceerd tussen 600 en 1000 °C. De reductiereacties zijn endotherm, wat de temperatuur in deze zone verlaagt. Aan het einde van deze zone worden de charresten en het merendeel van de teer omgezet in syngas en as.

De reacties die plaatsvinden tijdens de gasificatie zijn onder andere de oxidatiereactie, stoomreforming, water-gasreactie, de Boudouard-reactie, de water-gasverschuiving en methanatiereacties, evenals teerreforming.

De verschillende soorten gasificatoren kunnen in grote lijnen worden geclassificeerd op basis van het gebruikte gasificatiemiddel (lucht, zuurstof, CO2 of stoom), de druk (atmosferisch of onder druk), de vloeistofdynamica, de temperatuur (slagging of niet-slackend) en de wijze van warmtevoorziening (directe of indirecte verwarming met behulp van een warmtewisselaar).

Gasificatoren op basis van vloeistofdynamica kunnen worden onderverdeeld in vaste-bedgasificatoren, vloeibaar-bedgasificatoren, entrained-bedgasificatoren en plasma-gasificatoren. Vaste-bedgasificatoren zijn de oudste en het meest gebruikt op commerciële schaal vanwege hun eenvoudige ontwerp en gebruiksgemak. De typische samenstelling van syngas die wordt verkregen uit een vaste-bedgasificator is 10-15% CO, 15-20% H2, 3-5% CH4, 10-15% CO2, en de rest is N2, met een bruto calorische waarde tussen de 5 en 10 MJ/Nm3.

Vaste-bedgasificatoren kunnen worden gecategoriseerd op basis van de interactie tussen het vaste brandstof en het gasificatiemiddel, namelijk downdraft, updraft en cross-draft gasificatoren. De downdraft gasificator werkt met bovenvulling voor de biomassa en de lucht wordt aangevoerd bij het midden van de gasificator, in de verbrandingszone. De updraft-gasificatoren daarentegen hebben een configuratie met een dalende stroom van biomassa door de zwaartekracht en een bodemtoegang voor het gasificatiemiddel. Deze gasificatoren met tegenstroom hebben een verbrandingszone aan de basis en verwarmen het gasificatiemiddel tot 750 °C. Het hete gas stijgt omhoog en ondergaat reductie in de nabijheid van de reductiezone. Cross-draft gasificatoren werken met luchtinvoer van opzij en een bovenvulling voor de biomassa, wat leidt tot een hogere temperatuur door nauwe verbranding en reductiezones.

Vloeibaar-bedgasificatoren bieden een uniforme temperatuurverdeling in gas-vast mengsels, wat de reacties bevordert en het risico van agglomeratie minimaliseert. De efficiëntie van koolstofconversie is aanzienlijk hoog in deze gasificatoren, tot wel 95%. Er zijn verschillende types van vloeibedgasificatoren, zoals de bubbelende vloeibedgasificator (BFB), circulerende vloeibedgasificator (CFB) en dubbele vloeibedgasificator (DFB). In een BFB-gasificator wordt het gasificatiemiddel met een lage snelheid vanuit de onderkant van het bed toegevoerd. Dit creëert een percolerende beweging van de bedmaterialen, waardoor het syngas efficiënter kan worden gewonnen.

Circulerende vloeibedgasificatoren bieden een snellere fluidisatie en betere warmteoverdracht, waardoor een hogere kwaliteit syngas wordt geproduceerd. Deze gasificatoren hebben de neiging om beter te presteren in omstandigheden met hoge vluchtigheid, zoals bij de gasificatie van biomassa met een hoog vochtgehalte.

In het geval van een dubbele vloeibedgasificator (DFB) worden twee reactoren gebruikt: een bubbelend vloeibedgasificator met lucht of stoom en een circulerende vloeibedreactor. Dit proces zorgt ervoor dat de biomassa wordt omgezet in syngas, teer en biochar, terwijl de vaste deeltjes worden gerecirculeerd om de vereiste reductiereacties te bevorderen en charverlies te minimaliseren.

Een cruciaal aspect van gasificatie is de selectie van het juiste type gasificator en gasificatiemiddel. De keuze van technologie beïnvloedt niet alleen de efficiëntie van het proces, maar ook de kwaliteit van het geproduceerde syngas. Het is essentieel om de fysieke eigenschappen van de biomassa, zoals vochtgehalte en deeltjesgrootte, evenals de gewenste output van het proces in overweging te nemen.

Wat zijn de voordelen en beperkingen van biologische upgrading van biogas door algencultivatie?

De groeiende belangstelling voor biogas als duurzame energiebron heeft geleid tot de ontwikkeling van verschillende upgrading-technologieën. Onder deze technologieën komt de biologische upgrading via algencultivatie naar voren als een veelbelovende oplossing. Algen kunnen CO2, NH3 en H2S tegelijkertijd verwijderen uit biogas in een enkel proces. Dit gebeurt met een lage energie-inspanning, lage kosten, een minimaal milieueffect en zonder aanzienlijke vervuiling met zuurstof (O2) en stikstof (N2). Deze benadering biedt een aantrekkelijk alternatief voor de traditionele fysisch-chemische methoden, die vaak energie-intensief en duur zijn. In dit hoofdstuk wordt de biologische upgrading via algenbesmetting bekeken, waarbij de voor- en nadelen van deze methode kritisch worden geëvalueerd.

De belangrijkste voordelen van algengebruik bij biogasopwaardering zijn het vermogen om schadelijke gassen zoals CO2, NH3 en H2S effectief uit het biogas te verwijderen, en dat alles met relatief lage operationele kosten. Dit maakt het een aantrekkelijke optie voor kleinschalige biogasinstallaties die de energie-efficiëntie willen verbeteren zonder de milieu-impact te verhogen. Bovendien biedt algen een natuurlijk proces voor het verwijderen van deze stoffen, wat bijdraagt aan de duurzaamheid van de technologie. De productie van biogas via algencultivatie kan ook bijdragen aan het verwijderen van CO2 uit de atmosfeer, waardoor een positieve bijdrage wordt geleverd aan de vermindering van broeikasgassen.

Er zijn echter ook beperkingen. De technologie is afhankelijk van de beschikbaarheid van geschikte algenstammen, die mogelijk genetisch moeten worden gemodificeerd voor optimale prestaties. De productie van algen zelf vereist bepaalde omgevingsomstandigheden die mogelijk niet altijd in de nabije omgeving van de biogasinstallatie beschikbaar zijn. Er is dus onderzoek nodig naar de bestendigheid van algen bij variabele omgevingsomstandigheden, zoals temperatuur en beschikbaarheid van voedingsstoffen.

Verder moet het proces van algenbesmetting worden vergeleken met traditionele upgrading-methoden, zoals fysisch absorberen en chemisch absorberen, die op grotere schaal vaak effectiever zijn bij het verwijderen van CO2 uit biogas. Fysische absorptie maakt gebruik van oplosmiddelen zoals water of organische oplosmiddelen om CO2 uit het biogas te halen, terwijl chemische absorptie gebruik maakt van oplosmiddelen die reageren met CO2, zoals amines. Beide methoden hebben echter hun eigen nadelen, zoals de behoefte aan energie voor desorptie en de noodzaak voor dure oplosmiddelen of corrosiebestendig materiaal. Biologische upgrading via algen kan daarom concurreren met deze methoden, vooral wanneer de technologie verder wordt geoptimaliseerd.

Een andere belangrijke factor is het effect van het verwijderde CO2 op de algencultuur. Terwijl CO2 kan worden omgezet in biomassa door de algen, is het belangrijk om te begrijpen hoe deze biomassa kan worden verwerkt of gebruikt na de upgrade. Bij het verwijderen van andere verontreinigende stoffen, zoals H2S, kunnen algen mogelijk niet alle vervuiling volledig verwijderen, wat kan leiden tot suboptimale resultaten in bepaalde toepassingen. Daarnaast kunnen de productieomstandigheden voor algen verbruik van water en voedingsstoffen vereisen die onder bepaalde omstandigheden moeilijk op duurzame wijze te verkrijgen zijn.

Biogasreiniging is een ander essentieel onderdeel van het upgradeproces, aangezien ongewenste verontreinigingen zoals waterdamp, waterstofsulfide (H2S) en siloxanen ernstige schade kunnen veroorzaken aan de apparatuur die wordt gebruikt voor de biogasopwaardering. Waterdamp wordt meestal verwijderd door compressie, absorptie of adsorptie. Waterstofsulfide kan worden verlaagd door precipitatie, fysische of chemische absorptie, of membraanfiltratie. Daarnaast kunnen siloxanen worden verwijderd door verkoeling, adsorptie of absorptie in vloeibare mengsels van koolwaterstoffen. Al deze technologieën hebben hun voordelen en beperkingen, afhankelijk van de specifieke samenstelling van het biogas.

Wat betreft de upgrading zelf, dit kan in zowel fysische/chemische als biologische processen worden uitgevoerd. Bij fysisch-chemische upgrading wordt CO2 verwijderd of omgezet in methaan, wat de calorische waarde van biogas verhoogt. Dit kan worden bereikt door fysische absorptie (zoals water- of organische oplosmiddel scrubbing), chemische absorptie, adsorptie of membraanfiltratie. Biologische upgrading kan worden uitgevoerd via chemo-autotrofe processen, fotosynthetische processen, of bio-elektrochemische systemen. Elk van deze processen heeft zijn eigen effectiviteit, afhankelijk van de specifieke omstandigheden van het biogas.

De keuze voor het juiste upgradeproces hangt sterk af van de beoogde eindtoepassing van het biogas. Bij sommige toepassingen is het essentieel om CO2 tot een zeer laag niveau te reduceren, terwijl bij andere toepassingen de eisen minder streng zijn. Het is ook belangrijk om te overwegen hoe verschillende technologieën zich verhouden qua kosten, energieverbruik en de vereiste infrastructuur. In de toekomst kunnen verdere innovaties in biologische methoden zoals algenbesmetting mogelijk leiden tot meer kosteneffectieve en duurzame oplossingen voor biogasupgrading.

Wat zijn de belangrijkste criteria voor de selectie van faseveranderingsmaterialen (PCM) in energieopslag- en thermomanagementsystemen?

Faseveranderingsmaterialen (PCM) spelen een cruciale rol in systemen voor thermische energieopslag (TES), die efficiënte benutting van hernieuwbare energiebronnen mogelijk maken voor elektriciteitsproductie. PCM’s worden gebruikt om warmte op te slaan en vrij te geven door het gebruik van de latente warmte die vrijkomt of geabsorbeerd wordt tijdens de faseverandering van een materiaal. Er zijn verschillende soorten PCM’s, waaronder organische, anorganische en eutectische materialen, die elk verschillende voor- en nadelen hebben voor specifieke toepassingen.

In vergelijking met paraffine, dat een van de meest gebruikte organische PCM’s is, hebben niet-paraffine PCM’s, zoals vetzuren, hogere smeltwarmten en vertonen ze herhaalbare vries- en smeltgedragingen. Dit maakt ze aantrekkelijk voor toepassingen waarbij een hoge energieopslagcapaciteit vereist is. Het nadeel is echter dat deze materialen doorgaans 2 tot 2,5 keer duurder zijn dan paraffine, wat de kosteneffectiviteit vermindert. Bovendien zijn niet-paraffines mild corrosief, wat hen minder geschikt maakt voor langdurig gebruik in bepaalde omgevingen.

Inorganische PCM’s, zoals zouthydraten en metalen, bieden hoge thermische geleidbaarheid en stabiliteit bij cycli, wat hen bijzonder geschikt maakt voor toepassingen die langdurige prestaties vereisen. Zouthydraten, bijvoorbeeld, ondergaan een faseovergang van vast naar vloeibaar bij verhitting, waarbij ze veel thermische energie absorberen. Het nadeel van zouthydraten is echter dat ze soms incongruent smelten, wat leidt tot scheiding van de vaste en vloeibare fasen, waardoor de prestaties van het materiaal kunnen afnemen. Daarnaast kunnen de slechte nucleatie-eigenschappen van zouthydraten de efficiëntie van de faseverandering verder beïnvloeden.

Metalen, hoewel ze een hoge smeltwarmte per volume-eenheid bieden, worden momenteel niet veel gebruikt vanwege hun hoge gewicht en de technische problemen die zich voordoen bij het integreren van deze materialen in thermomanagementsystemen. Toch zou het potentieel van metalen PCM’s kunnen worden benut in specifieke, geavanceerde toepassingen waar hun hoge thermische geleidbaarheid vereist is.

Eutectische PCM’s zijn een mengsel van twee of meer stoffen die bij een specifieke samenstelling een minimaal smeltpunt bereiken. Deze materialen hebben het voordeel dat ze vrijwel zonder fase-scheiding vriezen en smelten, waardoor ze een goed gecontroleerde temperatuurregeling bieden tijdens de faseovergang. Het hoge thermische geleidingsvermogen van eutectische PCM’s zorgt voor snelle warmteoverdracht, wat hun toepassing in diverse velden zoals de bouw en thermische energieopslagsystemen bevorderd heeft.

Hoewel PCM’s veelbelovend zijn, blijft het voorspellen van hun gedrag een uitdaging vanwege de complexe, niet-lineaire aard van de interfacebewegingen die optreedt tijdens de faseverandering. Het gebruik van wiskundige modellen, zoals de enthalpiemethode, helpt deze uitdagingen aan te pakken door het modelleren van de overgangsfasen zonder abrupt discontinuïteiten die tot numerieke instabiliteit kunnen leiden. De enthalpiemethode maakt het mogelijk om faseveranderingen beter te simuleren, hoewel de discretisatie van de zogenaamde ‘mushy zone’ (de zone tussen de vaste en vloeibare fasen) cruciaal is voor een nauwkeurige modelberekening.

Bij het selecteren van PCM’s voor elektriciteitsopwekking moeten verschillende belangrijke parameters worden overwogen. De thermische eigenschappen van het materiaal zijn van fundamenteel belang: PCM’s moeten een hoge latente warmte hebben, wat hen in staat stelt om aanzienlijke hoeveelheden energie op te slaan en vrij te geven bij de faseovergang. Dit bevordert de stabiliteit van het energienetwerk en zorgt voor een consistente temperatuur tijdens het energieopslag- en afgifteproces. Thermische stabiliteit is ook essentieel, aangezien PCM’s meerdere verwarmings- en koelcycli moeten doorstaan zonder significante prestatievermindering.

De thermische geleidbaarheid van PCM’s is van groot belang om een efficiënte warmteoverdracht tussen de warmtebron en het opslagmedium te waarborgen. Meer efficiënte warmteoverdracht resulteert in lagere thermische verliezen en betere energieconversie. De compatibiliteit van PCM’s met de materialen en systemen die in de elektriciteitsopwekking worden gebruikt, is eveneens belangrijk om integratieproblemen te vermijden.

Economische overwegingen spelen een cruciale rol bij de keuze van PCM’s, vooral voor grootschalige elektriciteitsproductieprojecten. De kosten van materialen, de schaalbaarheid van de technologie en de kosten van productie moeten zorgvuldig worden geëvalueerd om de haalbaarheid van een project te waarborgen. Verder moeten PCM’s veilig zijn voor gebruik, wat betekent dat ze niet brandbaar of toxisch mogen zijn. Dit is niet alleen belangrijk voor de veiligheid van het personeel, maar ook om te zorgen dat de PCM’s geen schade toebrengen aan het milieu of de gezondheid.

Hoewel PCM’s veel voordelen bieden voor duurzame energieproductie, zijn er ook beperkingen, zoals beperkte thermische cycli, matige warmteoverdrachtseigenschappen en het kortetermijngedrag van sommige materialen. Deze factoren moeten in overweging worden genomen bij de ontwerpkeuzes voor energieopslagsystemen en de implementatie van hernieuwbare energiebronnen.

Hoe fractale geometrieën de prestaties van zonne-energiecollectoren kunnen verbeteren: een analyse van ontwerp- en materiaaleigenschappen

Fractale geometrieën, hoewel nog relatief nieuw in de technische toepassingen van zonne-energie, krijgen steeds meer belangstelling. Dit is vooral te danken aan de vooruitgangen in 3D-printtechnologieën die de productie van dergelijke complexe structuren mogelijk maken. Fractalen bieden het potentieel om de oppervlaktetemperatuur van zonnepanelen te verbeteren door het creëren van zeer efficiënte warmteoverdrachtstructuren. De uitdaging blijft echter in de fabricage, aangezien deze geometrieën moeilijk te produceren zijn met traditionele technieken. Toch is het potentiële voordeel duidelijk: door fractalen toe te passen kan het thermische rendement van zonne-energiecollectoren aanzienlijk worden verhoogd, wat zou kunnen leiden tot betere prestaties en lagere kosten op de lange termijn.

De keuze van het materiaal voor de collector is een andere belangrijke factor die de efficiëntie van een zonnecollector bepaalt. Het materiaal moet in staat zijn om thermische energie effectief over te dragen, wat betekent dat de thermische geleidbaarheid hoog moet zijn, terwijl de specifieke warmte laag moet blijven om snelle reacties bij veranderende bedrijfsomstandigheden te waarborgen. Van de materialen die momenteel het meest worden gebruikt, heeft koper de beste eigenschappen, maar door de gestegen kosten van koper in de afgelopen jaren, wordt steeds vaker aluminium ingezet. Aluminium is niet alleen goedkoper, maar heeft ook goede thermische eigenschappen, al is het minder effectief dan koper op het gebied van warmtegeleiding.

De geometrie van de collectorkanalen speelt eveneens een cruciale rol bij het ontwerp van zonnecollectoren. Er zijn verschillende vormen van kanalen onderzocht, zoals tubulaire, trapeziumvormige en rechthoekige kanalen, waarbij elk type specifieke voor- en nadelen heeft. De keuze van de kanaalconfiguratie hangt vaak af van de productieprocessen en de kosten van het materiaal. Zo zijn bijvoorbeeld rechthoekige kanalen geschikt voor polymere materialen, terwijl buisvormige kanalen vaak worden gebruikt in collectoren van koper of aluminium. Het ontwerp van de kanalen heeft direct invloed op de thermische efficiëntie en de productie van de zonnecollector.

Bij het ontwerp van een zonnecollector kan het gebruik van een transparante beschermlaag de prestaties verbeteren. De meeste zonnecollectoren zijn bedekt met een glazen laag, die fungeert als een unidirectionele filter. Dit glas heeft een hoge transparantie voor zichtbaar licht, maar blokkeert langere golflengtes in het infraroodgebied. Er wordt echter steeds meer onderzoek gedaan naar alternatieven voor glas, zoals polymeren zoals polycarbonaat of polyvinylfluoride. Deze materialen bieden een lager gewicht en een grotere flexibiliteit, maar ze vertonen aanzienlijke thermische en mechanische afbraak over de levensduur van het systeem. Dit heeft gevolgen voor de algehele effectiviteit van de zonnecollector.

Een andere belangrijke innovatie is de toevoeging van een laag met lage emissiviteit, die bedoeld is om stralingsverliezen te verminderen. Dergelijke lagen kunnen worden gemaakt van materialen zoals zinkoxide, indiumoxide of tinoxide, die de thermische efficiëntie verbeteren door de straling te verminderen die anders verloren zou gaan. Er wordt echter een trade-off gemaakt tussen de thermische en elektrische efficiëntie van een systeem wanneer dergelijke beschermende lagen worden toegevoegd. Onderzoek toont aan dat het toevoegen van een laag met lage emissiviteit vaak leidt tot een thermisch voordeel, maar tegelijkertijd een afname in de elektriciteitsproductie veroorzaakt.

De wijze waarop de fotovoltaïsche (PV) cellen zijn verbonden met het thermische deel van de collector heeft eveneens een aanzienlijke invloed op de prestaties. Er zijn verschillende methoden om deze verbindingen te maken, waaronder het gebruik van thermisch geleidende lijmen of het lamineren van de componenten. Lijmen kan echter leiden tot ongelijkmatige oppervlakken door de vorming van luchtbellen, wat de warmteoverdracht bemoeilijkt. Laminatie biedt betere thermische prestaties, maar brengt ook uitdagingen met zich mee, zoals de kans op vervorming door de verschillende uitzettingscoëfficiënten van de materialen.

Er zijn verschillende parameters die de efficiëntie van hybride zonnecollectoren (PVT-systemen) beïnvloeden. Factoren zoals de doorstroming van het thermische medium, de dikte van de isolatie, de afstanden tussen de collectorbuisjes en de oriëntatie van de cellen kunnen de thermische en elektrische prestaties verbeteren of verslechteren. Het is dan ook belangrijk om een evenwicht te vinden tussen thermische en elektrische efficiëntie. Veel studies hebben aangetoond dat optimale prestaties worden bereikt wanneer deze twee vormen van energieproductie met elkaar in balans zijn.

Een ander belangrijk aspect is het effect van het gebruik van faseveranderende materialen (PCM) in zonnecollectoren. Deze materialen kunnen de opslagcapaciteit van de collector verbeteren door het gebruik van de latentiewarmte van faseveranderingen, waardoor de temperatuurstijging in de collector wordt gereguleerd. Het kiezen van een PCM met een smeltpunt hoger dan de omgevingstemperatuur is cruciaal voor de effectiviteit van deze technologie.

Naast technische overwegingen is de wijze waarop zonne-energie wordt geconsumeerd ook van belang. Het gebruikspatroon van energie heeft een aanzienlijke invloed op de prestaties van het zonne-energiesysteem. De dagelijkse energiebehoefte varieert afhankelijk van het type gebruiker, zoals huishoudens, scholen of bedrijven, en dit beïnvloedt de efficiëntie van het systeem. Het bestuderen van het verbruikspatroon kan helpen bij het optimaliseren van het ontwerp van zonne-energiesystemen, vooral in gebieden waar de energiebehoeften sterk variëren, zoals in Zuid-Afrika, waar het gedrag van de consument een significant effect heeft op de efficiëntie van het systeem.