Θα εξετάσουµε παρακάτω πιο αναλυτικά κάθε στάδιο της εργασίας:

Transcript

1 ΠΜΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΙΑ ΣΤΟ ΜΑΘΗΜΑ ΒΙΟΜΑΖΑ ΘΕΜΑ ΜΕΛΕΤΗ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΜΟΝΑ ΑΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΑΣΙΚΩΝ ΥΠΟΛΕΙΜΜΑΤΩΝ, ΒΙΟΧΗΜΙΚΕΣ ΙΕΡΓΑΣΙΕΣ, ΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΥ ΟΝΟΜΑ: ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΕΠΩΝΥΜΟ: ΒΕΡΒΕΡΗ ΑΡ.ΜΗΤΡΩΟΥ: ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΠΑΡΑ ΟΣΗΣ: 30/6/2009

2 Σκοπός σε αυτή την εργασία είναι η περιγραφή µιας µονάδας που χρησιµοποιεί ως πρώτη ύλη δασικά υπολείµµατα, τα επεξεργάζεται µε βιοχηµικές διεργασίες και έχει ως τελικο προϊόν παραγωγή ηλεκτρισµού. Παρατηρώντας τον παρακάτω πίνακα κατανοµής δασικής βιοµάζας και ενεργειακού δυναµικού, τεχνικά απολήψιµων δασικών υπολειµµάτων, κατά δασική περιφέρεια, καταλήγουµε στο να προµυθευόµαστε την πρώτη ύλη µας από την περιοχή της Ανατολικής Μακεδονίας- Θρακης. Εκεί και η ποσότητα και το ενεργειακό δυναµικό δασικών υπολειµµάτων (προερχόµενα κυρίως από πλατύφυλλα δάση) είναι µεγαλύτερο από τις υπόλοιπες περιοχές της χώρας. Τα δασικά υπολείµατα, που αποτελούν την πρώτη ύλη µας, θα προέρχονται απο τα δάση της Ανατολικής Μακεδονίας- Θρακης και συγκεκριµένα από τα δαση αείφυλλων πλατύφυλλων που φαίνονται στον παρακάτω χάρτη δασών της Ελλάδας. Η µοναδα θα πρέπει να κατασκευαστεί κοντά στην πηγή της πρώτης ύλης µε σκοπό να µειωθεί κατά το δυνατόν το κόστος µεταφοράς και αποθήκευσης της βιοµάζας. Επιλέγουµε συγκεκριµένα το νοµό της Ξάνθης.

3 Σχηµα: Χάρτης δασικών εκτάσεων της Ελλάδας Θα εξετάσουµε παρακάτω πιο αναλυτικά κάθε στάδιο της εργασίας: 1. ΠΗΓΗ ΒΙΟΜΑΖΑΣ - ΑΣΙΚΑ ΥΠΟΛΕΙΜΜΑΤΑ Με τον όρο βιοµάζα εννοείται η οργανική ύλη της γης. Η βιοµάζα, βρίσκεται στο λεπτό στρώµα του φλοιού, τη βιόσφαιρα. Αντιπροσωπεύει ένα πολύ µικρό κλάσµα της συνολικής µάζας της γης, αλλά σε ανθρώπινους όρους, αποτελεί µια τεράστια αποθήκη ενέργειας, η οποία ανανεώνεται συνεχώς. Πηγή αυτής της ενέργειας είναι ο ήλιος. Ενώ µόνο ένα µικρό ποσοστό από την ηλιακή ενέργεια που φτάνει στη γη δεσµεύεται από την οργανική ύλη, η ποσότητα αυτή αντιστοιχεί µε το οκταπλάσιο της παγκόσµιας κατανάλωσης πρωτογενούς ενέργειας. Η εγκλωβισµένη βιοενέργεια ανακυκλώνεται µε τη βοήθεια µιας σειράς χηµικών και φυσικών διεργασιών στα

4 φυτά, το έδαφος, το χώρο γύρω από τα φυτά και την υπόλοιπη έµβια ύλη, µέχρι που τελικά ακτινοβολείται από τη γη σαν θερµότητα χαµηλής θερµοκρασίας. Η παραπάνω κυκλική διεργασία είναι µεγάλης σπουδαιότητας, επειδή υπάρχει η δυνατότητα δέσµευσης µέρους της βιοµάζας στη φάση που ακόµη λειτουργεί ως αποθήκη χηµικής ενέργειας. Με απλά λόγια, δηλαδή, η βιοµάζα δεν είναι άλλο από τη µάζα των φυτών που σχηµατίζεται µε τη φωτοσυνθετική µετατροπή της ηλιακής ενέργειας. Τα δασικά απόβλητα περιλαµβάνουν µη χρησιµοποιηµένα υπολείµµατα υλοτοµίας, µη εµπορεύσιµα δέντρα, νεκρά ξύλα, και άλλα µη εµπορικά δέντρα που πρέπει να κοπούν από πυκνά, ασθενή ή ευπυρόβλητα δάση. Η αποψίλωση των δασών, που είναι απαραίτητη για να βοηθηθούν µερικά δάση να επανακτήσουν τη φυσική τους υγεία, επίσης παρέχει µια µεγάλη ποσότητα υπολειµµάτων που µπορούν να χρησιµοποιηθούν ως βιοµάζα. Η διαθέσιµη δασική βιοµάζα, για ενεργειακούς σκοπούς, συνίσταται στα καυσόξυλα, τους ξυλάνθρακες, τα υπολείµµατα των δασικών υλοτοµιών, τα προϊόντα καθαρισµών του δάσους και τα υπολείµµατα, που προκύπτουν από την επεξεργασία του ξύλου. Ενα ιδιαίτερα σηµαντικό στοιχείο που µας βοηθάει να επιλέξουµε ποια µέθοδο θα χρησιµοποιήσουµε για να εκµεταλευτούµε τα δασικά υπολείµµατα είναι η θερµογόνος δύναµη τους, το ποσό δηλαδή της θερµότητας που παράγεται κατά την καύση 1 Kg δασικών υπολειµµάτων και εκφράζεται σε KJ/Kg ή Kcal/Kg. Η θερµογόνος δύναµη προσδιορίζεται εργαστηριακά (DIN 51900) και η προσδιοριζόµενη τιµή αναφέρεται ως ανώτερη θερµογόνος δύναµη (ΑΘ ). Η τιµή αυτή περιλαµβάνει και την λανθάνουσα θερµότητα υγροποιήσεως των παραγόµενων υδρατµών, που προέρχονται από την εξάτµιση της περιεχόµενης υγρασίας κατα τη διεργασία. Πρέπει η λανθάνουσα θερµότητα υγροποιήσεως των υδρατµών να αφαιρεθεί. Η υπολογιζόµενη τιµή µετά την αφαίρεση της θερµότητας υγροποίησης αποτελεί την κατώτερη δύναµη (ΚΘ ), που ενδιαφέρει πρακτικά. Χρησιµοποιώντας δεδοµένα από τις στοιχειακές αναλύσεις των καυσίµων είναι δυνατή η υπολογιστική προσέγγιση της θερµογόνου δυνάµεως, γνωστή ως εξίσωση Dulong: Η µετατροπή της θερµογόνου δύναµης επί φυσικού σε θερµογόνο δύναµη επί ξηρού βάσεως γίνεται χρησιµοποιώντας την εξίσωση: όπου W ωςέχει είναι η % περιεκτικότητα σε υγρασία. Επειδή τα δασικά υπολείµµατα εχουν πολυ µεγάλο ποσοστό υγρασίας (περιπου 70%) χρήση τους ως καύσιµη ύλη θα απαιτούσε ξήρανση, κατι που θα αύξανε το κόστος αποθήκευσης.

5 ΚΥΚΛΟΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΑΣΙΚΩΝ ΥΠΟΛΕΙΜΜΑΤΩΝ Ο κύκλος αξιοποίησης των δασικών υπολειµµάτων για ενεργειακούς σκοπούς περιλαµβάνει την προµήθεια (τη συλλογή ή συγκοµιδή), την µεταφορά τους, την αποθήκευση τους σε κατάλληλους χώρους και µε κατάλληλο τρόπο και τελικά την ενεργειακή µετατροπή τους µε διάφορες διεργασίες. Η κοπή των δέντρων και η φύτευση δασικών περιοχών υπόκεινται στη νοµοθεσία. Η δραστηριότητα συγκοµιδής και η µετέπειτα αναγέννηση της δασικής περιοχής υπόκεινται στους κανονισµούς αδειών κοπής ξυλείας και διενεργείται µέσω της διαδικασίας έγκρισης επιχορήγησης για τα δασικά σχέδια και τις εφαρµογές µεγάλων δασικών περιοχών. Η καλή διαχείριση µπορεί να βελτιώσει την οικονοµική βιωσιµότητα της δασικής περιοχής ή του δάσους, καθώς επίσης και να ωφελήσει την φύση. Η συγκοµιδή θα µπορούσε να περιλαµβάνει: Μικρά δέντρα Κορυφές και κλωνάρια Κλαδιά από τα πλατύφυλλα δέντρα ενδροκοµικά ευρήµατα έντρα που έχουν πέσει στους δρόµους. Η επιλογή των µεθόδων και των µηχανηµάτων της συγκοµιδής εξαρτάται από τις συγκεκριµένες ιδιαιτερότητες των περιοχών, τις απαιτήσεις της µονάδας που θα εγκατασταθεί και το δασικό σχεδιάγραµµα, και καθορίζεται ως αναπόσπαστο τµήµα της γενικής συγκοµιδής. Η κλίµακα του εξοπλισµού ποικίλλει από φορητά εργαλεία έως µεγάλα µηχανήµατα συγκοµιδής. Οι κύριες µέθοδοι συγκοµιδής είναι: Συγκοµιδή µικρών κοµµατιών ξύλου Τα δέντρα, ή τα κλαδιά των δέντρων, καταρρίπτονται και κόβονται σε µικρά µήκη χρησιµοποιώντας τσεκούρι ή αλυσοπρίονο. Τα µικρά κοµµάτια τοποθετούνται έπειτα για τον τεµαχισµό τους σε ένα κεντρικό σηµείο ή τεµαχίζονται και δηµιουργούνται τσιπς. Αυτή η µέθοδος ισχύει στα πλατύφυλλα δέντρα και για χρήση κοντα στις αστικές περιοχές Συγκοµιδή υπολειµµάτων Το ξύλο των κορµών αφαιρείται µε µια συµβατική εργασία συγκοµιδής σε πρώτο στάδιο. Τα ενεργειακά στοιχεία αφαιρούνται στο δεύτερο στάδιο επεξεργασίας, είτε µε τον τεµαχισµό της ρίζας και την εξαγωγή τσιπ ή από την εξαγωγή του ανέπαφου υλικού από προηγούµενο τεµαχισµό είτε στο δασικό δρόµο ή τις εγκαταστάσεις τελική χρήσης. Εάν τα ενεργειακά στοιχεία είναι αποσπασµατικά ανέπαφα, υπάρχει η επιλογή να τα συσκευάσουµε στο δάσος που αποτίθενται για να αυξηθεί η πυκνότητά τους και να µειωθεί το κόστος των περαιτέρω µεταφορών. Συγκοµιδή ολόκληρων δέντρων

6 Οι µονοφασικές διαδικασίες συγκοµιδής περιλαµβάνουν ολόκληρο το δέντρο που αφαιρείται από τη ρίζα στο δασικό δρόµο. Το δέντρο διαιρείται έπειτα σε συµβατικούς κορµούς ξύλου και προϊόντα ενέργειας. Αυτή η µέθοδος χρησιµοποιεί συνήθως σχετικά περίπλοκη τεχνολογία και είναι πιο κατάλληλη για τις µεγάλες εκτάσεις κωνοφόρων δέντρων. Οι µέθοδοι εξαγωγής περιλαµβάνουν τη χρήση «γερανών» ή «παπαγάλων» για την ανέλκυση του δέντρου και την µεταφορά του από τη ρίζα του στην γη. Όπου χρησιµοποιείται η συγκοµιδή ολόκληρων δέντρων, ο τύπος εξοπλισµού εξαρτάται από την περιοχή. Οι µετακινήσεις µέσα και έξω από το δάσος, µπορεί να αυξηθούν µε τη συγκοµιδή των δασικών υπολειµµάτων επειδή ο όγκος των προϊόντων του δάσους είναι µεγάλος. Εντούτοις, τα αποτελέσµατα της αυξανόµενης κυκλοφοριακής ροής µπορούν να γίνουν πολύ πιο αισθητά γύρω από τις εγκαταστάσεις παραγωγής ενέργειας, δεδοµένου ότι εκεί συγκεντρώνεται η κυκλοφορία. Εδώ µπορεί να υπάρξει και κάποια κυκλοφορία που δηµιουργείται από τους εργαζοµένους στις εγκαταστάσεις παραγωγής ενέργειας και στις βοηθητικές υπηρεσίες. Η διαβάθµιση των µετακινήσεων θα εξαρτηθεί από το µέγεθος του εργοστασίου, αλλά οι αγροτικοί δρόµοι είναι πιθανό να επηρεάζονται από την αυξανόµενη κυκλοφοριακή ροή. Οποιαδήποτε άδεια προγραµµατισµού µπορεί να περιορίσει τους χρόνους διανοµής, να απαιτήσει καθορισµό των δρόµων συµπεριλαµβανοµένης της χωρητικότητας των δρόµων και των γεφυρών, να διευκρινίσει τους τύπους και το µέγεθος των οχηµάτων και να απαιτήσει να υπάρχει δηµόσια συναίνεση. Η επιλογή οχήµατος καθορίζεται συνήθως από το µέγιστο φορτίο, το µέγεθος των οχηµάτων, την πρόσβαση στο δάσος. Για πολύ µικρό σχηµατισµό είναι πιθανό ένα τρακτέρ και ένα ρυµουλκό αποτελούν την καλύτερη επιλογή. Εντούτοις, για τους σχηµατισµούς οποιουδήποτε σηµαντικού µεγέθους, τα συµβατικά tipper ή curtain-sided φορτηγά µπορούν να χρησιµοποιηθούν για τη µεταφορά τσιπ, και τα φορτηγά επίπεδης βάσης ή τα φορτηγά ξυλείας για τη µεταφορά υλικού που δεν έχει κοπεί σε τσιπ. Οι συνέπειες από την κυκλοφορία µπορούν να ελαχιστοποιηθούν µε διάφορους τρόπους: Τοποθετώντας τη µονάδα παραγωγής ενέργειας κοντά στις πηγές βιοµάζας. Οι τοπικές πηγές εφοδιασµού βιοµάζας όχι µόνο µπορούν να είναι οικονοµικότερες, αλλά είναι επίσης πιθανό να είναι πιο αποδεκτές στην τοπική κοινωνία και την αρχή προγραµµατισµού Εντοπίζοντας τις εγκαταστάσεις κοντά στις υπάρχουσες βιοµηχανικές εγκαταστάσεις, ή σε διασταύρωση αυτοκινητοδρόµων ή σε παρακαµπτήρια σιδηροδροµική γραµµή Αναπτύσσοντας και χρησιµοποιώντας εναλλακτικές λύσεις στις οδικές µεταφορές, όπως η µεταφορά µε τρένο ή η υδάτινη µεταφορά Η καθιέρωση ενός δεδοµένου στόλου φορτηγών, σε µεγαλύτερους σχηµατισµούς, για να βοηθηθεί η εξασφάλιση ενός περιορισµένου αριθµού βαρέων οχηµάτων ιευκρίνιση των περιορισµών και των υποχρεώσεων στις συµβάσεις µε τις

7 εταιρείες µεταφορών Ελαχιστοποίηση των εκποµπών από τα οχήµατα Ελαχιστοποίηση του όγκου κυκλοφορίας (που θα έχει οικονοµικά καθώς επίσης και περιβαλλοντικά οφέλη) Εξασφαλίζοντας ότι χρησιµοποιούνται οχήµατα που είναι αποδοτικά ως προς το καύσιµο και καλοδιατηρηµένα 2. ΒΙΟΧΗΜΙΚΕΣ ΙΕΡΓΑΣΙΕΣ Η βιοµάζα µπορεί να µετατραπεί σε χρήσιµα προϊόντα µε µεγαλύτερη αξία (αναβάθµιση της βιοµάζας) από το κέρδος που έχουµε µε την καύση της. Η µετατροπή αυτή της βιοµάζας γίνεται κυρίως µε δυο γενικές κατηγορίες διεργασιών: (α) Τις θερµοχηµικές διεργασίες, όπου θερµότητα ή/ και καταλύτες χρησιµοποιούνται για να αποσυντεθεί η βιοµάζα σε ενδιάµεσα ή τελικά προϊόντα (διεργασίες αεριοποίησης, πυρόλυσης) (β) Τις βιοχηµικές διεργασίες, όπου διάφοροι µικροοργανισµοί και ένζυµα χρησιµοποιούνται για να µετατρέψουν τη βιοµάζα σε χρήσιµα προϊόντα (ζύµωση και αναερόβια χώνευση). Αλκοολική ζύµωση Έχουµε παραγωγή βιοκαυσίµων µε ζύµωση, όπως είναι το οινόπνευµα (αιθανόλη) που παράγεται από διάφορα αγροτικά προϊόντα (ζαχαροκάλαµο,

8 σταφύλια, κριθάρι, φρούτα). Το προϊόν της ζύµωσης περιέχει µόνο 10-15% αιθανόλη, η οποία θα πρέπει να ληφθεί µε απόσταξη, κάτι που απαιτεί µεγάλες ποσότητες ενέργειας. Μέρος της ενέργειας µπορεί να καλυφθεί από την καύση των φυτικών υπολειµµάτων. Αν και υψηλού κόστους, τα κύριο πλεονέκτηµα της βιοαιθανόλης είναι η ευκολία χρήσης και µεταφοράς που έχουν τα υγρά καύσιµα. ύο κύρια προβλήµατα υπάρχουν αυτή τη στιγµή µε την παραγωγή καυσίµων από βιοµάζα. Το ένα είναι η ποιότητα των βιοκαυσίµων, που είναι χειρότερη από την ποιότητα των συµβατικών καυσίµων, και το άλλο είναι το υψηλότερο κόστος που έχουν σήµερα (λόγω του υψηλού κόστους της πρώτης ύλης). Αερόβια χώνευση Η αερόβια χώνευση είναι µια βακτηριακή διαδικασία, η οποία λαµβάνει χώρα παρουσία οξυγόνου. Κάτω από αερόβιες συνθήκες, τα βακτήρια καταναλώνουν µε γρήγορο ρυθµό την οργανική ύλη, µετατρέποντας την σε διοξείδιο του άνθρακα. Αφού η οργανική ύλη καταναλωθεί, τα βακτήρια πεθαίνουν και καταναλώνονται από άλλα βακτήρια. Τα πλεονεκτήµατα της αερόβιας διαδικασίας είναι ότι πραγµατοποιείται πολύ ταχύτερα, έχοντας έτσι µικρότερες κεφαλαιουχικές δαπάνες, δηλαδή αποδίδει περισσότερο. Το λειτουργικό κόστος, όµως, είναι πολύ µεγαλύτερο, εξαιτίας του ενεργειακού κόστους για τον αερισµό που χρειάζεται για την προσθήκη οξυγόνου στην διαδικασία. Αναερόβια χώνευση Είναι η διεργασία κατά την οποία η οργανική ύλη αποσυντίθεται από βακτήρια απουσία οξυγόνου και παράγεται ένα µίγµα µεθανίου (50-60%) και άλλων αερίων όπως CO 2. Αποτελεί φυσική διεργασία που επιτελείται στο βυθό λιµνών όπου επικρατούν αναερόβιες συνθήκες. Η µονάδα που µελετάµε θα έχει τελικό προϊόν ηλεκτρική ενέργεια, άρα η διεργασία που θα ακολουθήσουµε είναι η αναερόβια χώνευση για παραγωγή βιοαερίου που θα χρησιµοποιηθεί ως καύσιµο στη µονάδα. Η αναερόβια βιοαποδόµηση του σύνθετου οργανικού υλικού περιγράφεται ως µια διαδικασία πολλαπλών σταδίων µε οριζόντιες και παράλληλες αντιδράσεις. Αρχικά, σύνθετες πολυµερικές ενώσεις όπως είναι οι υδατάνθρακες, οι πρωτεΐνες και τα λίπη υδρολύονται από εξωκυτταρικά ένζυµα σε διαλυτά προϊόντα µικρότερου µεγέθους έτσι ώστε να µπορούν να εισχωρήσουν διαµέσου της κυτταρικής µεµβράνης στο εσωτερικό του κυττάρου. Αυτές οι σχετικά απλές διαλυτές ενώσεις ζυµώνονται ή οξειδώνονται αναερόβια σε πτητικά λιπαρά οξέα, αλκοόλες, διοξείδιο του άνθρακα, υδρογόνο και αµµωνία. Τα πτητικά λιπαρά οξέα µετατρέπονται σε οξικό οξύ, υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα. Τέλος, παράγεται µεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα, είτε από την αναγωγή του διοξειδίου του άνθρακα από το υδρογόνο είτε από το οξικό.

9 Η συνολική διαδικασία της µετατροπής του σύνθετου οργανικού υλικού σε µεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα µπορεί να υποδιαιρεθεί σε 7 στάδια σύµφωνα µε το σχήµα: 1. Υδρόλυση του σύνθετου οργανικού υλικού 2. Ζύµωση των αµινοξέων και των σακχάρων 3. Αναερόβια οξείδωση των µεγάλου µήκους λιπαρών οξέων και αλκοολών 4. Αναερόβια οξείδωση των ενδιάµεσων προϊόντων 5. Παραγωγή οξικού από διοξείδιο του άνθρακα και υδρογόνο 6. Μετατροπή του οξικού σε µεθάνιο 7. Παραγωγή µεθανίου µε αναγωγή του διοξειδίου του άνθρακα από υδρογόνο Υδρόλυση στερεού οργανικού υλικού Τα οργανικά πολυµερικά υλικά δεν µπορούν να καταναλωθούν από τους µικροοργανισµούς αν δεν διασπαστούν σε µικρότερες διαλυτές ενώσεις που µπορούν να περάσουν από την κυτταρική µεµβράνη. Έτσι, η διαλυτοποίηση του σύνθετου οργανικού υλικού είναι το πρώτο βήµα της αναερόβιας βιοαποδόµησης. Τα κύρια συστατικά του σύνθετου οργανικού υποστρώµατος είναι οι υδατάνθρακες, οι πρωτεΐνες και τα λίπη. Οι υδατάνθρακες αποτελούνται κυρίως από κυτταρίνη, ηµικυτταρίνη και λιγνίνη. Τα προϊόντα της υδρόλυσης της κυτταρίνης είναι η κελοβιόζη και η γλυκόζη, ενώ η

10 ηµικυτταρίνη µετατρέπεται σε πεντόζη, εξόζη και ουρονικό οξύ. Η λιγνίνη είναι µια πολύ δύσκολα βιοδιασπάσιµη ένωση και η αποδόµηση της είναι το καθοριστικό βήµα του ρυθµού υδρόλυσης των υδατανθράκων (που περιέχουν λιγνίνη) σε ένα αναερόβιο αντιδραστήρα. Οι πρωτεΐνες υδρολύονται από εξωκυτταρικά ένζυµα (πρωτεάσες) σε πολυπεπτίδια και αµινοξέα. Συγκριτικά, λίγοι οργανισµοί έχουν την ικανότητα να παράγουν τα ένζυµα αυτά και σε σηµαντικές ποσότητες για την διάσπαση των πρωτεϊνών. Στις περισσότερες περιπτώσεις απαιτείται µια εύκολα καταναλώσιµη πηγή αζώτου για να είναι σε θέση ο µικροοργανισµός να συνθέσει τις πρωτεάσες. Σε γενικές γραµµές, η υδρόλυση των πρωτεϊνών κάτω από αναερόβιες συνθήκες είναι πιο βραδεία από την υδρόλυση των υδατανθράκων. Η υδρόλυση των λιπιδίων κάτω από αναερόβιες συνθήκες πραγµατοποιείται αρχικά από τις λιπάσες, που µετατρέπουν τα λίπη στα αντίστοιχα λιπαρά οξέα και σε ενώσεις που περιέχουν γλυκερόλη και γαλακτόζη. Στη συνέχεια, τα προϊόντα αυτά µετατρέπονται µε διάφορες ζυµωτικές διαδικασίες σε πτητικά λιπαρά οξέα, διοξείδιο του άνθρακα και υδρογόνο. Χωνευτήρας Βιοµάζας Ζύµωση και αναερόβια οξείδωση των προϊόντων υδρόλυσης Οι διαλυτοί υδατάνθρακες µετατρέπονται µετά τη ζύµωση τους από αναερόβια βακτήρια κυρίως σε αιθανόλη, οξικό, υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα. Τα µεγάλου µοριακού βάρους λιπαρά οξέα που βρίσκονται σε ένα αναερόβιο αντιδραστήρα διασπώνται αρχικά σε µικρότερου µοριακού βάρους λιπαρά οξέα. Η διαδικασία αυτή βιοαποδόµησης των λιπαρών οξέων ονοµάζεται αναερόβια οξείδωση. Γενικά, παρατηρήθηκε µείωση του ρυθµού διάσπασης των ουσιών αυτών καθώς αυξάνει το µήκος της αλυσίδας ή καθώς µειώνεται ο βαθµός κορεσµού των ακόρεστων λιπαρών οξέων. Τα µικρού µοριακού βάρους λιπαρά οξέα (π.χ προπιονικό, βουτυρικό) στη συνέχεια µετατρέπονται σε οξικό και αέριο υδρογόνο. Η µετατροπή αυτή ονοµάζεται οξικογένεση. Για την επιτυχή διάσπαση των λιπαρών οξέων µικρού µοριακού βάρους είναι απαραίτητο να αποµακρύνεται σηµαντική ποσότητα του υδρογόνου που παράγεται.

11 Τέλος, η ζύµωση των αµινοξέων που είναι µια πολύ σύνθετη διαδικασία οδηγεί στην παραγωγή πτητικών λιπαρών οξέων και υδρογόνου. Συγκριτικά, η ζύµωση των αµινοξέων που παράγονται από την υδρόλυση πρωτεϊνών είναι γρήγορη µε αποτέλεσµα το περιοριστικό βήµα στο ρυθµό βιοδιάσπασης των πρωτεϊνών να είναι η υδρόλυση. Μεθανογένεση Το τελικό στάδιο της αναερόβιας χώνευσης είναι η παραγωγή µεθανίου. Η µεθανογένεση γίνεται είτε µε κατανάλωση οξικού είτε µε σύνθεση υδρογόνου και διοξειδίου του άνθρακα. Οµάδες βακτηρίων της αναερόβιας χώνευση Οι κύριες οµάδες βακτηρίων που παίρνουν µέρος σε αυτές τις αντιδράσεις χωρίζονται στις ακόλουθες κατηγορίες: (1) Βακτήρια ζύµωσης (2) Οξικογόνα βακτήρια που παράγουν υδρογόνο (3) Οξικογόνα βακτήρια που καταναλώνουν υδρογόνο (4) Μεθανογόνα βακτήρια που ανάγουν το διοξείδιο του άνθρακα (5) Ακετοκλαστικά µεθανογόνα βακτήρια Παράγοντες που επηρεάζουν την αναερόβια χώνευση Εκτός από τα απαραίτητα υποστρώµατα και τους κατάλληλους µικροβιακούς πληθυσµούς υπάρχουν και ορισµένοι περιβαλλοντικοί παράγοντες, όπως είναι η θερµοκρασία, το ph, η αλκαλικότητα, τα θρεπτικά στοιχεία και οι τοξικές ουσίες που επιδρούν στη διαδικασία παραγωγής µεθανίου κατά την αναερόβια επεξεργασία. Ο έλεγχος αυτών των παραγόντων εξασφαλίζει και την σωστή λειτουργία της αναερόβιας επεξεργασίας. Γενικά, τα σηµαντικότερα πλεονεκτήµατα της αναερόβιας επεξεργασίας είναι: 1. Η υψηλή απόδοση της επεξεργασίας, 2. Το χαµηλό αρχικό κεφάλαιο 3. Η µη απαίτηση οξυγόνου, 4. Η παραγωγή µεθανίου (καύσιµο), 5. Οι µικρές απαιτήσεις σε θρεπτικά, και 6. Το χαµηλό λειτουργικό κόστος. Από την άλλη µεριά, η σχετικά µεγάλη ευαισθησία της διεργασίας και η λειτουργία της σε υψηλές θερµοκρασίες (30-35οC ή 50-55οC) µπορούν να αποτελέσουν µειονεκτήµατα για την αποδοτική εφαρµογή της.

12 3. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΥ Επιλέγουµε µια µονάδα συνδυασµένου κύκλου για µέγιστη απόδοση, µεγέθους 200kW. Ατµοστρόβιλοι Οι ατµοηλεκτρικοί σταθµοί παραγωγής είναι οι πιό οικονοµικές µονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σε µεγάλες ποσότητες. Σε έναν πολύ µεγάλο λέβητα θερµαίνεται νερό µε την θερµότητα που παράγεται από την καύση του καυσίµου και ατµοποιείται. Ο παραγόµενος ατµός οδηγείται στον ατµοστρόβιλο και τον αναγκάζει να περιστραφεί. Στον άξονα του στροβίλου συνδέεται ο άξονας της ηλεκτρικής γεννήτριας που περιστρέφεται και παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Ο ατµολέβητας που χρησιµοποιείται για την παραγωγή ατµού ύδατος λειτουργεί στους 540 βαθµούς Κελσίου και πίεσης 170 at (υπέρθερµος ατµός). Ο ατµός αυτός οδηγείται µε ατµαγωγούς στο στρόβιλο τον οποίο και στρέφει µε στροφές το λεπτό. Ο ατµός µετά την εκτόνωση του στο στρόβιλο, συµπυκνώνεται στο συµπυκνωτή και µέσω προθερµαντών νερού οδηγείται ξανά στο λέβητα για να συνεχίσει την ίδια διαδικασία. Ο ατµοστρόβιλος στρέφει τη γεννήτρια, η οποία παράγει ηλεκτρικό ρεύµα. Η παραγόµενη ηλεκτρική ενέργεια, µέσω του µετασχηµατιστή ανύψωσης 20 kv/400 kv, καταλήγει στο Εθνικό ίκτυο διαµέσου των Κέντρων Υπερυψηλής Τάσης (ΚΥΤ).

13 Οι γεννήτριες των ατµοηλεκτρικών σταθµών είναι ειδικής µορφής µε µεγάλου µήκους άξονα, µικρής σχετικά διαµέτρου επαγωγικό τύµπανο δροµέα και µικρού αριθµού πόλων, συνήθως δύο. Η διέγερση τροφοδοτείται από συνεχές ρεύµα που παράγει η διεγέρτρια συνεχούς ρεύµατος που συνδέεται στον ίδιο άξονα. Η παραγόµενη τάση είναι συνήθως 15 KV και οδηγείται στους µετασχηµατιστές όπου ανυψώνεται η τάση µέχρις ότου εξισωθεί µε την τάση του δικτύου µεταφοράς. Αεριοστρόβιλοι Οι αεριοστρόβιλοι είναι περιστροφικές µηχανές όπως οι ατµοστρόβιλοι και ανήκουν στις ΜΕΚ. Το καύσιµο που χρησιµοποιείται είναι ελαφρύ πετρέλαιο µε απόσταξη αν και µπορεί να χρησιµοποιηθεί τόςο βαρύτερο πετρέλαιο όσο και φυσικό αέριο. Με κατάλληλη διαµόρφωση χρησιµοποιείται και βιοαέριο. Υπάρχουν διάφορες κατηγορίες αεριοστροβίλων (ανοικτού, κλειστού, µικτού κυκλώµατος) αλλά σήµερα χρησιµοποιούνται σχεδόν αποκλειστικά οι αεριοστρόβιλοι ανοικτού κυκλώµατος. Τα βασικά πλεονεκτήµατα των αεριοστροβίλων σε σχέση µε τους ατµοστρόβιλους είναι: 1. Οι ατρµοστρόβιλοι είναι απλούστερες µηχανές οπότε χρειάζονται λιγότερο και λιγότερο ειδικευµένο προσωπικό και απλούστερη συντήρηση. 2. εν χρειάζονται νερό τροφοδοσίας 3. Ξεκινούν εύκολα και γρήγορα φτάνουν στην πλήρη φόρτιση µε αποτέλεσµα να µπορούν να εξυπηρετήσουν αιχµές φορτίου. 4. Εχουν χαµηλές πιέσεις λειτουργίας Τα βασικά µειονεκτήµατα των αεριοστροβίλων σε σχέση µε τους ατµοστρόβιλους είναι ότι έχουν µικρότερο βαθµό απόδοσης. Ο αεριοστρόβιλος αποτελείται από έναν κύριο άξονα που στην µιά του άκρη έχει τον κυρίως αεριοστρόβιλο και στην άλλη έναν περιστροφικό συµπιεστή. Ο αεριοστρόβιλος στρέφει τον άξονα, παρασύροντας τον συµπιεστή σε περιστροφή, συγχρόνως µε το φορτίο που είναι η ηλεκτρογεννήτρια. Στον συµπιεστή εισάγεται ατµοσφαιρικός αέρας, ο οποίος µε την περιστροφή των πτερυγίων του συµπιεστή συµπιέζεται και θερµαίνεται. Βγαίνοντας από τον συµπιεστή ο αέρας µπαίνει στον

14 θάλαµο καύσης, όπου κατά ένα µέρος του ανακατεύεται µε τα καυσαέρια, κατεβάζει την θερµοκρασία τους και το µίγµα εκτονώνεται στις διαδοχικές βαθµίδες του στροβίλου προκαλώντας την περιστροφή τους. Στην εκκίνηση το όλο σύστηµα χρειάζεται εξωτερική επέµβαση που πραγµατοποιείται µε ηλεκτροκινητήρα που παραµένει συνδεδεµένος µέχρι να αποκτήσει ο αεριοστρόβιλος ορισµένο αριθµό στροφών και να αυτοσυντηρείται. Βιοαέριο Κατά την καύση του βιοαερίου µε περιεκτικότητα 60-70% σε µεθάνιο παράγεται µπλε φλόγα ενώ παράλληλα εκλύεται θερµογόνος δύναµη των kcal/m 3 ή ( ΜJ/m 3 ). Η θερµική δύναµή του είναι άµεσα συνδεδεµένη µε το ποσοστό του περιεχόµενου σε αυτό µεθανίου. Η περιεκτικότητα σε µεθάνιο µε τη σειρά της εξαρτάται από την φύση των πρώτων υλών που χρησιµοποιούνται κατά την χώνεψη. Από τη στιγµή που η σύσταση του αερίου ποικίλει, οι καυστήρες που έχουν σχεδιαστεί για φυσικό αέριο, βουτάνιο ή LPG όταν χρησιµοποιούνται ως καυστήρες βιοαερίου έχουν πολύ "µικρότερη" απόδοση. Για αυτό το λόγο χρησιµοποιούνται ειδικά σχεδιασµένοι καυστήρες βιοαερίου που έχουν θερµική απόδοση 55-65%. Το βιοαέριο είναι πολύ σταθερό, µη-τοξικό, άχρωµο, άοσµο και άγευστο αέριο. Παρόλα αυτό το µικρό ποσοστό υδρόθειου που περιέχει το µίγµα, ενδέχεται να του προσδώσει µια ελαφριά µυρωδιά ιδίως κατά την καύση. Εξαιτίας του µεγάλου ποσοστού διοξειδίου του άνθρακα που περιέχει αποτρέπεται ο κίνδυνος έκρηξης, εποµένως το βιοαέριο θεωρείται ένα πολύ ασφαλές καύσιµο. Η καύση 1 m 3 βιοαερίου θα παράγει kcal/m 3 ή ( ΜJ/m 3 ) θερµικής ενέργειας. Όταν η καύση του γίνεται σε ειδικά σχεδιασµένους καυστήρες, οι οποίοι έχουν απόδοση περίπου 60%, θα µας δώσει kcal/m 3 ή ( ΜJ/m 3 ) ωφέλιµης ενέργειας. Ως 1 kcal έχει οριστεί η θερµότητα που απαιτείται για την αύξηση της θερµοκρασίας 1 kg νερού κατά 1 βαθµό Κελσίου. Σύσταση του Βιοαερίου Μεθάνιο (CH 4 ) : 55-70% ιοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) : 30-45% Υδρόθειο (H 2 S) : 1-2% Άζωτο (N 2 ) : 0-1% Υδρογόνο (H 2 ) : 0-1%

15 Μονοξείδιο του άνθρακα (CO) : ίχνη Οξυγόνο (O 2 ) : ίχνη Ο συνδυασµένος κύκλος που θα χρησιµοποιήσουµε θα αυξήσει το βαθµό απόδοσης του συστήµατος πάνω από 60% µε αποτέλεσµα µεγαλύτερο ενεργειακό όφελος από την ιδια ποσότητα δασικών υπολειµµάτων. Τελικά η διαδικασία που θα ακολουθησουµε είναι η εξής: Θα συλλέγονται τα δασικά υπολείµµατα της περιοχής, θα υποκεινται αναερόβια χώνευση της οποίας το προϊόν θα είναι το βιααέριο, το οποίο τελικά θα χρησιµοποιείται ως καύσιµο στο σταθµό παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, οπού µέσω του στροβιλου και της γεννήτριας θα παράγεται ηλεκτρικό ρεύµα, το οποίο τελικά θα διοχετεύεται στο διασυνδεδεµένο δίκτυο της ΕΗ.