ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΤΕΧΝΟ-ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΜΟΝΑΔΑΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΟ ΒΙΟΑΕΡΙΟ ΣΕ ΚΤΗΝΟΤΡΟΦΙΚΗ ΜΟΝΑΔΑ ΜΠΟΥΣΚΟΥΤΑΣ ΧΡΙΣΤΟΦΟΡΟΣ ΑΕΜ.

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΤΕΧΝΟ-ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΜΟΝΑΔΑΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΟ ΒΙΟΑΕΡΙΟ ΣΕ ΚΤΗΝΟΤΡΟΦΙΚΗ ΜΟΝΑΔΑ ΜΠΟΥΣΚΟΥΤΑΣ ΧΡΙΣΤΟΦΟΡΟΣ ΑΕΜ.: 5357 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΤΡΟΚΛΟΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ

2 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Οι συνεχώς αυξανόμενες ενεργειακές ανάγκες, οι διακυμάνσεις των τιμών και της διαθεσιμότητας των ορυκτών καυσίμων, η ενεργειακή εξάρτηση από πολιτικά ασταθείς περιοχές του πλανήτη, η υποβάθμιση του περιβάλλοντος και της υγείας είναι ελάχιστα από τα προβλήματα που έχει δημιουργήσει η αλόγιστη χρήση των ορυκτών καυσίμων. Ωστόσο, η ανάγκη επίλυσης ή περιορισμού αυτών των προβλημάτων, οδήγησε στην αύξηση του μεριδίου των ΑΠΕ στον τομέα της παραγωγής ενέργειας. Με βάση την υφιστάμενη κατάσταση, επιλέχθηκε σαν θέμα της παρούσας διπλωματικής εργασίας, η μελέτη μιας μονάδας παραγωγής ενέργειας με χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας ως πρώτη ύλη.

3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Γενικά Σκοπός Αντικείμενο Ανάλυση κεφαλαίων Η ΒΙΟΜΑΖΑ ΩΣ ΠΗΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Γενικά Ορισμός βιομάζας και πηγές προέλευσης Βιομάζα και βιοενέργεια Τεχνολογίες αξιοποίησης βιομάζας Καύση Ταυτόχρονη καύση Πυρόλυση Αεριοποίηση Αναερόβια χώνευση Εκτίμηση δυναμικού βιομάζας ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΧΩΝΕΥΣΗ Γενικά Αναερόβια χώνευση (ΑΧ) και υποστρώματα Βιοχημική διεργασία Αναερόβιας Χώνευσης Υδρόλυση Οξεογένεση Οξικογένεση Μεθανογένεση

4 3.4 Παράμετροι διεργασίας της Αναερόβιας Χώνευσης Θερμοκρασία Υδραυλικός χρόνος παραμονής Οργανικό φορτίο ph Λόγος C/N Πτητικά λιπαρά οξέα Αμμωνία Ιχνοστοιχεία, θρεπτικές ουσίες και τοξικές ενώσεις Τύποι αναερόβιων χωνευτών Αντιδραστήρας σταθερού θόλου Αντιδραστήρας κινητού θόλου Χωνευτής καλυμμένης λίμνης (covered lagoon digester) Χωνευτής στρωτής ροής (Plug-Flow reactor) Αντιδραστήρας πλήρους ανάδευσης (CSTR) Αντιδραστήρας fixed film Αντιδραστήρας αιωρούμενων σωματιδίων Αγροτικές μονάδες βιοαερίου Μονάδες βιοαερίου οικογενειακής κλίμακας Μονάδες βιοαερίου κλίμακας αγροκτήματος Κεντρικές (κοινές) εγκαταστάσεις συγχώνευσης Χρήση του χωνεμένου υπολείμματος Βιοδιάσπαση της οργανικής ουσίας Μείωση των οσμών Υγιεινή Αποφυγή του καψίματος των φυτών Βελτίωση του λιπάσματος Το χωνεμένο υπόλειμμα ως εδαφοβελτιωτικό...55

5 3.7.7 Επιπτώσεις της εφαρμογής του χωνεμένου υπολείμματος στο χώμα ΤΕΧΝΟ - ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ Τεχνική περιγραφή επενδυτικού σχεδίου Οικονομική σκοπιμότητα Κόστος Επένδυσης Χρηματοδοτικά σχήματα Ετήσιες δαπάνες λειτουργίας Έσοδα Διερεύνηση οικονομικής σκοπιμότητας 75 5 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ...84 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ..86

6 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Γενικά Είναι γεγονός πως οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο τόσο στο ενεργειακό ζήτημα αλλά και στη διαμόρφωση πολιτικών ανάπτυξης. Αγροτικές περιοχές, μπορούν να ωφεληθούν σημαντικά σε όλους τους τομείς της πραγματικότητάς τους με τη χρήση των τεχνολογιών αυτών, δίνοντάς τους περισσότερες ενεργειακές επιλογές αλλά συμβάλλοντας ταυτόχρονα στην οικονομική τους ανάπτυξη. Επειδή οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας έχουν κυρίως τοπικό χαρακτήρα μπορούν να συνδυαστούν ιδανικά με έναν ενεργειακό σχεδιασμό σε χαμηλό επίπεδο βάσει των ιδιαίτερων αναγκών και δυνατοτήτων παραγωγής ενέργειας κάθε περιοχής. Μια κατεξοχήν τοπική ενεργειακή ανανεώσιμη πηγή είναι και η βιομάζα. Έχουν αναπτυχθεί πολλές τεχνολογίες αξιοποίησής της, οι οποίες ποικίλουν στην χρησιμοποιούμενη πρώτη ύλη στην ευκολία εφαρμογής καθώς και στην απόδοσή τους. Η αξιοποίηση της βιομάζας ενδείκνυται τόσο για όσο και για απομονωμένες περιοχές, καθώς χρησιμοποιούνται τοπικές α' ύλες συνδυάζοντας την παραγωγή πράσινης ενέργειας με την ολοκληρωμένη διαχείριση αποβλήτων. 1.2 Σκοπός Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας διαδραματίζουν όλο και περισσότερο κεντρικό ρόλο στην πολιτική της Ευρώπης αλλά και της Ελλάδας. Το ελληνικό ενεργειακό σύστημα καλείται να καλύψει τόσο την εγχώρια ανάγκη σε ενέργεια όσο και την προστασία του περιβάλλοντος ελαττώνοντας τις εκπομπές του διοξειδίου του άνθρακα (CO2). Μια ικανοποιητική λύση που φαίνεται προς το παρόν ότι μπορεί να περιορίσει σημαντικά τα περιβαλλοντικά προβλήματα που προκαλούνται από τα συμβατικά καύσιμα, είναι η χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ). Καθώς όμως οι ΑΠΕ αποτελούνται από έναν τεράστιο κλάδο τεχνολογιών παραγωγής ενέργειας, η παρούσα διπλωματική θα επικεντρωθεί στη βιομάζα και στις δυνατότητες αξιοποίησής της. Η Ελλάδα είναι μια χώρα με εύκρατο κλίμα, και οι οικονομικές της δραστηριότητες αποτελούνται σε μεγάλο βαθμό από την καλλιέργεια του εδάφους και την κτηνοτροφία. Εκτιμάται ότι το δυναμικό βιομάζας στη χώρα ανήλθε το 2010 στους 4 Mtoe, με τα κτηνοτροφικά απόβλητα να αποτελούν περίπου το 2% του συνόλου, ενώ αναμένεται να ξεπεράσει τους 6 Mtoe μέχρι το Παρ' όλα αυτά, λιγότερο από το 5% της συνολικής δυναμικότητας αξιοποιείται για παραγωγή ενέργειας, ενώ υπέρογκα χρηματικά ποσά 4

7 διατίθενται ετησίως για εισαγωγή ενέργειας από χώρες του εξωτερικού. Είναι σημαντικό λοιπόν να ληφθούν μέτρα για την αύξηση του ποσοστού αυτού, τόσο για τη βελτίωση της οικονομίας όσο και για την προστασία του περιβάλλοντος. 1.3 Αντικείμενο Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής είναι η διερεύνηση της οικονομικής σκοπιμότητας σταθμού παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, κλίμακας αγροκτήματος. Ως πρώτη ύλη στο σταθμό αυτό χρησιμοποιείται βιομάζα, συγκεκριμένα κόπρανα προβάτων και απόβλητα γεωργικών καλλιεργειών. Στο πλαίσιο της μελέτης αυτής αναλύονται τα τεχνικά χαρακτηριστικά, οι απαιτήσεις του σταθμού, καθώς και τα οικονομικά μεγέθη που προκύπτουν από της εγκατάσταση και τη λειτουργία του, ενώ ταυτόχρονα γίνεται αναφορά στα πορίσματα και συμπεράσματα που προκύπτουν. 1.4 Ανάλυση κεφαλαίων Η παρούσα διπλωματική είναι διαρθρωμένη σε 5 κεφάλαια. Στο κεφάλαιο 1 γίνεται μια εισαγωγή στη γενική ιδέα και περιεχόμενο της διπλωματικής. Αναλύεται ο σκοπός για τον οποίο εκπονήθηκε η παρούσα εργασία, το αντικείμενο το οποίο πραγματεύεται, καθώς και ο στόχος που επιδιώκει να επιτύχει στην έκταση της. Το κεφάλαιο 2 περιέχει πληροφορίες σχετικά με τη βιομάζα. Δίνεται ο ορισμός της βιομάζας και οι διάφοροι τύποι και μορφές στις οποίες συναντάται, καθώς και οι πηγές προέλευσής τους. Επιπλέον, παρουσιάζονται στοιχεία για το δυναμικό βιομάζας, τόσο στην Ελλάδα όσο και στην Ευρώπη γενικά, ενώ ταυτόχρονα αναλύονται και οι υπάρχουσες τεχνολογίες μεταποίησης και αξιοποίησής της. Στο κεφάλαιο 3 γίνεται διεξοδική ανάλυση της τεχνολογίας της ΑΧ, καθώς και των δυνατών χρήσεων του βιοαερίου. Ορίζονται τα στάδια της διεργασίας της ΑΧ, δίνονται τα διαφορετικά υποστρώματα που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως α' ύλη της διεργασίας και αναλύονται τα χαρακτηριστικά τους. Ταυτόχρονα καθορίζονται οι παράμετροι που πρέπει να υπολογιστούν ή να μετρηθούν κατά τη λειτουργία ενός σταθμού βιοαερίου και περιγράφονται οι τύποι χωνευτών που υπάρχουν με τα αντίστοιχα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά τους. Τέλος γίνεται αναφορά στη δυναμικότητα και το μέγεθος σταθμών ηλεκτροπαραγωγής από βιοαέριο, παράλληλα με τα οργανωτικά και τεχνολογικά χαρακτηριστικά που αυτά συνεπάγονται. Το κεφάλαιο 4 περιλαμβάνει την τεχνο-οικονομική περιγραφή του οικονομικού σχεδίου του υπό μελέτη σταθμού. Εδώ αναλύονται διεξοδικά όλα τα στάδια της διεργασίας, από τη συλλογή της πρώτης ύλης μέχρι και την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, 5

8 συνοδευόμενα από χαρακτηριστικά μεγέθη λειτουργίας της μονάδας. Παράλληλα, διερευνάται η οικονομική σκοπιμότητα του επενδυτικού σχεδίου, όπου υπολογίζονται τα απαιτούμενα οικονομικά μεγέθη εγκατάστασης και λειτουργίας της μονάδας, συνοδευόμενα από ανάλυση ευαισθησίας, με στόχο την αναγνώριση της οικονομικής απόδοσης και συμπεριφοράς της. Στο κεφάλαιο 5 εξάγονται τα συμπεράσματα της συνολικής μελέτης. Το κεφάλαιο αυτό αποτελεί σύνοψη της συνολικής εργασίας, όπου λαμβάνονται υπ όψη όλα δεδομένα και οι αναλύσεις των προηγούμενων κεφαλαίων ώστε να προκύψουν κάποια συμπεράσματα σχετικά με τη σκοπιμότητα επένδυσης της συγκεκριμένης μονάδας, καθώς και γενικά πορίσματα όσον αφορά την αξιοποίηση βιομάζας για παραγωγή ενέργειας στην Ελλάδα. 2. Η ΒΙΟΜΑΖΑ ΩΣ ΠΗΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 2.1 Γενικά Στο κεφάλαιο αυτό θα γίνει λεπτομερής αναφορά και περιγραφή της λειτουργικής διαδικασίας της ΑΧ, καθώς και βασικές εφαρμογές του παραγόμενου βιοαερίου. Η ΑΧ είναι μια διεργασία που εξαρτάται από πολλές παραμέτρους. Η αποδοτική λειτουργία της απαιτεί, σε πρώτο στάδιο την καταγραφή και εν συνεχεία τη διαρκή παρακολούθηση των παραμέτρων αυτών, ώστε να επιτυγχάνεται η μέγιστη δυνατή έκλυση βιοαερίου. Τα διαφορετικά υποστρώματα που χρησιμοποιούνται ως πρώτη ύλη απαιτούν και τον αντίστοιχο χειρισμό, και η εκάστοτε τεχνολογία που εφαρμόζεται έχει τα δικά της πλεονεκτήματα, μειονεκτήματα, καθώς και συγκεκριμένες ευαισθησίες που αν δε ληφθούν υπ όψη, μπορεί να οδηγήσουν σε αναστολή της διεργασίας. 2.1 Ορισμός βιομάζας και πηγές προέλευσης Η χημική σύνθεση της βιομάζας είναι άνθρακας που αποτελείται από ένα μείγμα οργανικών μορίων που περιέχουν υδρογόνο (Η), συνήθως συμπεριλαμβανομένων ατόμων οξυγόνου (Ο), αζώτου (Ν) και συχνά μικρές ποσότητες άλλων ατόμων όπως των αλκαλίων, αλκαλικών γαιών και βαρέων μετάλλων. Αυτά τα μέταλλα βρίσκονται συχνά σε λειτουργικά μόρια, όπως οι πορφυρίνες που περιλαμβάνουν χλωροφύλλη που περιέχει μαγνήσιο. Ο άνθρακας που χρησιμοποιείται για τη δημιουργία της βιομάζας απορροφάται από την ατμόσφαιρα με τη μορφή διοξειδίου του άνθρακα (CO2) κατά τη διάρκεια της ζωής των 6

9 φυτών, χρησιμοποιώντας την ηλιακή ενέργεια. Τα φυτά στη συνέχεια μπορούν να αποτελέσουν τροφή για τα ζώα και με αυτόν τον τρόπο να μετατραπούν σε ζωική βιομάζα. Ωστόσο, η κύρια απορρόφηση γίνεται από τα φυτά. Στην περίπτωση που το υλικό των φυτών δεν μπορεί να αποτελέσει τροφή τότε, είτε καταστρέφεται από τους μικροοργανισμούς, όπου και απελευθερώνει τον άνθρακα με τη μορφή διοξειδίου του άνθρακα (CO2) και μεθανίου (CH4), είτε καίγεται και επιστρέφει στην ατμόσφαιρα με τη μορφή CO2. Οι παραπάνω διαδικασίες λαμβάνουν χώρα για όσο διάστημα υπάρχει το φυτό και αποτελούν βασικό κομμάτι του κύκλου του άνθρακα. Υπάρχουν πολλές τακτικές για την κατηγοριοποίηση της βιομάζας, αλλά σε πρώτη φάση μπορεί να γίνει διαχωρισμός σε δύο μεγάλες ομάδες, την ξυλώδη και τη μη-ξυλώδη βιομάζα. Η ξυλώδης βιομάζα έχει στερεή μορφή, ενώ μη ξυλώδης μπορεί να έχει είτε στερεή είτε υδαρή σύσταση. Στη συνέχεια γίνεται περεταίρω κατηγοριοποίηση, βάσει κοινών χαρακτηριστικών και ιδιοτήτων των διαφορετικών υλικών υπό μελέτη, και προκύπτουν οι παρακάτω κατηγορίες. [2] Δασική βιομάζα Η κατηγορία αυτή μπορεί να χωριστεί σε δύο υποκατηγορίες, την βιομάζα από άμεση δασική παραγωγή και από υπολείμματα υλοτομίας και βιομηχανίας ξύλου. Στην πρώτη περιλαμβάνονται κορμοί για την παραγωγή οικοδομικής ξυλείας, επίπλων και άλλων αντικειμένων ή χαρτιού. Η δεύτερη υποκατηγορία αποτελείται από υπολείμματα υλοτομίας εντός των δασικών περιοχών, προερχόμενα από τις βάσεις των δέντρων και το τμήμα της ρίζας που μπορεί να εξαχθεί από το έδαφος, το επάνω λεπτό μέρος του κορμού, τα κλαδιά και τα φύλλα η απομάκρυνση τους από το δάσος πρέπει να εμπίπτει στους όρους ανανεώσιμης υλοτομίας. Έχουν υψηλή περιεκτικότητα στερεών και είναι κατάλληλα για καύση και άλλες θερμοχημικές διεργασίες ή βιοκαύσιμα. Αγροτική βιομάζα Η κατηγορία αυτή περιλαμβάνει τόσο ενεργειακές καλλιέργειες, όσο και τα αγροτικά υπολείμματα. Χωρίζεται σε ξυλώδη, αγρωστώδη (ή ποώδη), βιομάζα σακχάρων και ελαίων. Είναι δηλαδή δενδρώδεις ή χορτώδεις καλλιέργειες και υπολείμματά τους, ενεργειακές καλλιέργειες πλούσιες σε σάκχαρα ή άμυλο, καθώς και ενεργειακές καλλιέργειες σπόρων μεγάλης περιεκτικότητας ελαίων. Η ξυλώδης βιομάζα έχει υψηλή περιεκτικότητα στερεών ενώ στην αγρωστώδη είναι χαμηλότερη. Και οι δύο κατηγορίες μπορούν να αξιοποιηθούν 7

10 με τη διεργασία της καύσης ή άλλων θερμοχημικών διεργασιών, ενώ είναι κατάλληλες και για παραγωγή βιοκαυσίμων. Οι σακχαρούχες καλλιέργειες χρησιμοποιούνται κυρίως για παραγωγή βιοαιθανόλης και οι ελαιούχες για παραγωγή βιοντίζελ αντίστοιχα. Όπως φαίνεται και παραπάνω, ένα πολύ μεγάλο τμήμα δασικών εκτάσεων και γεωργικών δραστηριοτήτων αποτελεί εν δυνάμει πρώτη ύλη για παραγωγή ενέργειας. Επιπλέον, τα υπολείμματα καλλιεργειών, όπως σιτηρά, τα κλαδεμένα τμήματα από δενδρώδεις εκτάσεις, αντί να παραμένουν ως έχουν, αποτελώντας εστία πυρκαγιών, είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν προς όφελος των ίδιων των αγροτών και του περιβάλλοντος. Τα τελευταία χρόνια παρουσιάζει αυξανόμενη τάση η χρήση ενεργειακών καλλιεργειών. Ενεργειακή καλλιέργεια θεωρείται οποιαδήποτε καλλιέργεια, τα φυτά της οποίας χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ενέργειας ή βιοκαυσίμων. Αυτές περιλαμβάνουν είτε φυτά που δεν καλλιεργούνται εμπορικά, όπως το καλάμι και ο μίσχανθος, τα οποία προορίζονται για παραγωγή ενέργειας, είτε παραδοσιακά και νέα φυτά που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή βιοκαυσίμων, όπως ο ηλίανθος, η σόγια και η ελαιοκράμβη. Κτηνοτροφικά απόβλητα Στην κατηγορία αυτή ανήκουν τα απόβλητα κτηνοτροφικών μονάδων και σφαγείων. Κάθε ζώο παράγει καθημερινά ποσότητα κοπράνων, τα οποία με τη διαδικασία της αναερόβιας χώνευσης παράγουν βιοαέριο, που με τη σειρά του μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μηχανές εσωτερικής καύσης ή στροβίλους για παραγωγή ενέργειας. Το ίδιο συμβαίνει και με τα απόβλητα των σφαγείων. Το αίμα, το περιεχόμενο του στομάχου, και άλλα υλικά αποτελούν ιδανική πρώτη ύλη για την παραγωγή βιοενέργειας. Στο σημείο αυτό είναι σημαντικό να σημειωθεί πως το ποσό της εκλυόμενης ενέργειας από κτηνοτροφικά απόβλητα, επιδέχεται μεγάλες διαφορές, που μπορούν να αποδοθούν σε πλείστους λόγους, όπως η έλλειψη κοινής μεθοδολογίας, οι μεταβολές στον τύπο τον ζώων, η τροφή, η τοποθεσία κ.α. Αστικά απόβλητα Στην κατηγορία αυτή μπορούν να διακριθούν δύο τύποι αποβλήτων, τα Αστικά Στερεά Απόβλητα (ΑΣΑ) και τα αστικά λύματα. Η διάκρισή τους γίνεται λόγω της μορφής στην οποία συναντώνται. Τα αστικά στερεά απόβλητα περιλαμβάνουν τα οικιακά απόβλητα, καθώς και άλλα που λόγω φύσης ή σύνθεσης, είναι παρόμοια με τα οικιακά, όπως απόβλητα κτιρίων ιδρυμάτων (σχολεία, νοσοκομεία), εμπορικών δραστηριοτήτων (συσκευασίες, πλαστικά) και προϊόντα από τον καθαρισμό δρόμων και δημόσιων χώρων. Τα αστικά λύματα από την άλλη, ή αλλιώς ιλύς αστικών αποβλήτων, είναι τα υγρά 8

11 απόβλητα που προέρχονται κυρίως από χώρους υγιεινής και καθαριότητας. από διαδικασίες Βιομηχανικά απόβλητα Τα βιομηχανικά απόβλητα είναι τα απόβλητα που προκύπτουν ως αποτέλεσα της παραγωγικής διαδικασίας βιομηχανιών και συνιστούν μια από τις κυριότερες πηγές ρύπανσης του περιβάλλοντος, ιδίως στις αναπτυσσόμενες χώρες. Η βιομηχανική δραστηριότητα δύναται να παράγει υγρά, στερεά απόβλητα και ρυπογόνα αέρια. Οι βιομηχανίες τροφίμων και ποτών έχουν μεγάλες απαιτήσεις σε νερό και τα απόβλητά τους είναι πλούσια σε οργανική ύλη και αιωρούμενα στερεά. Εξίσου μεγάλα ποσοστά αιωρούμενων στερεών έχουν και οι γαλακτοβιομηχανίες. Στις βιομηχανίες κονσερβοποίησης, λόγω της πλύσης των προϊόντων, μεγάλες ποσότητες φυτοφαρμάκων καταλήγουν στο περιβάλλον. Εκτός, όμως, της χημικής σκοπιάς, ρύπανση προκαλείται και από άλλους παράγοντες. Ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα που δημιουργούν οι βιομηχανίες στο περιβάλλον είναι η απόρριψη νερού μεγάλης θερμοκρασίας, η θερμότητα του οποίου μεταφέρεται στα εκάστοτε οικοσυστήματα της γύρω περιοχής (θάλασσα, ποτάμια, λίμνες) και γίνεται αιτία βιολογικής ρύπανσης. 2.2 Βιομάζα και βιοενέργεια Η βιοενέργεια είναι μια μορφή Ανανεώσιμης Πηγής Ενέργειας (ΑΠΕ) που προέρχεται από βιομάζα, οργανικά δηλαδή υλικά βιολογικής προέλευσης. Αυτά λαμβάνουν την ηλιακή ενέργεια, που μέσω της φωτοσύνθεσης μετατρέπεται την σε χημική. Η βιομάζα μπορεί να αξιοποιηθεί σαν α ύλη για την παραγωγή ενέργειας αυτούσια (καύση ξύλου για θέρμανση), είτε να υποστεί επεξεργασία. Για την ξυλώδη βιομάζα, η χρήσης ως έχει, ενώ είναι πιο εύκολη τακτική καθώς τα υλικά υπάρχουν σε μεγάλη διαθεσιμότητα και δεν απαιτείται περεταίρω χρόνος και κόστος για την μεταποίησή τους, είναι αντιστρόφως ανάλογα αποδοτική. Η χαμηλή ενεργειακή πυκνότητα, και τα δυνητικά υψηλά ποσοστά υγρασίας και τέφρας, οδηγούν όλα σε μείωση της εκλυόμενης ενέργειας. Από τη μεταποίηση της ξυλώδους βιομάζας παράγονται δύο τύποι καυσίμων, στερεά και υγρά. Τα πέλετς (ή πελέτες) και οι πλίνθοι (ή μπρικέτες) είναι συμπιεσμένη ξυλώδης βιομάζα (πριονίδι, ροκανίδι), με χαμηλά ποσοστά υγρασίας και τέφρας, υψηλό ενεργειακό περιεχόμενο και ομοιόμορφο μέγεθος και σχήμα, χαρακτηριστικά που τα καθιστούν καύσιμο υψηλής ποιότητας. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο σε οικιακές όσο και σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις, λόγω της σταθερής χημικής τους σύστασης, ενώ το 9

12 σχήμα τους καθιστά δυνατή τη χρήση αυτοματοποιημένου συστήματος τροφοδοσίας και την εύκολη αποθήκευση, διευκολύνοντας περεταίρω τη διαχείρισή τους ως καύσιμο. Συνεχίζοντας, από βιομάζα προέρχονται και υγρά καύσιμα (βιοντιζελ, βιοαιθανόλη), για τα οποία έχει καθιερωθεί ο όρος βιοκαύσιμα. Αυτά μπορούν να παραχθούν από διαφορετικές α ύλες, και ενώ το ανθρακικό τους αποτύπωμα σε πολλές περιπτώσεις κυμαίνεται σε τιμές αντίστοιχες με των ορυκτών καυσίμων, έχουν ισχυρή επίδραση στη μείωση της κατανάλωσης των τελευταίων. Τέλος, η πλέον εφαρμοζόμενη τακτική μεταποίησης της μη-ξυλώδους βιομάζας (κτηνοτροφικά απόβλητα) είναι παραγωγή βιοαερίου, αέριου μίγματος μεθανίου (CH4) και διοξειδίου του άνθρακα (CO2), που εν συνεχεία χρησιμοποιείται και αυτό ως καύσιμο για την παραγωγή ενέργειας. Οι μεγάλες διαφοροποιήσεις που παρατηρούνται στις φυσικές και χημικές ιδιότητες των πλείστων μορφών βιομάζας, είχε ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη ξεχωριστών διεργασιών για την παραγωγή βιοενέργειας. Αυτές διακρίνονται σε θερμοχημικές και βιοχημικές διεργασίες, με κύριο γνώμονα την περιεκτικότητα σε υγρασία της πρωτογενούς βιομάζας. Θερμοχημικές Διεργασίες. Βασικό χαρακτηριστικό των θερμοχημικών διεργασιών είναι η απαίτηση χαμηλού ποσοστού υγρασίας στη βιομάζα, της τάξης του 10 20%. Κυρίαρχη διεργασία της κατηγορίας αυτής είναι η καύση της βιομάζας σε περίσσεια αέρα, είτε για θέρμανση είτε για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, με τη χρήση συνήθως ατμοστροβίλου. Αποτελεί την πιο διαδεδομένη τεχνολογία παραγωγής βιοενέργειας που χρησιμοποιείται σε πλειοψηφία εφαρμογών παγκοσμίως. Άλλες θερμοχημικές διεργασίες είναι η αεριοποίηση της βιομάζας σε συνθήκες έλλειψης οξυγόνου, με χρήση άλλου μέσου αεριοποίησης όπως CO2, και η πυρόλυση, η θερμική αποδόμηση δηλαδή της βιομάζας σε υψηλή θερμοκρασία, απουσία οξυγόνου ή άλλων οξειδωτικών μέσων. Βιοχημικές Διεργασίες Οι βιοχημικές διεργασίες πραγματοποιούνται με την αξιοποίηση μικροοργανισμών, οι οποίοι συμβάλουν στην διάσπαση και αλλαγή σύστασης της πρωτογενούς βιομάζας. Για το λόγο αυτό είναι κατάλληλες για πρώτες ύλες υψηλής περιεκτικότητας σε υγρασία. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν δύο τύποι διεργασιών, η ζύμωση και η αναερόβια χώνευση. Η ζύμωση λιγνοκυτταρινούχων και σακχαρούχων α υλών χρησιμοποιείται ευρέως για την παραγωγή βιοαιθανόλης, ενός υποκατάστατου της βενζίνης, ενώ με την αναερόβια 10

13 χώνευση οργανικών αποβλήτων, παράγεται βιοαέριο, με την καύση του οποίου εκλύεται ενέργεια. 2.3 Τεχνολογίες αξιοποίησης βιομάζας Η χρήση της βιομάζας πραγματοποιείται, επί το πλείστο, με σκοπό την παραγωγή βιοενέργειας. Το γεγονός ότι η βιομάζα σαν α ύλη, δύναται να παράγει στερεά, υγρά και αέρια καύσιμα, καθιστά καταφανή την ανάπτυξη πολλών διαφορετικών μεθόδων και τεχνολογιών για την επίτευξη του στόχου αυτού Καύση Ο πιο απλός τρόπος για την ενεργειακή αξιοποίησή της βιομάζας είναι η απευθείας καύση της για την παραγωγή θερμότητας. O τεμαχισμός της βιομάζας σε μικρότερα μεγέθη, στην πλειοψηφία των περιπτώσεων, ώστε να μπορέσει να χρησιμοποιηθεί σε κατάλληλους λέβητες για καύση. Όταν η βιομάζα βρίσκεται υπό μορφή πολύ μικρών κόκκων είναι επιθυμητό πολλές φορές να μετατραπεί σε μπρικέτες. Αυτό επιτυγχάνεται με τη μορφοποίησή της σε κατάλληλα μηχανήματα με υψηλή πίεση. Για την παραγωγή ατμού η βιομάζα καίγεται σε ειδικούς καυστήρες και βραστήρες με ειδικούς εναλλάκτες θερμότητας. Οι περισσότερες μορφές βιομάζας συνίστανται από τρεις σύνθετες χημικές ενώσεις, τις κυτταρίνες, τις ημικυτταρίνες και τις λιγνίνες. Περιέχουν επίσης νερό, μικρές ποσότητες ρητινών και άλατα. Η τυπική σύνθεση της βιομάζας είναι 50% άνθρακας, 43% οξυγόνο, 6% υδρογόνο. H βιομάζα τροφοδοτείται μέσα στο φλογοθάλαμο, όπου λαμβάνει χώρα η οξείδωσή της. Η θερμότητα κατά τη καύση της μεταδίδεται με αγωγή, με συναγωγή και με ακτινοβολία. Οι απώλειες θερμότητας προς το περιβάλλον μπορούν να ελαχιστοποιηθούν κατά την καύση της βιομάζας, εφόσον η εστία καύσης περικλείεται από τοιχώματα. Με αυτόν τον τρόπο, περιορίζονται οι απώλειες θερμότητας στο ελάχιστο. Ταυτόχρονα τα τοιχώματα απορροφούν την ακτινοβολούμενη θερμότητα, μέρος της οποίας μεταδίδεται ξανά με ακτινοβολία προς τον περιβάλλοντα χώρο, περεταίρω αυξάνοντας τη θερμοκρασία, που κυμαίνονται μεταξύ 800 και 1200 ο C. Η τυπική χημική αντίδραση κατά τη καύση της βιομάζας είναι : C6n(H2O)5n + 6nO2 6nCO2 + 5nH2O Η απευθείας καύση της βιομάζας περιγράφεται συνήθως από την ακόλουθη χημική αντίδραση: 11

14 Βιομάζα + Οξυγόνο(αέρας) Διοξείδιο του άνθρακα + Νερό + Θερμότητα Η καύση της βιομάζας μπορεί να γίνει είτε σε μικρής κλίμακας λέβητες ατμού για θέρμανση είτε σε μεγαλύτερους λέβητες για την παραγωγή ηλεκτρισμού ή τη συμπαραγωγή θερμότητας και ηλεκτρικής ενέργειας (Cogeneration/Combined Heat and Power - CHP). Τα συστήματα καύσης μεγάλης κλίμακας χρησιμοποιούν κυρίως καύσιμα χαμηλής ποιότητας, ενώ υψηλότερη ποιότητα επιλέγεται σε μικρά συστήματα. Η κατάσταση αυτή δεν προκαλεί απορία, διότι το κόστος μεταφοράς της βιομάζας είναι μεγάλο, η ενεργειακή της πυκνότητα χαμηλή και συχνά υπάρχουν γεωγραφικοί και περιβαλλοντικοί περιορισμοί. Επομένως τα μεγάλα εργοστάσια, που απαιτούν αντιστοίχως μεγάλο όγκο καθημερινής τροφοδοσίας, αναγκάζονται να αξιοποιούν μεγαλύτερη ποικιλία πρώτων υλών. Επιπλέον, στα συστήματα καύσης βιομάζας χρησιμοποιούνται πολλές διαφορετικές τεχνολογίες. Μια από αυτές είναι η τεχνολογία ανακυκλοφορούμενης ρευστοποιημένης κλίνης. Μέσω της διαδικασίας της καύσης παράγεται πάνω από το 80% της βιοενέργειας παγκοσμίως, μετατρέποντας την πρώτη ύλη βιομάζας σε διάφορες μορφές ενέργειας, όπως ζεστό αέρα, ζεστό νερό, ατμό και ηλεκτρισμό [24], [25]. Εμπορικές και βιομηχανικές εγκαταστάσεις είναι σχεδιασμένες για να καίνε πολλαπλούς τύπους βιομάζας, από ξυλώδη μέχρι και ΑΣΑ. Η πιο απλή διαδικασία καύσης αποτελείται από έναν κλίβανο/λέβητα, στον οποίο εισέρχεται και καίγεται η πρώτη ύλη. Αυτό διότι ένας σταθμός μεγάλου μεγέθους, απαιτεί αναλογικά και μεγαλύτερες ποσότητες πρώτης ύλης, για την τροφοδότηση της διεργασίας της καύσης. Λαμβάνοντας επίσης υπ όψη το αυξανόμενο κόστος του καυσίμου, καθώς και την εν δυνάμει παραγωγή ενέργειας, είναι καταφανές πως το σύστημα ενός μεγάλου σταθμού πρέπει να είναι σχεδιασμένο για μεγάλη ποικιλία τύπων βιομάζας, και αμφιλεγόμενης ποιότητας καυσίμου. Σχήμα : Παραγωγή ενέργειας μέσω της καύσης 12

15 Για την παραγωγή ηλεκτρισμού, μετά τον κλίβανο ακολουθεί ένας ατμοστρόβιλος, και στη συνέχεια ένας συμπυκνωτής που εκμεταλλεύεται την αρχή του κύκλου Rankine. Αξιοποιείται η αυξημένη θερμοκρασία του νερού (συνήθως ατμός) για να κινήσει έναν άξονα, ο οποίος με τη σειρά του περιστρέφει ένα ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος, το οποίο παράγει και τη ζητούμενη ηλεκτρική ενέργεια. Τα περισσότερα συστήματα καύσης επιτυγχάνουν χαμηλές αποδόσεις (~ 15%) για μικρές μονάδες παραγωγής ενέργειας, με τις μεγαλύτερες να φθάνουν το 35% [26].Στις περιπτώσεις αυτές είναι δυνατή η ανάκτηση τμήματος της ενέργειας που χάνεται, με σύστημα εναλλακτών θερμότητας, ανεβάζοντας έτσι το βαθμό απόδοσης [2]. Σημαντικός επίσης παράγοντας της ποιότητας της καύσης είναι και ο ρυθμός και ο τρόπος τοποθέτησης των καύσιμων υλών στον κλίβανο. Η εξασφάλιση του κατάλληλου ρυθμού τροφοδοσίας και ροής αέρα στον φλογοθάλαμο, είναι υψίστης σημασίας για την επίτευξη της βέλτιστης δυνατής καύσης. Σχήμα : Βήματα διαδικασίας παραγωγής ενέργειας μέσω καύσης Ταυτόχρονη καύση Η μέθοδος αυτή συνιστά την ταυτόχρονη χρήση ξηρής βιομάζας και ορυκτού καυσίμου, κυρίως κάρβουνο και λιγνίτη, ως καύσιμη ύλη, ενώ γίνεται χρήση διαφόρων αναλογιών στη μίξη τους. Η ξηρή βιομάζα μπορεί να αναμειχθεί με κάρβουνο σε αναλογίες από 2 ως 25% ή και παραπάνω, ενώ από έρευνες που διεξήχθησαν σε εργοστάσια σε Ευρώπη και ΗΠΑ υπολογίζεται πως η βιομάζα δύναται να παρέχει μέχρι και 15% της συνολικής απαιτούμενης ενέργειας. Αποτελεί τον πιο εύκολο, και με το χαμηλότερο κόστος τρόπο να αξιοποιηθεί η βιομάζα, δίχως να διατίθενται πόροι για ανάπτυξη ξεχωριστών εγκαταστάσεων. Αναπόφευκτο επακόλουθο βέβαια της τακτικής αυτής είναι ότι εφαρμόζεται κυρίως σε παλαιότερης τεχνολογίας και λιγότερο αποδοτικά εργοστάσια, καθώς η βιομάζα, σαν υλικό, προκαλεί προβλήματα στην καύση. Αφ ενός παράγονται διαβρωτικά αέρια που καθιστούν απαραίτητο το συχνό καθάρισμα και συντήρηση του συστήματος, αφ ετέρου, 13

16 αυτός ο συνδυασμός καυσίμων με διαφορετικά χαρακτηριστικά, μπορεί να οδηγήσει σε αυξημένα επίπεδα τέφρας και ατελή καύση κατά τη λειτουργία, μειώνοντας την απόδοση. Σύγχρονες εγκαταστάσεις αξιοποίησης βιομάζας είναι ειδικά σχεδιασμένες να δουλεύουν σε αυτές τις συνθήκες και η απόδοσή τους είναι αισθητά μεγαλύτερη, υφίστανται όμως περιορισμούς στον εφοδιασμό της πρώτης ύλης. Η μεγάλη πυκνότητα και χαμηλή θερμιδική αξία της, συγκριτικά με τα ορυκτά καύσιμα, σε συνδυασμό με εκάστοτε τοπογραφικές συνθήκες και την υπάρχουσα ποσότητα πρώτης ύλης, μπορεί να θέσει όρια στο μέγεθος και στη δυναμικότητα ενός σταθμού παραγωγής ενέργειας. Παρ όλα αυτά η μέθοδος της ταυτόχρονης καύσης παρέχει πολλά πλεονεκτήματα, κάποια εκ των οποίων παρατίθενται παρακάτω: Χαμηλότερο κόστος επένδυσης σε σύγκριση με εργοστάσια καύσης αποκλειστικά βιομάζας. Εύκολη μετατροπή λέβητα κάρβουνου ώστε να μπορεί να τροφοδοτηθεί με βιομάζα. Ασθενέστερος περιβαλλοντικός αντίκτυπος συγκριτικά με εργοστάσια λιγνίτη. Υψηλότερη απόδοση παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σε σύγκριση με συστήματα χρήσης ξύλου Πυρόλυση Η πυρόλυση της βιομάζας είναι η διεργασία κατά την οποία η βιομάζα σε πολύ μικρό χρόνο φτάνει σε υψηλές θερμοκρασίες C, απουσία αέρα, άρα και οξυγόνου. Με αυτήν τη διαδικασία παράγονται ατμοί οργανικών ενώσεων, μη συμπυκνώσιμα αέρια και ρευστή πίσσα. Οι ατμοί των οργανικών ενώσεων συμπυκνώνονται, παράγοντας το έλαιο πυρόλυσης ή το βιο-έλαιο. Στην πλειοψηφία των περιπτώσεων, ένα ποσοστό της τάξης του 50 με 75% κατά βάρος της βιομάζας που τροφοδοτήθηκε, μετατρέπεται σε έλαιο πυρόλυσης. Βασικό πλεονέκτημα της διεργασίας της πυρόλυσης είναι ότι οποιαδήποτε μορφής βιομάζα μπορεί να μετατραπεί σε καθαρό και ομοιογενές υγρό καύσιμο. Το έλαιο πυρόλυσης χρησιμοποιείται στην παραγωγή καυσίμων, στην παραγωγή χημικών προϊόντων και σε ΑΠΕ. Η ενεργειακή πυκνότητα του ελαίου, μπορεί να είναι μέχρι και πενταπλάσια της βιομάζας που είχε αρχικά τροφοδοτηθεί, συμβάλλοντας καθοριστικά στα πλεονεκτήματα της διεργασίας. Επιπλέον, το έλαιο της πυρόλυσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε στροβίλους παραγωγής ενέργειας υψηλότερων βαθμών απόδοσης και οι μειωμένες απώλειες του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας συντελούν στη βελτίωση του συστήματος διανομής [33]. 14

17 Στη διεργασία της πυρόλυσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν πολλά και διαφορετικά είδη βιομάζας. Η μετατροπή της βιομάζας για να γίνει επιτυχημένα πρέπει να ακολουθηθούν τα στάδια της προ-επεξεργασία της. Αυτά περιλαμβάνουν τον τεμαχισμό της βιομάζας σε μικρά και ομοιόμορφα μεταξύ τους κομμάτια και έπειτα, τη ξήρανση τους. Η αναγκαία θερμότητα για ξήρανση μπορεί να αποκτηθεί από την ίδια την μονάδα της πυρόλυσης, συντελώντας με αυτόν τον τρόπο στη μείωση των λειτουργικών της εξόδων και στην οικολογική της δράση. Η ραγδαία βελτίωση της τεχνολογίας σε συνδυασμό με τα πλεονεκτήματα μιας μονάδας πυρόλυσης βιομάζας έχουν σαν αποτέλεσμα την ανάπτυξη και την κατασκευή των πρώτων μονάδων παραγωγής ενέργειας όπως, για παράδειγμα, στην Αλμπέρτα του Καναδά, όπου βρίσκεται υπό αδειοδότηση η μεγαλύτερη μονάδα παραγωγής ενέργειας από πυρόλυση βιομάζας. Σχήμα : Διεργασία πυρόλυσης Αεριοποίηση Η αεριοποίηση βιομάζας είναι μια διαδικασία που μετατρέπει οργανικά ή ορυκτά υλικά με βάση τον άνθρακα σε μονοξείδιο του άνθρακα, υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα, μεθάνιο, υδρατμούς, ίχνη υδρογονανθράκων και άζωτο. Εκτός από αυτές τις ενώσεις στο αέριο προϊόν εμφανίζονται και διάφοροι επιμολυντές, κυριότεροι εκ των οποίων είναι τα σωματίδια πίσσας, η τέφρα, η αμμωνία, τα οξέα και οι σύνθετοι υδρογονάνθρακες. Κατά την αεριοποίηση επιδιώκεται ολική μετατροπή του τμήματος του 15

18 στερεού πρωτογενούς υλικού σε αέριο με θέρμανση σε θερμοκρασία μεγαλύτερη από 700 C, με την παρουσία ενός οξειδωτικού μέσου, όπως ο αέρας, το οξυγόνο ή ο ατμός σε συγκεκριμένες ποσότητες, χωρίς να λαμβάνει χώρα καύση. Το αέριο μίγμα που προκύπτει ονομάζεται αέριο σύνθεσης ή συνθετικό αέριο και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο με θερμογόνο δύναμη σχεδόν την μισή από αυτήν του φυσικού αερίου [34]. Η αεριοποίηση χρησιμοποιείται σε μικρές δυναμικότητες και ακολουθεί μια σειρά θερμοχημικών φαινομένων τα οποία γίνονται σε τρία στάδια: ξήρανση, πυρόλυση και τελική αεριοποίηση μερική οξείδωση. Σχήμα : Διεργασία αεριοποίησης Η αεριοποίηση της βιομάζας είναι αποτελεί τη βασική εναλλακτική λύση της καύσης. Είναι μια ενδόθερμη διεργασία, για αυτό και χρησιμοποιούνται ειδικά σχεδιασμένοι στρόβιλοι και συστήματα απαγωγής θερμότητας, αυξάνοντας το βαθμό απόδοσής της. Είναι φιλική προς το περιβάλλον για την παραγωγή ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας, ενώ ταυτόχρονα υπερτερεί σε σχέση με τις άλλες τεχνολογίες, χάρη στο γεγονός ότι η καύση του αερίου σύνθεσης είναι πιο παραγωγική από την καύση της αρχικής μη επεξεργασμένης βιομάζας [3]. Μερικά πλεονεκτήματα είναι τα εξής: Βασίζεται σε αεριοποίηση και πυρόλυση και όχι στην καύση/αποτέφρωση. Έχει οικονομική λειτουργία ακόμη και σε χαμηλή δυναμικότητα. Είναι φιλική προς το περιβάλλον. Έχει καλύτερο βαθμό απόδοσης από ότι άλλες συμβατικές τεχνολογίες καύσης. Δεν αφήνει κατάλοιπα βιοαποικοδομήσιμων κλασμάτων. Δεν προκαλεί βλαβερές εκπομπές αερίων. 16

19 Έχει τη δυνατότητα να αντικαταστήσει τη χρήση του φυσικού αερίου ή του πετρελαίου ντίζελ σε βιομηχανικούς λέβητες Αναερόβια χώνευση Κάθε οργανισμός (βιομάζα), μετά το θάνατο του, αρχίζει να αποσυντίθεται παρουσία οξυγόνου ή χρησιμοποιείται από σαπροφάγους οργανισμούς. Ως σαπροφάγος ορίζεται ένας οργανισμός που τρέφεται με οργανικά απόβλητα. Με την κατανάλωση νεκρής οργανικής ύλης, επιταχύνουν την αποσύνθεση καθώς αυξάνουν την επιφάνεια που είναι προσβάσιμη από τα σαπροφάγα βακτήρια. Οι μικροοργανισμοί αποικοδομούν το οργανικό κλάσμα της βιομάζας, διασπώντας την σε απλούστερα στοιχεία, με ταυτόχρονη έκλυση μεθανίου, διοξειδίου του άνθρακα και άλλων στοιχείων. Η αναερόβια χώνευση αποτελεί μια διεργασία που γίνεται αυθόρμητα στο περιβάλλον. Ωστόσο, είναι δυνατή η πραγματοποίηση της σε ειδικές εγκαταστάσεις ελεγχόμενα, με στόχο τη μεγιστοποίηση του παραγόμενου μεθανίου και τη μείωση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων. Η παραγωγή του βιοαερίου γίνεται μέσω της αναερόβιας χώνευσης των κτηνοτροφικών αποβλήτων (λύματα από χοιροστάσια, βουστάσια), των αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων και λυμάτων όπως, επίσης, από τα αστικά απόβλητα. Η διεργασία λαμβάνει χώρα σε θερμοκρασιακό εύρος ο C και ποσοστό υγρασίας μεγαλύτερο από 80%.Το βιοαέριο που παράγεται, συλλέγεται σε ειδικές εγκαταστάσεις και η σύσταση του είναι περίπου 65% μεθάνιο και 35% διοξείδιο του άνθρακα. Έτσι, η ενεργειακή αξιοποίηση του μπορεί να γίνει είτε μέσω της τροφοδοσίας του σε κατάλληλες μηχανές εσωτερικής καύσης, είτε σε άλλες ηλεκτρομηχανολογικές διατάξεις για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας Επιλογή τεχνολογίας Στον πίνακα παρουσιάζονται οι υπάρχουσες τεχνολογίες αξιοποίησης της βιομάζας, καθώς και η βαθμολόγηση τους όσον αφορά τις διάφορες απαιτήσεις λειτουργίας του υπό μελέτη σταθμού ηλεκτροπαραγωγής. Σε αυτόν ως πρώτη ύλη χρησιμοποιούνται στην πλειοψηφία τους κόπρανα, τα οποία έχουν μεγάλο ποσοστό υγρασίας. Επομένως το μεγαλύτερο συντελεστή βαρύτητας τον έχει το ποσοστό υγρασίας, όπου βλέπουμε πως η καύση είναι απαγορευτική, πυρόλυση και αεριοποίηση μπορούν να χρησιμοποιηθούν, απαιτούν όμως ειδική προεργασία της πρώτης ύλης, ενώ η αναερόβια χώνευση ενδείκνυται για τέτοιου είδους υποστρώματα. Από άποψη απόδοσης της ηλεκτροπαραγωγικής διαδικασίας, υπάρχουν μικρές διαφορές, ενώ από άποψη κόστους η καύση είναι που έχει 17

20 το μεγαλύτερο βαθμό. Υστερεί όμως όσον αφορά τις εκπομπές ρύπων, τη μείωση των παθογόνων μικροοργανισμών και οσμών, ενώ οι υπόλοιπες τρεις βαθμολογούνται πολύ κοντά. Από τον τελικό βαθμό καταλήγουμε στο συμπέρασμα πως η βέλτιστη διεργασία για την παρούσα μελέτη είναι η αναερόβια χώνευση. Πίνακας : Πίνακας βαθμολόγησης διεργασιών 2.4 Εκτίμηση δυναμικού βιομάζας Την τελευταία δεκαετία, πολλές προσπάθειες και διαφορετικές προσεγγίσεις οδήγησαν σε πλείστες εκτιμήσεις όσον αφορά το δυναμικό βιομάζας στην Ευρώπη και στα επιμέρους κράτη μέλη. Τα αποτελέσματα των προσπαθειών αυτών είναι πολύ δύσκολο να αντιστοιχηθούν και να συγκριθούν μεταξύ τους και κυρίως να οδηγήσουν σε οριστικές και γενικά αποδεκτές τιμές των διαθέσιμων πρώτων υλών βιομάζας. Στο πλαίσιο αυτό, το έργο Biomass Energy Europe ολοκλήρωσε μία διεξοδική επισκόπηση περισσότερων από 250 μελετών εκτίμησης του δυναμικού βιομάζας και επιχείρησε, μεταξύ άλλων, να οργανώσει, να κατηγοριοποιήσει και να εναρμονίσει τα αποτελέσματα τους [19]. Συνεχίζοντας την προσπάθεια του ΒΕΕ, το έργο Biomass Futures [20] καταλήγει στην κατηγοριοποίηση των πρώτων υλών βιομάζας, για τις οποίες παρέχει τις εκτιμήσεις δυναμικού, για το 2010 και το 2020 (Πίνακες και 1.5.2), μέσα από εργώδη σύνθεση και αντιπαραβολή των αποτελεσμάτων προηγούμενων μελετών, ερευνητικών έργων και μοντέλων για την πρόβλεψη των μεταβολών των κύκλων εργασιών και των τιμών διαφόρων κλάδων της αγροτικής οικονομίας, της ζωικής παραγωγής και των ζωοτροφών, της δασικής 18

21 εκμετάλλευσης και της παραγωγής ξύλου, της βιομηχανίας τροφίμων, της ανακύκλωσης πρώτων υλών και άλλων τομέων. Σύμφωνα με την εκτίμηση του πίνακα 2.4.1, το συνολικό δυναμικό βιομάζας στην ΕΕ- 27, το 2010 ανερχόταν σε 262 Mtoe και είναι περίπου διπλάσιο από την αντίστοιχη ακαθάριστη κατανάλωση βιομάζας (118 Mtoe Σχήμα 1.5.1), δηλαδή θα ήταν επαρκές ακόμη και αν η χρήση βιοενέργειας διπλασιαζόταν. H κατανάλωση της βιομάζας για την παραγωγή θερμότητας ή τη συμπαραγωγή θερμότητας και ηλεκτρισμού (102,7 Mtoe) στην ΕΕ-27 το 2010, φτάνει μόλις στο 40 % σε σχέση με το άθροισμα των διαθέσιμων αγροτικών υπολειμμάτων (32,3 Mtoe), ζωικών αποβλήτων (56,8 Mtoe), δασικών υπολειμμάτων (75,3 Mtoe) και αστικών/βιομηχανικών αποβλήτων (54,0 Mtoe). Τα αγροτικά υπολείμματα (περιλαμβανομένων των ζωικών αποβλήτων) αντιστοιχούν στο 36 % του εκτιμώμενου δυναμικού βιομάζας και από αυτά το 64 % αφορά στα ζωικά απόβλητα. Τα δασικά υπολείμματα και τα απόβλητα (αστικά, βιομηχανικά, ιλύες αλλά και τα απόβλητα από την περιποίηση των πρανών των εθνικών οδών) αντιστοιχούν στο 30 και στο 16%, αντίστοιχα. Από το 16 % των αποβλήτων, το οργανικό κλάσμα των αστικών απορριμμάτων αντιστοιχεί στο 71 %. Ένα σημαντικό κλάσμα (17 % ή 41 Mtoe) του εκτιμώμενου συνολικού δυναμικού των 262 Mtoe, θα μπορούσε, σύμφωνα με το έργο Biomass Futures, να προέλθει από την επιπλέον και αειφόρο πάντα υλοτόμηση των δασών, πέραν της υφιστάμενης υλοτομίας για τη παραγωγή βιομηχανικής ξυλείας. Όσον αφορά στην εκτίμηση του ίδιου έργου, για το 2020: τα αγρωστώδη και τα ξυλώδη αγροτικά υπολείμματα αναμένεται να αυξηθούν κατά 114 και κατά 8 %, αντίστοιχα, ενώ τα ζωικά απόβλητα να ελαττωθούν κατά 18 % (το συγκεκριμένο έργο στηρίχθηκε για τις προβλέψεις του στο μοντέλο CAPRI για τις μεταβολές της χρήσης γης ως το 2020) η δυνητικά επιπρόσθετη υλοτομία αναμένεται να ελαττωθεί κατά 8 %, λόγω αναμενόμενης αύξησης της υλοτομίας για βιομηχανική ξυλεία, η οποία όμως με τη σειρά της αναμένεται να αποφέρει αύξηση των πρωτογενών και δευτερογενών δασικών υπολειμμάτων κατά 53 % το δυναμικό των κλαδεμάτων των δασικών υπολειμμάτων από αστικές περιοχές αναμένεται να αυξηθεί κατά 25 % τα τριτογενή δασικά υπολείμματα (χρησιμοποιημένο χαρτί και ξύλο), λαμβάνοντας πάντα υπόψη τις δυνατότητες ανακύκλωσης, αναμένεται να αυξηθούν κατά 3 και 16%, αντίστοιχα 19

22 τέλος, όσον αφορά στα απόβλητα, τα βιομηχανικά, η ιλύς και τα χρησιμοποιημένα έλαια (αλλά και τα κλαδέματα από τα πρανή εθνικών οδών), αναμένεται να παρουσιάσουν οριακές αν και θετικές μεταβολές, ενώ το βιοαποικοδομήσιμο κλάσμα των αστικών απορριμμάτων αναμένεται να ελαττωθεί κατά περίπου 20%. Mtoe αγροτική ενεργειακές καλλιέργειες αγροτικά υπολείμματα ξυλώδεις 18,62 αγροστώδεις (ξηρές) 39,58 αγροστώδεις (υγρές) 5,51 σακχάρων/αμύλου 3,00 4,14 ελαίων 11,00 7,69 αγρωστώδη 22,94 49,29 ξυλώδη 9,36 10,11 χορτολιβαδικές εκτάσεις 3,65 ζωικά απόβλητα 56,82 46,72 δασική ξυλεία 41,05 37,87 πρωτογενή υπολείμματα δευτερογενή υπολείμματα τριτογενή υπολείμματα υπολείμματα υλοτομίας 20,28 31,19 από αστικούς δενδρώνες 9,07 11,42 ξύλο/φλοιοί 9,07 10,09 πριονίδι 4,50 4,98 άλλα 10,86 22,21 χρησιμοποιημένο ξύλο 7,59 8,79 χαρτί/χαρτόνι 13,88 14,30 απόβλητα πρωτογενή από πρανή εθνικών οδών 1,10 1,14 δευτερογενή αστικά απορρίμματα 28,52 22,19 βιομηχανικά 2,78 2,88 ιλύς 7,77 8,08 χρησιμοποιημένα έλαια 2,10 2,14 ΣΥΝΟΛΟ 261,69 362,59 Πίνακας : Δυναμικό βιομάζας στην Ευρώπη 20

23 Mtoe αγροτική ενεργειακές καλλιέργειες αγροτικά υπολείμματα ξυλώδεις αγροστώδεις (ξηρές) 2,91 αγροστώδεις (υγρές) σακχάρων/αμύλου ελαίων 0,06 0,07 αγρωστώδη 0,34 0,44 ξυλώδη 0,86 0,80 χορτολιβαδικές εκτάσεις 0,03 ζωικά απόβλητα 0,09 0,08 δασική Ξυλεία 0,87 0,42 πρωτογενή υπολείμματα δευτερογενή υπολείμματα τριτογενή υπολείμματα υπολείμματα υλοτομίας 0,08 0,17 ξύλο/φλοιοί 0,02 0,02 πριονίδι 0,01 0,01 άλλα 0,03 0,05 χρησιμοποιημένο ξύλο 0,13 0,15 χαρτί/χαρτόνι 0,16 0,17 απόβλητα πρωτογενή από πρανή εθνικών οδών 0,02 0,02 δευτερογενή αστικά απορρίμματα 0,80 0,61 βιομηχανικά 0,07 0,07 ιλύς 0,07 0,07 χρησιμοποιημένα έλαια 0,05 0,05 ΣΥΝΟΛΟ 3,67 6,14 Πίνακας : Δυναμικό βιομάζας στην Ελλάδα Συνολικά, οι υφιστάμενες πηγές δυναμικού βιομάζας), αναμένεται να αυξηθούν από 220,6 Mtoe σε 298,9 Mtoe (κατά 20 % περίπου) κυρίως λόγω της αύξησης των αγρωστωδών και των ξυλωδών αγροτικών υπολειμμάτων και των πρωτογενών αλλά και των δευτερογενών δασικών υπολειμμάτων και παρά την ελάττωση των ζωικών αποβλήτων και των αστικών απορριμμάτων. Αντιπαραβάλλοντας τους 298,9 Mtoe του εκτιμώμενου εφικτού δυναμικού από υφιστάμενες πηγές, με τις προβλέψεις των Εθνικών Σχεδίων Δράσης για τις ΑΠΕ (138 Mtoe) του Σχήματος 1.5.2, φαίνεται ότι το δυναμικό των ήδη υφιστάμενων πηγών, το 2020, αναμένεται να υπερκαλύπτει την ακαθάριστη τελική κατανάλωση βιομάζας κατά 2,2 φορές. Θα πρέπει να σημειωθεί ωστόσο ότι, η ακαθάριστη τελική κατανάλωση δεν περιλαμβάνει τις απώλειες, κυρίως από την ηλεκτροπαραγωγή, τη συμπαραγωγή και τη συνοικιακή θέρμανση (Σχήμα 3), οι οποίες το 2010 ανέρχονταν στο 21

24 26 % της τελικής κατανάλωσης βιοενέργειας ή το 57 % της ακαθάριστης κατανάλωσης βιομάζας για συμπαραγωγής και συνοικιακή θέρμανση (230 % της ηλεκτροπαραγωγής από βιομάζα, που είναι και η κύρια πηγή απωλειών). Θεωρώντας ότι η επιπλέον συνοικιακή θέρμανση από βιομάζα θα προέλθει εξολοκλήρου από τη συμπαραγωγή θερμότητας από μονάδες ηλεκτροπαραγωγής (σήμερα το 70 % της συνοικιακής θέρμανσης από βιομάζα, προέρχεται από τέτοιες μονάδες), τότε οι συνολικές απώλειες βιοενέργειας θα μπορούσαν να ανέλθουν σε 45 Mtoe (24 Mtoe οι υφιστάμενες απώλειες και 21 Mtoe οι απώλειες από την επιπλέον ηλεκτροπαραγωγή από βιομάζα) και η ακαθάριστη κατανάλωση βιομάζας, το 2020 να ανέλθει σε 183 Mtoe (138 Mtoe η τελική κατανάλωση και 45 Μtoe οι απώλειες). Ακόμα και σε αυτή την περίπτωση όμως, το προβλεπόμενο δυναμικό από τις υφιστάμενες πηγές (χωρίς δηλαδή να λαμβάνονται υπόψη οι δυνατότητες επιπλέον υλοτόμησης για ενεργειακούς σκοπούς και οι ενεργειακές καλλιέργειες) των 298,9 Mtoe, υπερκαλύπτει την αναμενόμενη ζήτηση βιομάζας (183 Μtoe) κατά 60 % [1]. Σχήμα : Κατανομή των χρήσεων της βιοενέργειας στην ΕΕ-27 και την Ελλάδα, το 2010 [21] 22

25 Σχήμα : Προβλεπόμενη μεταβολή του μεριδίου των ΑΠΕ και της βιομάζας, στην ακαθάριστη τελική ενεργειακή κατανάλωση της ΕΕ-27 και στην Ελλάδα, έως το 2020, σύμφωνα με τα Εθνικά Σχέδια Δράσης για της Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας των κρατών μελών [22] 23

26 Παρά, όμως, τη διαφαινόμενη επάρκεια πρώτων υλών οικονομικά διαθέσιμης βιομάζας από ήδη υφιστάμενες πηγές, η ερευνητική σύμπραξη του έργου Biomass Futures, θεωρεί για το 2020 και ένα επιπλέον δυναμικό 63,7 Mtoe από ξυλώδεις και αγρωστώδεις ενεργειακές καλλιέργειες. Η πρόβλεψη αυτή καταγράφει το δυναμικό βιομάζας από ενεργειακές καλλιέργειες (ξυλώδεις και αγρωστώδεις) στο 21% του ολικού δυναμικού βιομάζας, το 2020, έναντι 20% των αγροτικών υπολειμμάτων (περιλαμβανομένων των ζωικών αποβλήτων) και 11% των αποβλήτων. Έτσι το προβλεπόμενο δυναμικό βιομάζας από ενεργειακές καλλιέργειες (63,7 Mtoe) αναμένεται να υπολείπεται μόνο του δυναμικού δασικών υπολειμμάτων (103 Mtoe ή 33%), χωρίς πάντα να λαμβάνονται υπόψη οι δυνατότητες περεταίρω αειφόρου υλοτόμησης των δασών. Στην Ελλάδα, το εκτιμώμενο δυναμικό βιομάζας φτάνει στους 3,67 Mtoe, δηλαδή περίπου τρεισήμισι φορές μεγαλύτερο από την ακαθάριστη εγχώρια κατανάλωση βιομάζας (αλλά και την τελική κατανάλωση βιοενέργειας, η οποία στην περίπτωση της Ελλάδας είναι περίπου ίση με την ακαθάριστη κατανάλωση λόγω περιορισμένων εφαρμογών ηλεκτροπαραγωγής Σχήμα 2.4.1) [20]. Αν δεν ληφθεί υπόψη η εκτιμώμενη επιπλέον παραγωγή ξυλείας αποκλειστικά για ενεργειακούς σκοπούς, οι σημαντικότερες πηγές βιομάζας της χώρας είναι τα ξυλώδη αγροτικά υπολείμματα (κλαδέματα ελιάς, αμπέλων και οπωροφόρων δέντρων) και το οργανικό κλάσμα των αστικών απορριμμάτων, τα οποία αποτελούν το 31 και το 29% του ολικού δυναμικού αντίστοιχα, και θα μπορούσαν από μόνα τους να διπλασιάσουν την εγχώρια παραγωγή βιοενέργειας. Από τις υπόλοιπες κατηγορίες δυναμικού, τα αγρωστώδη αγροτικά υπολείμματα αντιστοιχούν στο 12% του συνολικού εφικτού δυναμικού, ενώ υψηλές τιμές εμφανίζουν το χρησιμοποιημένο ξύλο (4,5%) και το μη ανακυκλωμένο χαρτί (6 %). Σε αντίθεση με την ΕΕ-27, το δυναμικό δασικής βιομάζας (πρωτογενή και δευτερογενή υπολείμματα) εμφανίζεται να υπολείπεται σε συνεισφορά (μόλις το 5% του συνολικού δυναμικού, στην Ελλάδα, έναντι 26% στην Ευρώπη). Αν εξαιρεθούν οι δυνατότητες επιπρόσθετης ενεργειακής υλοτομίας, τότε το δυναμικό από υφιστάμενες πηγές βιομάζας ανέρχεται σε 2,79 Mtoe και εμφανίζεται σχεδόν τριπλάσιο της ακαθάριστης κατανάλωσης βιομάζας στη χώρα, το Για το 2020, το έργο Biomass Futures προβλέπει σημαντική αύξηση των πρωτογενών και των δευτερογενών δασικών υπολειμμάτων (+112% τα πρωτογενή υπολείμματα, +33% τα δευτερογενή) και των αγρωστωδών υπολειμμάτων (+29%), ενώ ελάττωση αναμένεται να εμφανίσει το δυναμικό του οργανικού κλάσματος των αστικών απορριμμάτων (-24%). Συνολικά, αν εξαιρεθεί το δυναμικό επιπρόσθετης υλοτομίας και οι ενεργειακές καλλιέργειες, το δυναμικό των υφιστάμενων πηγών βιομάζας αναμένεται να αυξηθεί οριακά από 2,79 Mtoe σε 2,81 Mtoe, και να συνεχίσει να επαρκεί για την κάλυψη των τότε 24

27 απαιτήσεων της χώρας σε βιοενέργεια, οι οποίες σύμφωνα με το Εθνικό Σχέδιο Δράσης αναμένεται να αυξηθεί σε 1,85 Mtoe. Παρά το γεγονός αυτό, η ερευνητική σύμπραξη για το έργο Biomass Futures εκτιμά, για το 2020, ένα επιπλέον δυναμικό 2,91 Mtoe βιομάζας από ενεργειακές καλλιέργειες, το οποίο αντιστοιχεί περίπου 50% του εκτιμώμενου, για το 2020, δυναμικού βιομάζας στη χώρα [23]. Συνοψίζοντας τα παραπάνω, καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι η εκτίμηση του δυναμικού βιομάζας ορίζεται σε μονάδες βάρους ή όγκου, και υπολογίζεται με βάση την περιεχόμενη επί % υγρασία του υλικού κ.β., και το φαινόμενο ειδικό βάρος. Η εκτίμηση του δυναμικού βιομάζας γίνεται εφικτή γνωρίζοντας ότι, ότι το δυναμικό της βιομάζας διαιρείται στις εξής παρακάτω κατηγορίες: Θεωρητικό δυναμικό βιομάζας: το μέγιστο ποσό της βιομάζας που μπορεί να παραχθεί σε μια συγκεκριμένη περιοχή. Διαθέσιμο δυναμικό βιομάζας: το ποσοστό του θεωρητικού δυναμικού που μπορεί να ληφθεί με βάση τοπικούς (π.χ. μορφολογία εδάφους) και άλλους (π.χ. ανταγωνιστικές χρήσεις) περιορισμούς. Τεχνικά εκμεταλλεύσιμο δυναμικό βιομάζας: το ποσοστό του διαθέσιμου δυναμικού, που μπορεί να αξιοποιηθεί με τα υφιστάμενα τεχνικά μέσα. Οικονομικά εκμεταλλεύσιμο δυναμικό βιομάζας: το ποσοστό του τεχνικά εκμεταλλεύσιμου δυναμικού, που είναι και οικονομικά εκμεταλλεύσιμο. Η εκτίμηση του δυναμικού βιομάζας είναι μια δυσχερής διαδικασία γιατί εξαρτάται από πολλούς και ετερόκλητους παράγοντες. Ενδεικτικά ορισμένοι παρουσιάζονται παρακάτω: εξάρτηση από βιολογικούς, τεχνοοικονομικούς και κοινωνικούς παράγοντες, και απρόβλεπτες φυσικές μεταβολές δυσκολία ακριβούς εκτίμησης και καταγραφής των στοιχείων της πρώτης ύλης (ποσότητα, διαθεσιμότητα), λόγω ποικιλομορφίας των γεωργικών καλλιεργειών και πολυκερματισμού του κλήρου, αδυναμίας παροχής επαρκούς και διαρκούς πληροφόρησης από τους αρμόδιους φορείς, έλλειψης ικανών εργαλείων επεξεργασίας, πολυδιάσπασης των υπηρεσιών, πολλαπλών χρήσεων της και την εξάρτηση από τις διάφορες βιομηχανίες/βιοτεχνίες του δευτερογενούς τομέα και έλλειψης συγκεκριμένης μεθοδολογίας και προτύπων για τον υπολογισμό των ποσοτήτων πρώτης ύλης. μεγάλες αποκλίσεις στοιχείων που οφείλονται στις διαφορετικές παραδοχές της κάθε μελέτης, σχετικά με τους δείκτες καρπού/υπόλειμμα, την ποιότητα και 25

28 καταλληλόλητα της γεωργικής γης, τις αποδόσεις, τις καλλιεργητικές πρακτικές), τη διαθεσιμότητα βιομάζας και τις εναλλακτικές αγορές. 26

29 3. ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΧΩΝΕΥΣΗ O όρος βιοαέριο αναφέρεται στο εύφλεκτο μίγμα αερίων που παράγεται από οργανική ύλη με τη διεργασία της αναερόβιας χώνευσης. Το μίγμα αυτό αποτελείται σε μεγαλύτερο βαθμό από μεθάνιο (CH4) σε ποσοστό 40-70%, διοξείδιο του άνθρακα (CO2) σε 30-45%, καθώς και μικρές ποσότητες άλλων αερίων. Η υψηλή θερμιδική του αξία το καθιστά κατάλληλο ως καύσιμο για κίνηση, θέρμανση καθώς και παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Πίνακας 3.1.: Χημική ανάλυση βιοαερίου 3.1 Γενικά Στο κεφάλαιο αυτό θα γίνει λεπτομερής αναφορά και περιγραφή της λειτουργικής διαδικασίας της ΑΧ, καθώς και βασικές εφαρμογές του παραγόμενου βιοαερίου. Η ΑΧ είναι μια διεργασία που εξαρτάται από πολλές παραμέτρους. Η αποδοτική λειτουργία της απαιτεί σε πρώτο στάδιο την καταγραφή και εν συνεχεία τη διαρκή παρακολούθηση των παραμέτρων αυτών, ώστε να επιτυγχάνεται η μέγιστη δυνατή έκλυση βιοαερίου. Τα διαφορετικά υποστρώματα που χρησιμοποιούνται ως α' ύλη απαιτούν το καθένα και αντίστοιχο χειρισμό, και η εκάστοτε τεχνολογία που εφαρμόζεται έχει τα δικά της πλεονεκτήματα, μειονεκτήματα, καθώς και συγκεκριμένες ευαισθησίες που αν δε ληφθούν υπ' όψη μπορεί να οδηγήσουν σε αναστολή της διεργασίας. 27

30 3.2 Αναερόβια χώνευση (ΑΧ) και υποστρώματα Η ΑΧ είναι μια βιοχημική διεργασία κατά την οποία σύνθετα οργανικά στοιχεία αποσυντίθενται σε απουσία οξυγόνου από διάφορους τύπους αναερόβιων μικροοργανισμών. Η διεργασία αυτή μπορεί να πραγματοποιηθεί με φυσικό τρόπο και συναντάται σε πολλά περιβάλλοντα, όπως τα έλη τύρφης, το εσωτερικό του στομαχιού των μηρυκαστικών και άλλα. Σε μονάδες αερίου λαμβάνει χώρα σε ειδικά διαμορφωμένους αντιδραστήρες, τους χωνευτές. Η πρώτη ύλη βιομάζας που βρίσκεται μέσα στον χωνευτή ονομάζεται υπόστρωμα, ενώ με το πέρας της διεργασίας μένει το χωνεμένο υπόλειμμα, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εδαφοβελτιωτικό. Στην ΑΧ μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα ευρύ φάσμα υλικών βιομάζας ως υπόστρωμα για την παραγωγή βιοαερίου. Η κατηγοριοποίηση τους γίνεται ως εξής: Οργανικά απόβλητα φυτικής και ζωικής προέλευσης Στερεή και υδαρής κοπριά Γεωργικά και φυτικά υπολείμματα και υποπροϊόντα Ενεργειακές καλλιέργειες Οργανικό κλάσμα των αστικών αποβλήτων Λυματολάσπη Εκτός αυτού, τα υποστρώματα της αναερόβιας χώνευσης μπορούν να ταξινομηθούν βάσει άλλων χαρακτηριστικών, παραδείγματος χάρη το ποσοστό ξηρής ουσίας που περιέχουν, την αναλογία άνθρακα : αζώτου (C:N) και άλλα. Στον πίνακα ορίζονται τα χαρακτηριστικά αυτά για διάφορους τύπους πρώτης ύλης. 28

31 Τύπος ύλης πρώτης Οργανικό περιεχόμενο Αναλογία C:N TS (% ) VS (% TS) Παραγωγή Βιοαερίου (m 3 /kg VS) Ανεπιθύμητες φυσικές ακαθαρσίες Άλλα ανεπιθύμητα υλικά Υδαρής χοίρων Κοπριά Υδατάνθρακες, πρωτεΐνες, λιπίδια ,25-,50 Ξύσματα ξύλου, σκληρές τρίχες, νερό, άμμος, σχοινιά, άχυρο Αντιβιοτικά, απολυμαντικά Υδαρής Κοπριά βοοειδών Υδατάνθρακες, πρωτεΐνες, λιπίδια ,20-0,30 Σκληρές τρίχες, χώμα, νερό, άχυρα, ξύλα Αντιβιοτικά, απολυμαντικά, NH4 + Υδαρής Κοπριά πουλερικών Υδατάνθρακες, πρωτεΐνες, λιπίδια ,35-0,60 Αμμοχάλικο, άμμος, φτερά Αντιβιοτικά, απολυμαντικά, NH4 + Υδαρής κοπριά προβάτων Υδατάνθρακες, πρωτεΐνες, λιπίδια ,18-0,22 Νερό, άχυρο χώμα, Αντιβιοτικά, απολυμαντικά, NH4 + Περιεχόμενα στομάχου, εντέρων Υδατάνθρακες, πρωτεΐνες, λιπίδια ,40-0,68 Ζωικοί ιστοί Τυρόγαλο Λακτόζη, πρωτεΐνες ,35-0,80 Ακαθαρσίες μεταφοράς Συμπυκνωμένος ορός γάλατος Λακτόζη, πρωτεΐνες ,80-0,95 Ακαθαρσίες μεταφοράς Αποπλύματα ζύμωσης Υδατάνθρακες ,35-0,78 Τα διασπώμενα υπολείμματα μη Άχυρο Υδατάνθρακες, λιπίδια ,15-0,35 Άμμος, αμμοχάλικο Χώμα, Κηπευτικά απόβλητα ,20-0,50 κυτταρινούχα συστατικά Φυτοφάρμακα Χορτάρι Αμμοχάλικο Φυτοφάρμακα Απόβλητα φρούτα από Υπολείμματα τροφίμων ,50-0,60 Κόκκαλα, Πίνακας : Χαρακτηριστικά υλικών κατάλληλων για ΑΧ Απολυμαντικά, πλαστικό 29

32 Όσον αφορά τις εκκρίσεις ζωικών οργανικών αποβλήτων, στον πίνακα παρατίθενται οι ημερήσιες εκκενώσεις φρέσκιας βιομάζας ανά ζωική μονάδα και είδος. Είδος Βοοειδή Χοίροι Προβατοειδή Αιγοειδή Ιπποειδή Πουλερικά Φρέσκια Κοπριά (kg/ζ.μ.) ,05-0,5 Πίνακας : Ημερήσιες εκκρίσεις κοπριάς ανά ζωική μονάδα Τα ολικά στερεά (TS Total Solids) συνιστούν τον αριθμό τον μικροοργανισμών που συναντώνται στην πρώτη ύλη και εκφράζεται συνήθως ως ποσοστό επί της συνολικής ποσότητας φρέσκων αποβλήτων. Ο όρος στερεά είθισται να χρησιμοποιείται για το σκοπό αυτό, παρ όλο που δεν είναι εντελώς ακριβής, καθώς τα περισσότερα υποστρώματα περιέχουν και αιωρούμενα στερεά, που δεν αποτελούνται απαραιτήτως από ζωική βιομάζα. Τα υποστρώματα με περιεκτικότητα TS χαμηλότερη από 20% χρησιμοποιούνται για υγρή χώνευση, ενώ σε αυτά με μεγάλη περιεκτικότητα TS μιλάμε για ξηρή χώνευση. Παραδείγματα πρώτης ύλης υγρής χώνευσης είναι κυρίως οι στερεές και υδαρείς κοπριές, καθώς και κάποια απόβλητα βιομηχανίες τροφίμων. Αντίθετα στην ξηρή χώνευση, χρησιμοποιούνται συνήθως γεωργική και δασική βιομάζα. Στο σημείο αυτό είναι απαραίτητο να τονιστεί πως υπεύθυνα για την ΑΧ δεν είναι το σύνολο των στερεών στην πρώτη ύλη, αλλά τα πτητικά στερεά (VS Volatile Solids), που αποτελούν βέβαια το μεγαλύτερο ποσοστό του συνόλου, της τάξης του 70-90%. Εξίσου σημαντική είναι και η περιεκτικότητα του υποστρώματος σε σάκχαρα, λιπίδια και πρωτεΐνες. Τα υλικά με υψηλές ποσότητες λιγνίνης και κυτταρίνης, μπορούν να υποστούν χώνευση, απαιτούν όμως συχνά προ-επεξεργασία, ή εναλλακτικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε συνδυασμό με άλλα υποστρώματα. Η ανάμειξή τους και η από κοινού χώνευση ονομάζεται συγχώνευση, και τα υποστρώματα επιλέγονται έτσι ώστε να δρουν βελτιωτικά στη διαδικασία. Για παράδειγμα, η ζωική στερεή κοπριά έχει σχετικά χαμηλή παραγωγή μεθανίου, οπότε είναι συνήθης η μίξη της με υποστρώματα υψηλής παραγωγής μεθανίου, ώστε τελικά να ενισχυθεί το παραγόμενο βιοαέριο. 30

33 3.3 Βιοχημική διεργασία Αναερόβιας Χώνευσης Η αναερόβια χώνευση, όπως αναφέρθηκε, περιλαμβάνει τη διάσπαση της οργανικής ύλης σε περιβάλλον απουσίας οξυγόνου. Η διεργασία αυτή οδηγεί στη διάσπαση σύνθετων μορίων σε απλούστερα, μέχρι την τελική παραγωγή βιοαερίου, και λαμβάνει χώρα σε τέσσερα στάδια. Σχήμα : βήματα της διεργασίας της αναερόβιας χώνευσης Υδρόλυση Η υδρόλυση είναι το πρώτο στάδιο της διαδικασίας της ΑΧ. Σε αυτό, τα υδρολυτικά βακτήρια παράγουν υδρολυτικά ένζυμα, μετατρέποντας τα βιοπολυμερή σε απλούστερες και διαλυτές ενώσεις. Έτσι τα πολυμερή, όπως όπως υδατάνθρακες, λιπίδια, νουκλεϊκά οξέα, σάκχαρα και πρωτεΐνες, ξεκινούν να διασπώνται σε απλούστερες ενώσεις (ολιγομερή και μονομερή), όπως γλυκόζη, γλυκερίνη κλπ. Η διαδικασία μετατροπής λειτουργεί ως εξής: Λιπίδια Λιπαρά οξέα, γλυκερόλη Πολυσακχαρίτες Μονοσακχαρίτες Πρωτεΐνες Αμινοξέα Οξεογένεση Στο στάδιο αυτό, τα προϊόντα της υδρόλυσης μετατρέπονται σε μεθανογενή υποστρώματα με τη βοήθεια οξεογενών βακτηριδίων. Τα σάκχαρα, τα λιπαρά οξέα και τα αμινοξέα υποβιβάζονται σε οξικό άλας, διοξείδιο του άνθρακα και υδρογόνο, καθώς επίσης και σε πτητικά λιπαρά οξέα (Volatile Fatty Acids VFA) και αλκοόλες. 31

34 3.3.3 Οξικογένεση Κατά τη διάρκεια της οξικογένεσης, τα προϊόντα της οξεογένεσης που δεν μπόρεσαν να μετατραπούν σε μεθάνιο από τα μεθανογενή βακτηρίδια, μετατρέπονται σε μεθανογενή υποστρώματα, όπως οξικό οξύ (CH3COOH), υδρογόνο (H) και διοξείδιο του άνθρακα (CO2). Τα VFA και οι αλκοόλες οξειδώνονται επίσης σε CH3COOH και Η. Η παραγωγή Η αυξάνει τη μερική πίεση του, κατάσταση που εμποδίζει το μεταβολισμό των οξικογενών βακτηριδίων, ενώ το υδρογόνο με τη σειρά του μετατρέπεται, κατά τη διάρκεια της μεθανογένεσης σε μεθάνιο (CH4). Η οξικογένεση και η μεθανογένεση λαμβάνουν χώρα παράλληλα, ως συμβίωση δύο ομάδων οργανισμών Μεθανογένεση H παραγωγή CH4 και CO2 από πραγματοποιείται από μεθανογενή βακτηρίδια, τα οποία καταναλώνουν τα οξικά άλατα, το H και τμήμα του CO2 για να παράγουν CH4, ενώ υπάρχουν τρεις βιοχημικές διεργασίες για την επίτευξή του. Περίπου το 70% του παραγόμενου μεθανίου προέρχεται από οξικό άλας, ενώ το υπόλοιπο 30% παράγεται από τη μετατροπή του (H) και του CO2, ως εξής: Οξικοτροπική διεργασία: 4CH3COOH CH4 + CO2 Υδρογονοτροπική διεργασία: 4H2 + CO2 CH4 + 2H2O Μεθυλοτροπική διεργασία: 4CH3OH + 6Η2 3CH4 + 2H2O Θεωρητικά, το βιοαέριο θα έπρεπε να περιέχει ίσες ποσότητες CH4 και CO2. Όμως, η οξικογένεση παράγει κάποια ποσότητα Η, όπου για κάθε 4 mol Η, καταναλώνεται ένα mol CO2 και μετατρέπεται σε CH4. Τα λίπη και οι πρωτεΐνες παράγουν μεγαλύτερες ποσότητες Η, οδηγώντας σε εξίσου αυξημένη παραγωγή CH4. Για το λόγο αυτό η περιεκτικότητα του βιοαερίου σε CH4 κυμαίνεται από 40 μέχρι 70%. H μεθανογένεση είναι ένα κρίσιμο βήμα σε ολόκληρη τη διαδικασία της χώνευσης, καθώς είναι η πιο αργή βιοχημική αντίδραση της διεργασίας. Επιπλέον, αυτό το στάδιο είναι επηρεάζεται περισσότερο από τις συνθήκες λειτουργίας του χωνευτή. Η σύνθεση της πρώτης ύλης, ο ρυθμός τροφοδοσίας, το ph και η θερμοκρασία είναι κάποιοι από τους παράγοντες που επηρεάζουν τη μεθανογένεση. Μεταβολές στις παραμέτρους αυτές μπορεί να επηρεάσουν την παραγωγή CH4, 32

35 μειώνοντας το συνολικό ποσό έκλυσης του αερίου, ή ακόμα αναστέλλοντας εντελώς την παραγωγή του. 3.4 Παράμετροι διεργασίας της ΑΧ Υπάρχουν πολλές παράμετροι που επηρεάζουν την αποδοτικότητα της ΑΧ, κάποιες πιο κρίσιμες από άλλες, οπότε είναι σημαντικό να παρέχονται οι κατάλληλες συνθήκες για τους αναερόβιους μικροοργανισμούς. Η ανάπτυξη και η δραστηριότητά τους επηρεάζεται σημαντικά από την απουσία οξυγόνου, τη θερμοκρασία, την τιμή του ph, τον ανεφοδιασμό με θρεπτικές ουσίες, την ένταση της ανάδευσης, καθώς και από την παρουσία και την ποσότητα ανασταλτικών παραγόντων (π.χ. αμμωνία). Τα μεθανογενή βακτήρια είναι ευαίσθητοι μικροοργανισμοί, που επηρεάζονται περισσότερο από τις αλλαγές των συνθηκών χώνευσης, συγκριτικά με τους υπόλοιπους Θερμοκρασία Η διεργασία της ΑΧ μπορεί να πραγματοποιηθεί σε διαφορετικές θερμοκρασίες, που χωρίζονται σε τρία θερμοκρασιακά εύρη: ψυχρόφιλη (χαμηλότερη των 20 o C), μεσόφιλη (30-42 o C), και θερμόφιλη (μεγαλύτερη των 45 o C). Υπάρχει μια άμεση συσχέτιση μεταξύ της θερμοκρασίας της διεργασίας και του υδραυλικού χρόνου παραμονής. Πίνακας : θερμικά στάδια και χαρακτηριστικοί χρόνοι παραμονής Η σταθερότητα της θερμοκρασίας είναι καθοριστικής σημασίας για την ΑΧ. Στην πράξη, η θερμοκρασία λειτουργίας επιλέγεται σε συνάρτηση με τη χρησιμοποιούμενη πρώτη ύλη και η θερμοκρασία διεργασίας συνήθως παρέχεται από ενδοδαπέδια ή επιτοίχια συστήματα θέρμανσης, μέσα στον χωνευτή. Το σχήμα δείχνει τους σχετικούς ρυθμούς παραγωγής βιοαερίου ανάλογα με τη θερμοκρασία και το χρόνο παραμονής. 33

36 Σχήμα : Σχετικό ποσοστό παραγωγής βιοαερίου και μεθανίου συναρτήσει της θερμοκρασίας και της διάρκειας χώνευσης Πολλές σύγχρονες μονάδες βιοαερίου λειτουργούν σε θερμόφιλες θερμοκρασίες διεργασίας, καθώς η θερμόφιλη παρέχει αρκετά πλεονεκτήματα έναντι της μεσόφιλης και ψυχρόφιλης, όπως: Μειωμένος χρόνος παραμονής, που καθιστά τη διεργασία γρηγορότερη και αποδοτικότερη Αποτελεσματικότερη καταστροφή των παθογόνων οργανισμών Βελτιωμένη ικανότητα χώνευσης και διαθεσιμότητα των υποστρωμάτων. Υψηλότερο ποσοστό αύξησης μεθανογενών βακτηρίων Καλύτερη διάσπαση και χρήση των στερεών των υποστρωμάτων Καλύτερη δυνατότητα διαχωρισμού των υγρών και στερεών κλασμάτων. Τα κύρια μειονεκτήματα της θερμόφιλης διεργασίας είναι: Ο μεγαλύτερος βαθμός αστάθειας Η μεγαλύτερη ζήτηση ενέργειας λόγω της υψηλής θερμοκρασίας. Ο υψηλότερος κίνδυνος παρεμπόδισης της αμμωνίας. 34

37 Η θερμοκρασία λειτουργίας επηρεάζει την τοξικότητα της αμμωνίας (NH3). Αυτή αυξάνει με την άνοδο της θερμοκρασίας και μπορεί αντίστοιχα να ελαττωθεί με τη μείωσή της. Ωστόσο, αν η θερμοκρασία πέσει σε επίπεδο χαμηλότερο των 50 o C, ο ρυθμός ανάπτυξης των θερμόφιλων μικροοργανισμών μειώνεται δραστικά και υπάρχει κίνδυνος έκπλυσης του μικροβιακού πληθυσμού, καθώς ο HRT είναι μικρότερος από το χρόνο που απαιτείται για την πλήρη ανάπτυξη των μεθανογενών. Αυτό σημαίνει ότι ένας καλά σχεδιασμένος θερμόφιλος χωνευτής μπορεί να φορτωθεί σε ένα υψηλότερο βαθμό ή να λειτουργήσει σε ένα χαμηλότερο ΥΧΠ απ ό,τι π.χ. ένας μεσόφιλος, εξαιτίας του ρυθμού αύξησης των θερμόφιλων οργανισμών. Η εμπειρία δείχνει ότι σε υψηλή φόρτωση ή χαμηλό HRT, ένας χωνευτής που λειτουργεί θερμόφιλα έχει υψηλότερη παραγωγή αερίου και μεγαλύτερο ρυθμό μετατροπής σε σχέση μ ένα μεσόφιλο χωνευτή. Σχήμα : Ρυθμός ανάπτυξης μεθανογενών βακτηρίων συναρτήσει της θερμοκρασίας χώνευσης Το ιξώδες των υπό χώνευση συστατικών είναι αντιστρόφως ανάλογο της θερμοκρασίας. Το υπόστρωμα είναι πιο ρευστό στις υψηλές θερμοκρασίες, διευκολύνοντας έτσι τη διάχυση του διαλυμένου υλικού. Η θερμόφιλη θερμοκρασία λειτουργίας οδηγεί σε γρηγορότερους ρυθμούς χημικής αντίδρασης, και κατά συνέπεια σε καλύτερη αποδοτικότητα παραγωγής μεθανίου, υψηλότερη διαλυτότητα και χαμηλότερο ιξώδες. Η υψηλότερη ζήτηση ενέργειας στη θερμόφιλη διεργασία δικαιολογείται λόγω της υψηλότερης παραγωγής βιοαερίου. Είναι σημαντικό να κρατηθεί μια σταθερή θερμοκρασία κατά τη διάρκεια της διεργασίας της χώνευσης, δεδομένου ότι οι 35

38 αλλαγές ή οι διακυμάνσεις στη θερμοκρασία έχουν δυσμενείς επιπτώσεις στην παραγωγή του βιοαερίου. Τα θερμόφιλα βακτήρια είναι πιο ευαίσθητα σε διακυμάνσεις της θερμοκρασίας, ακόμα και κατά 1 C και απαιτούν περισσότερο χρόνο στο να προσαρμοστούν σε μια νέα θερμοκρασία, προκειμένου να επιτευχθεί η μέγιστη παραγωγή μεθανίου. Τα μεσόφιλα βακτήρια είναι λιγότερο ευαίσθητα. Είναι δυνατόν να εμφανιστούν διακυμάνσεις της θερμοκρασίας της τάξης των 3 C χωρίς σημαντικές μειώσεις στην παραγωγή μεθανίου Υδραυλικός χρόνος παραμονής Μια σημαντική παράμετρος για τη διαστασιολόγηση του χωνευτή είναι ο υδραυλικός χρόνος παραμονής (HRT). Ο HRT είναι το μέσο χρονικό διάστημα, κατά το οποίο διατηρείται το υπόστρωμα μέσα στη δεξαμενή του χωνευτή. Μετριέται σε ημέρες, και εξαρτάται από τον όγκο του χωνευτή (VR), και τον όγκο του υποστρώματος που τροφοδοτείται στη μονάδα του χρόνου, σύμφωνα με την ακόλουθη εξίσωση: HRT = VR / V όπου HRT: υδραυλικός χρόνος παραμονής (Hydraulic Retention Time) [ημέρες] VR: όγκος του χωνευτή [m³] V: ογκομετρικός ρυθμός τροφοδοσίας του υποστρώματος [m³/ημέρα] Ο χρόνος παραμονής πρέπει να είναι αρκετά μεγάλος για να εξασφαλιστεί η πλήρης αποσύνθεση των οργανικών στερεών. Αντίθετα, ένας μικρός HRT παρέχει μια καλή παροχή υποστρώματος αλλά χαμηλή παραγωγή αερίου. Είναι επομένως σημαντικό να προσαρμοστεί ο HRT στο συγκεκριμένο ρυθμό αποσύνθεσης των χρησιμοποιούμενων υποστρωμάτων. Ξέροντας το επιθυμητό HRT, την καθημερινή εισαγωγή πρώτης ύλης και τον ρυθμό αποσύνθεσης του υποστρώματος, είναι δυνατό να υπολογιστεί ο απαραίτητος όγκος του χωνευτή. 36

39 Σχήμα : Παραγωγή βιοαερίου συναρτήσει του HRT Οργανικό φορτίο Η μέγιστη παραγωγή βιοαερίου που λαμβάνεται από την πλήρη χώνευση του υποστρώματος θα απαιτούσε ένα μεγάλο υδραυλικό χρόνο παραμονής (HRT) και ένα αντίστοιχο μέγεθος χωνευτή. Στην πράξη, η επιλογή του συστήματος (π.χ. το μέγεθος και ο τύπος του χωνευτή) βασίζεται σε έναν συμβιβασμό μεταξύ της μέγιστης παραγωγής βιοαερίου και της οικονομικής βιωσιμότητας της μονάδας. Από αυτή την άποψη, το οργανικό φορτίο είναι μια σημαντική παράμετρος λειτουργίας, που δείχνει πόση οργανική ξηρή ουσία μπορεί να τροφοδοτηθεί στον χωνευτή, ανά μονάδα όγκου και χρόνου. Υπερφόρτωση του χωνευτή μπορεί να οδηγήσει σε αύξηση της συγκέντρωσης VFA, οδηγώντας σε πτώση της τιμής του ph. Στην περίπτωση αυτή, ο ρυθμός τροφοδοσίας του χωνευτή πρέπει να μειωθεί, έως ότου η διεργασία σταθεροποιηθεί. Το οργανικό φορτίο ορίζεται από την παρακάτω εξίσωση: BR = m * c / VR όπου BR: οργανικό φορτίο (Organic Load) [kg/ημέρα*m³] m: μάζα τροφοδοτούμενου υποστρώματος ανά μονάδα χρόνου [kg/ημέρα] c: συγκέντρωση οργανικής ουσίας [%] VR: όγκος του χωνευτή [m³] 37

40 3.4.4 ph Η τιμή του ph είναι το μέτρο της οξύτητας/αλκαλικότητας του υποστρώματος και επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό την αύξηση των μεθανογενών μικροοργανισμών. Η εμπειρία δείχνει ότι ο σχηματισμός του μεθανίου πραγματοποιείται εντός ενός σχετικά μικρού εύρους ph, περίπου από 5,5 έως 8,5, με ένα βέλτιστο εύρος από 7 έως 8 για τους περισσότερους μεθανογενείς οργανισμούς. Από την άλλη, οι οξικογενείς οργανισμοί έχουν, σε πολλές περιπτώσεις, χαμηλότερη τιμή του βέλτιστου ph. Το βέλτιστο εύρος ph για τη μεσόφιλη χώνευση είναι μεταξύ 6,5 και 8, ενώ η διεργασία παρεμποδίζεται σοβαρά εάν η τιμή του ph βγει εκτός αυτών των ορίων. Η διαλυτότητα του CO2 στο νερό μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Έτσι, η τιμή του ph στους θερμόφιλους χωνευτές είναι υψηλότερη απ ότι στους μεσόφιλους, καθώς το διαλυμένο CO2 παράγει ανθρακικό οξύ από την αντίδραση του με το νερό. Η τιμή του ph μπορεί να αυξηθεί από την αμμωνία που παράγεται κατά την διάσπαση των πρωτεϊνών, ή από την παρουσία αμμωνίας στο ρεύμα τροφοδοσίας, ενώ η συσσώρευση πτητικών λιπαρών οξέων (VFA) μειώνει την τιμή του ph. H τιμή του ph δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αυτόνομη παράμετρος ελέγχου της διεργασίας, καθώς στους αναερόβιους αντιδραστήρες ελέγχεται κυρίως από το σύστημα ανάσχεσης των διττανθρακικών αλάτων. Επομένως, η τιμή του ph των χωνευτών βιοαερίου εξαρτάται από τη μερική πίεση του CO2 και τη συγκέντρωση αλκαλικών και όξινων συστατικών στην υγρή φάση. Εάν συσσωρεύονται βάσεις ή οξέα, η ικανότητα ανάσχεσης ισοσταθμίζει τις αλλαγές στο ph μέχρι ένα ορισμένο επίπεδο. Όταν ξεπερνιέται η ικανότητα ανάσχεσης του συστήματος, εμφανίζονται δραστικές αλλαγές στις τιμές του ph, εμποδίζοντας εξ ολοκλήρου τη διεργασία. Η δυνατότητα προσωρινής αποθήκευσης του υποστρώματος της ΑΧ μπορεί να ποικίλλει. Η εμπειρία από τη Δανία δείχνει ότι η δυνατότητα της προσωρινής αποθήκευσης της στερεής κοπριάς των βοοειδών ποικίλλει ανάλογα με την εποχή, επηρεαζόμενη ενδεχομένως από τη σύνθεση της τροφής των βοοειδών. Η τιμή του ph της ζωικής στερεής κοπριάς αποτελεί επομένως μια μεταβλητή που είναι δύσκολο να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό της αστάθειας της διεργασίας, δεδομένου ότι αλλάζει πολύ λίγο και πολύ αργά. Είναι, εντούτοις, σημαντικό να σημειωθεί ότι η τιμή του ph μπορεί να είναι ένας γρήγορος, σχετικά αξιόπιστος και φθηνός τρόπος καταγραφής της αστάθειας στα συστήματα με μικρές δυνατότητες προσωρινής αποθήκευσης, όπως είναι η ΑΧ των διάφορων τύπων υγρών αποβλήτων. 38

41 3.4.5 Λόγος C/N Η σχετική περιεκτικότητα άνθρακα και αζώτου που περιέχονται σε ένα οργανικό υλικό, εκφράζεται ως λόγος άνθρακα/άζωτο (C/N), με τη βέλτιστη τιμή για την ΑΧ να κυμαίνεται μεταξύ 20 και 30. Αν ο λόγος αυτός είναι μεγάλος, το N καταναλώνεται με ταχύ ρυθμό από τα μεθανογενή βακτήρια για να καλύψουν τις απαιτήσεις τους σε πρωτεΐνες, με αποτέλεσμα να μη μπορεί να αντιδράσει με τον υπολειπόμενο C στο υλικό, και να καταστέλλεται η παραγωγή βιοαερίου. Αντίθετα, αν ο λόγος είναι πολύ χαμηλός, η περίσσεια N συσσωρεύεται με τη μορφή NH3, αυξάνοντας το ph της διεργασίας. Για τη διατήρηση του λόγου σε αποδεκτά επίπεδα, συχνά πρέπει να γίνει ανάμειξη υποστρωμάτων χαμηλού C/N με υλικά υψηλού C/N Πτητικά λιπαρά οξέα Η ευστάθεια της διεργασίας της ΑΧ επηρεάζεται από τη συγκέντρωση των ενδιάμεσων προϊόντων όπως είναι τα πτητικά λιπαρά οξέα (VFA). Τα VFA είναι ενδιάμεσες ενώσεις, που παράγονται κατά τη διάρκεια της οξικογένεσης, με μια αλυσίδα άνθρακα από έξι ή λιγότερα άτομα. Στις περισσότερες περιπτώσεις, αστάθεια στη διεργασία θα οδηγήσει στη συσσώρευση VFA μέσα στο χωνευτή, και αυτό μπορεί να οδηγήσει σε πτώση της τιμής του ph. Η συσσώρευση VFA, εντούτοις, δεν εκφράζεται πάντοτε ως πτώση του ph, λόγω της ικανότητας ανάσχεσης μερικών τύπων βιομάζας. Για παράδειγμα η ζωική στερεή κοπριά έχει ένα πλεόνασμα αλκαλικότητας, το οποίο σημαίνει ότι η συσσώρευση VFA πρέπει να υπερβεί ένα ορισμένο επίπεδο προτού να μπορέσει να ανιχνευθεί λόγω της σημαντικής μείωσης της τιμής του ph. Σε μια τέτοια κατάσταση όμως, η συγκέντρωση οξέων στο χωνευτή θα είναι τόσο υψηλή ώστε η διεργασία της ΑΧ θα έχει ήδη εμποδιστεί σε σημαντικό βαθμό. Δύο διαφορετικοί χωνευτές μπορεί να συμπεριφέρονται τελείως διαφορετικά ως προς την ίδια συγκέντρωση VFA, με την έννοια ότι η συγκεκριμένη συγκέντρωση VFA μπορεί να είναι βέλτιστη για μία δεξαμενή χώνευσης, αλλά ανασταλτική για μία άλλη. Μια από τις πιθανές εξηγήσεις είναι το γεγονός ότι η σύνθεση των πληθυσμών μικροοργανισμών ποικίλλει από χωνευτή σε χωνευτή. Για το λόγο αυτό, όπως και στην περίπτωση του ph, η συγκέντρωση των VFA δεν μπορεί να προταθεί ως μια αυτόνομη παράμετρος ελέγχου της διεργασίας. 39

42 3.4.7 Αμμωνία Η αμμωνία (NH3) είναι μια ένωση που υπό κανονικές συνθήκες συναντάται ως αέριο με χαρακτηριστική έντονη οσμή, και οι πρωτεΐνες είναι η κύρια πηγή της στη διεργασία της ΑΧ. Η πολύ υψηλή συγκέντρωση αμμωνίας μέσα στο χωνευτή, ειδικότερα η ελεύθερη αμμωνία (στη μη ιονισμένη μορφή της), είναι υπεύθυνη για την παρεμπόδιση της διεργασίας. Το γεγονός αυτό είναι σύνηθες στην ΑΧ της ζωικής στερεής κοπριάς, λόγω της υψηλής συγκέντρωσης αμμωνίας που προέρχεται από την ουρία. Γι αυτό το λόγο, η συγκέντρωση της αμμωνίας πρέπει να διατηρείται κάτω από 80 mg/l. Τα μεθανογενή βακτήρια είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα στην παρεμπόδιση από την αμμωνία. Η συγκέντρωση της ελεύθερης αμμωνίας είναι ανάλογη με τη θερμοκρασία, οπότε υφίσταται αυξημένος κίνδυνος παρεμπόδισης λόγω της αμμωνίας των διεργασιών ΑΧ που λαμβάνουν χώρα στις θερμόφιλες θερμοκρασίες, σε σύγκριση με τις μεσόφιλες. Το αυξανόμενο ph και η αυξανόμενη θερμοκρασία οδηγήσουν σε αντίστοιχα αυξανόμενη παρεμπόδιση, δεδομένου ότι οι παράγοντες αυτοί αυξάνουν το ποσοστό της ελεύθερης αμμωνίας. Όταν μια διεργασία παρεμποδίζεται από την αμμωνία, μια αύξηση στη συγκέντρωση των VFA θα οδηγήσει σε μείωση του ph. Αυτό αλληλοαναιρεί εν μέρει την επίδραση της αμμωνίας, λόγω της μείωσης στη συγκέντρωσή της Ιχνοστοιχεία, θρεπτικές ουσίες και τοξικές ενώσεις Τα ιχνοστοιχεία όπως το σίδηρο, το νικέλιο, το κοβάλτιο, το σελήνιο, το μολυβδαίνιο ή το βολφράμιο είναι εξίσου σημαντικά για την αύξηση και την επιβίωση των μικροοργανισμών της ΑΧ (άνθρακας, άζωτο, φώσφορος και θείο). Η βέλτιστη αναλογία των θρεπτικών στοιχείων άνθρακα, αζώτου, φωσφόρου, και θείου (C:Ν:P:S) είναι 600:15:5:1. Η ανεπαρκής παροχή θρεπτικών ουσιών και ιχνοστοιχείων, καθώς επίσης και η πάρα πολύ υψηλή δυνατότητα χώνευσης του υποστρώματος μπορούν να προκαλέσουν παρεμπόδιση και διαταραχές στη διεργασία της ΑX. Ένας άλλος παράγοντας που επηρεάζει τη δραστηριότητα των αναερόβιων μικροοργανισμών είναι η παρουσία τοξικών ενώσεων. Αυτές μπορούν να μεταφερθούν στο σύστημα ΑX μαζί με την πρώτη ύλη, αλλά μπορούν επίσης να παραχθούν κατά τη διάρκεια της διεργασίας. Είναι δύσκολη η εφαρμογή κατώτατων οριακών τιμών για τις τοξικές ουσίες, αφενός μεν επειδή αυτές μπορούν συχνά να δεσμευθούν με χημικές διεργασίες και αφετέρου επειδή οι αναερόβιοι μικροοργανισμοί είναι σε θέση να προσαρμοστούν, εντός ορισμένων ορίων, στις 40

43 περιβαλλοντικές συνθήκες, στην προκειμένη περίπτωση στην παρουσία τοξικών ενώσεων. 3.5 Τύποι αναερόβιων χωνευτών Η παραγωγή βιοαερίου από την ΑΧ χρησιμοποιείται ευρέως στις σύγχρονες κοινωνίες για την επεξεργασία της στερεής και υδαρούς κοπριάς των εκτρεφόμενων ζώων. Σκοπός είναι να παραχθεί ανανεώσιμη ενέργεια και να βελτιωθούν οι ιδιότητες της κοπριάς ως λίπασμα. Στις χώρες με μεγάλη αγροτική παραγωγή, οι συνεχώς αυστηρότεροι κανονισμοί σχετικά με την αποθήκευση και ανακύκλωση του λιπάσματος και των φυτικών υπολειμμάτων, αύξησαν το ενδιαφέρον για την ΑΧ. Επιπλέον, οι πρόσφατες εξελίξεις στην Ευρώπη, την Αμερική και άλλα μέρη στον κόσμο έχουν επίσης καταδείξει ένα αυξανόμενο ενδιαφέρον μεταξύ των γεωργών για τις ενεργειακές καλλιέργειες, με στόχο να χρησιμοποιηθούν ως πρώτη ύλη για την παραγωγή βιοαερίου. Η ΑΧ χρησιμοποιείται εκτενώς για τη σταθεροποίηση της πρωτεύουσας και δευτερεύουσας λυματολάσπης, για την επεξεργασία των βιομηχανικών υγρών αποβλήτων από τις βιομηχανίες επεξεργασίας τροφίμων και ζύμωσης, καθώς επίσης και για την κατεργασία του οργανικού κλάσματος των αστικών στερεών αποβλήτων. Μια ειδική εφαρμογή είναι η ανάκτηση του βιοαερίου από τις χωματερές. Με την πάροδο των χρόνων έχουν αναπτυχθεί πολλές τεχνολογίες, όσον αφορά τους αντιδραστήρες της αναερόβιας χώνευσης. Υπάρχουν διάφοροι τύποι, με ξεχωριστές αρχές λειτουργίας και διαφορετικά τεχνικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά Αντιδραστήρας σταθερού θόλου Ο αντιδραστήρας σταθερού θόλου (fixed-dome reactor) αποτελείται από έναν κυλινδρικό χώρο, κατασκευασμένο συνήθως από τούβλα ή σκυρόδεμα, με θολωτό σχήμα οροφής, και τα δύο εκ των οποίων βρίσκονται κάτω από το επίπεδο του εδάφους. Αντιδιαμετρικά μεταξύ τους βρίσκονται δύο ανοίγματα υπό κλίση, που καταλήγουν λίγο πάνω από το έδαφος, και χρησιμοποιούνται για την εισροή του υποστρώματος στο χωνευτή, ώστε να λάβει χώρα η διεργασία της ΑΧ, και την εκροή αντίστοιχα του χωνεμένου υπολείμματος. Σε αυτούς τους τύπους χωνευτών συνήθως δεν πραγματοποιείται ανάδευση, ενώ η τροφοδοσία και η έξοδος της οργανικής ύλης γίνεται με φυσικό τρόπο. Στην κορυφή της θολωτής οροφής 41

44 Σχήμα : αντιδραστήρας σταθερού θόλου τοποθετείται ένας σωλήνας, ως έξοδος του βιοαερίου από τον αντιδραστήρα. Η συσσώρευση βιοαερίου στο χώρο, ασκεί πίεση στο υπό χώνευση υπόστρωμα, γεγονός που πρέπει να ληφθεί υπ όψη κατά το σχεδιασμό του χωνευτή, ώστε να αποφευχθούν φαινόμενα υπερχείλισης. Εναλλακτική μέθοδος είναι η εγκατάσταση δεξαμενής υπερχείλισης, αμέσως μετά την πύλη εξόδου του χωνεμένου υπολείμματος. Τυπικός HRT για τέτοιους τύπους αντιδραστήρων είναι 50 ημέρες. Η παλαιότερη ιλύς, που βρίσκεται σε πιο προχωρημένο στάδιο βιοαποικοδόμησης, και συνεπώς είναι ελαφρύτερη από τη φρέσκια βιομάζα που εισέρχεται, παραμένει στα ανώτερα επίπεδα του υποστρώματος. Έτσι, με την πίεση που δέχεται το υπόστρωμα από το αέριο, το χωνεμένο τμήμα της διεργασίας είναι αυτό που θα βγει πρώτο από την πύλη εκροής. Η απουσία κινούμενων μελών κατά τη λειτουργία του χωνευτή, του προσδίδει μεγαλύτερη διάρκεια ζωής, ενώ το χαμηλό κόστος κατασκευής του τον καθιστά ιδανικό για προσωπική αξιοποίηση. Επιπλέον, το γεγονός ότι εγκαθίσταται υπογείως, συμβάλει στην εξοικονόμηση χώρου και στην αποφυγή μεγάλων θερμοκρασιακών αλλαγών. Στον αντίποδα, η πίεση του παραγόμενου αερίου υπόκειται σημαντικών διακυμάνσεων, που εξαρτώνται κυρίως από τον όγκο του 42

45 αποθηκευμένου αερίου. Δηλαδή, η αξιοποίηση του αερίου είναι αδύνατη όταν δεν έχει παραχθεί σε επαρκή ποσότητα για την τροφοδότησή του σε οποιαδήποτε μηχανή μετατροπής ενέργειας. Τέλος, η παραμικρή ρωγμή που μπορεί να εμφανιστεί στο σώμα του αντιδραστήρα, σημαίνει αυτόματα εξαιρετικά μεγάλες απώλειες βιοαερίου Αντιδραστήρας κινητού θόλου Αυτός ο τύπος αντιδραστήρα (floating dome reactor) αποτελείται από δύο βασικά τμήματα, το χώρο χώνευσης και το χώρο αποθήκευσης του βιοαερίου. Η αρχή λειτουργίας του είναι παρόμοια με αυτή του σταθερού θόλου, με η βασική διαφορά ότι ο χώρος αποθήκευσης του αερίου είναι συνήθως κεντρικά εδρασμένος, γεγονός που του επιτρέπει να περιστρέφεται και να κινείται ελεύθερα στον κατακόρυφο άξονά του. Με τη σχετική αυτή κίνηση του θόλου, παρέχεται μια υποτυπώδης ανάδευση του υποστρώματος, ενώ εύκολα εξαλείφεται ο αφρός που δημιουργείται στις άκρες του. Ακόμα ένα προτέρημα έναντι του τύπου με σταθερό θόλο, είναι πως η κατακόρυφη κίνησή του, με την αύξηση του όγκου του αερίου, δεν επιτρέπει την εμφάνιση απαγορευτικών πιέσεων, ενώ ταυτόχρονα το βάρος του θόλου συμβάλει στη διατήρηση σταθερής πίεσης, ώστε να είναι ευκολότερη η τροφοδοσία του βιοαερίου σε μηχανές. Η κατασκευή και λειτουργία του είναι απλές, ενώ η παραχθείσα ποσότητα αερίου είναι εμφανής από την υψομετρική διαφορά του θόλου. Σχήμα : Αντιδραστήρας κινητού θόλου 43

46 3.5.3 Χωνευτής καλυμμένης λίμνης (covered lagoon digester) Αυτός ο τύπος αποτελεί την απλούστερη μορφή αναερόβιου χωνευτή για παραγωγή βιοαερίου. Είναι μια κλασική αναερόβια λίμνη, η οποία έχει καλυφθεί με ένα αδιαπέραστο και ανθεκτικό κάλυμμα, ώστε να παγιδεύει το αέριο που παράγεται. Τέτοιοι τύποι λειτουργούν με πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις στερεών, το πολύ 2%, ενώ η παραγωγή μεθανίου εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος, γεγονός που την καθιστά ακατάλληλη για ψυχρά κλίματα. Βασικά επίσης μειονεκτήματα είναι η μεγάλη απαιτούμενη έκταση για την εγκατάστασή τους και ο δύσκολος έλεγχος της διεργασίας. Σχήμα : χωνευτής καλυμμένης λίμνης Χωνευτής στρωτής ροής (Plug-Flow reactor) Οι χωνευτές στρωτής ροής είναι οριζόντιες μακρόστενες κυλινδρικές ή ορθογωνικές δεξαμενές από σκυρόδεμα, καλυμμένες με αεροστεγές ελαστικό κάλυμμα. Η πρώτη ύλη εισέρχεται από τη μια μεριά του αντιδραστήρα, διανύει το μήκος του κατά τη διάρκεια της χώνευσης και εξέρχεται από το σωλήνα εκροής στην άλλη άκρη του. Μπορεί ακόμα να σχεδιαστεί σε σχήμα U, όπου οι σωλήνες εκροής και εισροής βρίσκονται στην ίδια μεριά. Οι αντιδραστήρες αυτοί συνήθως δεν εξοπλίζονται με αναδευτήρες, και για το λόγο αυτό γίνεται προ-ανάμειξη της πρώτης ύλης με νερό σε δεξαμενές, ώστε να ομογενοποιηθεί το μείγμα και να επιτευχθούν τα απαραίτητα επίπεδα συγκέντρωσης οργανικών στερεών. Στη συνέχεια γίνεται η τροφοδοσία στο χωνευτή, όπου η εισροή φρέσκιας πρώτης ύλης πιέζει την ήδη υπάρχουσα κατά μήκος του αντιδραστήρα έως και την έξοδό της. Μπορεί να εγκατασταθεί σύστημα θέρμανσης του αντιδραστήρα, ώστε να λειτουργεί και σε μεσόφιλο ή και θερμόφιλο περιβάλλον. H Εγκατάστασή τους γίνεται είτε υπέργεια είτε υπόγεια, πάντα με χρήση μόνωσης για αποφυγή απωλειών θερμότητας, και το κάλυμμα είναι κατασκευασμένο από αεροστεγές ελαστικό υλικό, ώστε να παγιδεύει το βιοαέριο και να το διατηρεί 44

47 υπό πίεση. Τυπικός HRT για τέτοιους αντιδραστήρες είναι ημέρες, ενώ λειτουργούν βέλτιστα για ποσοστό στερεών 11-14%. Σχήμα : Αντιδραστήρας Plug-Flow Σχήμα : Αντιδραστήρας Plug-Flow με ελαστικό κάλυμμα Αντιδραστήρας πλήρους ανάδευσης (CSTR) Οι CSTR χωνευτές (Continuously Stirred Tank Reactor) είναι κυλινδρικές υπέργειες δεξαμενές, με ελαστικό ή σταθερό κάλυμμα. Η είσοδος και έξοδος της βιομάζας γίνονται είτε με φυσικό τρόπο, με την αξιοποίηση της βαρύτητας σε 45

48 επικλινή επίπεδα, είτε με μηχανικό τρόπο με τη χρήση αντλιών. Στο εσωτερικό τους, είναι εξοπλισμένοι με έναν ή και περισσότερους αναδευτήρες, οι οποίοι λειτουργούν ανελλιπώς για τη βέλτιστη ομογενοποίηση της ιλύος και την καλύτερη αποδοτικότητα στην παραγωγή αερίου. Τέτοιοι αντιδραστήρες είναι συνήθως θερμαινόμενοι, με ηλεκτρικές αντιστάσεις ή με κυκλοφορία ζεστού νερού σε σωληνώσεις. Σχήμα 3.5.6: Αντιδραστήρας CSTR Αντιδραστήρας fixed film Αυτού του είδους οι χωνευτές είναι κατακόρυφες στήλες γεμάτες με κάποιο μέσο, όπως ροκανίδια, ή μικρούς πλαστικούς δακτυλίους, στα οποία προσκολλώνται οι μεθανογενείς οργανισμοί, όπου παραμένουν και αναπτύσσονται. Η υδαρής κοπριά τροφοδοτείται από το κάτω μέρος του χωνευτή με αντλία, και καθώς διέρχεται από το συμπυκνωμένο μέσο, οι μικροοργανισμοί λαμβάνουν δράση και πραγματοποιούν τη χώνευσή του. Το χωνεμένο υπόλειμμα εν συνεχεία, εξέρχεται του χωνευτή, ενώ οι μικροοργανισμοί παραμένουν στη θέση τους. Αυτό επιτρέπει την λειτουργία με HRT μικρότερο των 5 ημερών, αυξάνει δηλαδή σε μεγάλο βαθμό την ταχύτητα της διεργασίας, θέτει όμως περιορισμό στο μέγεθος του αντιδραστήρα. Βασικό μειονέκτημα της τεχνολογίας αυτής είναι πως η στερεή οργανική ύλη δύναται να 46

49 επικαθίσει πάνω στο εκάστοτε μέσο και να περιορίσει την απόδοση της χώνευσης. Για το λόγο αυτό, είναι συνήθης τακτική να χρησιμοποιείται ένας διαχωριστής στερεών για την αφαίρεση κάποιων στερεών σωματιδίων πριν την εισροή του υποστρώματος, και η απόδοση του συστήματος εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη διαδικασία αυτή. Για τη βέλτιστη λειτουργία τους, η πρώτη ύλη συνήθως έχει μικρή περιεκτικότητα ολικών στερεών, της τάξης του 1 με 5%. Σχήμα : Αντιδραστήρας fixed film Αντιδραστήρας αιωρούμενων σωματιδίων Η λειτουργία τέτοιου είδους αντιδραστήρων στηρίζεται σε κοκκώδη σωματίδια υποστρώματος, τα οποία προσφέρουν ιδανική επιφάνεια για τους μικροοργανισμούς, να προσκολληθούν πάνω τους. Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι αντιδραστήρων αιωρούμενων σωματιδίων, ο UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) και ο IBR (Induced Blanket Reactor). Κατά τη λειτουργία τους, δημιουργείται ένα στρώμα κοκκώδους ιλύος που αιωρείται στη δεξαμενή. Το υδαρής πρώτη ύλη ρέει προς τα πάνω, μέσα από το στρώμα αυτό, όπου λαμβάνει χώρα η χώνευσή της. Πολύ μεγάλη πυκνότητα κόκκων συνεπάγεται δυσκολία διέλευσης του υποστρώματος από το μέσο και παρεμπόδιση της διεργασίας, ενώ αντίθετα αν η διάταξη των κόκκων είναι αραιή, δε γίνεται πλήρης χώνευση και μπορεί να εμφανιστεί και έκπλυση του μικροβιακού πληθυσμού. Βασική διαφορά των δύο τύπων είναι ότι ο UASB είναι 47

50 καταλληλότερος για υγρή πρώτη ύλη ( ποσοστό στερεών μικρότερο από 3%) ενώ ο IBR λειτουργεί βέλτιστα σε μεγαλύτερες περιεκτικότητες ( 6-12%) Σχήμα 3.5.8: Αντιδραστήρας UASB 3.6 Αγροτικές μονάδες βιοαερίου Οι αγροτικές μονάδες βιοαερίου χρησιμοποιούν υποστρώματα πρώτης ύλης που προέρχονται κυρίως από την αγροτική παραγωγή. Τα συνηθέστερα είδη πρώτης ύλης για τις εγκαταστάσεις αυτές είναι η ζωική στερεή και η υδαρής κοπριά, τα υπολείμματα και τα υποπροϊόντα από τη συγκομιδή αγροτικών προϊόντων και οι ενεργειακές καλλιέργειες. Η στερεή και η υδαρής κοπριά από βοοειδή και χοίρους είναι η κύρια πρώτη ύλη των περισσότερων αγροτικών μονάδων βιοαερίου αν και ο αριθμός των εγκαταστάσεων που χρησιμοποιούν ως πρώτη ύλη τις ενεργειακές καλλιέργειες αυξάνεται τα τελευταία χρόνια. Οι ακατέργαστες ζωικές στερεές και υδαρείς κοπριές συνήθως χρησιμοποιούνται ως οργανικά λιπάσματα, αλλά η ΑΧ βελτιώνει τις ιδιότητες λίπανσής τους καθώς: 48

51 Οι στερεές και υδαρείς κοπριές από διαφορετικά ζώα (π.χ. βοοειδή, χοίροι, πουλερικά) αναμειγνύονται στον ίδιο χωνευτή, παρέχοντας έτσι ένα περισσότερο ισορροπημένο περιεχόμενο σε θρεπτικές ουσίες Η ΑΧ διαλύει τα σύνθετα οργανικά υλικά (συμπεριλαμβανομένου του οργανικού αζώτου) και αυξάνει την ποσότητα των διαθέσιμων θρεπτικών ουσιών Η συγχώνευση της στερεής κοπριάς με άλλα υποστρώματα (π.χ. απόβλητα σφαγείων, υπολείμματα από λίπη και έλαια, οικιακά απόβλητα, φυτικά υπολείμματα, κ.λπ.) προσθέτει σημαντικές ποσότητες θρεπτικών ουσιών στο μείγμα της πρώτης ύλης. Ο σχεδιασμός και η τεχνολογία των μονάδων βιοαερίου διαφέρουν από χώρα σε χώρα, ανάλογα με τις κλιματικές συνθήκες, τα εθνικά πλαίσια (νομοθεσία και πολιτικές σε θέματα ενέργειας), και τη διαθεσιμότητα της πρώτης ύλης. Σύμφωνα με το σχετικό τους μέγεθος, τη λειτουργία και θέση τους, υπάρχουν τρεις κύριες κατηγορίες αγροτικών εγκαταστάσεων ΑΧ: Οι μονάδες βιοαερίου οικογενειακής κλίμακας (μικρής κλίμακας) Οι μονάδες βιοαερίου κλίμακας αγροκτήματος (μεσαίας έως μεγάλης κλίμακας) Οι κεντρικές μονάδες βιοαερίου / κοινή συγχώνευση (μεσαίας έως μεγάλης κλίμακας) Μονάδες βιοαερίου οικογενειακής κλίμακας Σε χώρες όπως το Νεπάλ, η Κίνα ή η Ινδία λειτουργούν εκατομμύρια μονάδες βιοαερίου οικογενειακής κλίμακας, οι οποίες χρησιμοποιούν πολύ απλές τεχνολογίες. Η πρώτη ύλη της ΑΧ που χρησιμοποιείται σε αυτές τις μονάδες βιοαερίου προέρχεται από τα νοικοκυριά και/ή τη μικρή αγροτική τους δραστηριότητα και το παραγόμενο βιοαέριο χρησιμοποιείται κυρίως για μαγείρεμα και φωτισμό. Οι χωνευτές είναι απλοί, φθηνοί, γεροί, εύκολοι στη λειτουργία και τη συντήρησή τους, και μπορούν να κατασκευαστούν με διαθέσιμα επί τόπου υλικά. Συνήθως, δεν υπάρχουν όργανα ελέγχου και καμία διεργασία θέρμανσης (ψυχρόφιλη ή μεσόφιλη λειτουργία), καθώς πολλοί από αυτούς λειτουργούν σε θερμότερα κλίματα και έχουν μεγάλους χρόνους ΥΧΠ. Συνηθέστερος τύπος που χρησιμοποιείται σε μικρής κλίμακας μονάδες είναι ο αντιδραστήρας σταθερού θόλου, τυπικού όγκου 6 έως 8 m³. Τροφοδοτείται με οικιακά λύματα, ζωική στερεή κοπριά και οργανικά οικιακά απόβλητα. Ο αντιδραστήρας λειτουργεί κατά έναν ημι-συνεχή τρόπο, όπου 49

52 προστίθεται νέο υπόστρωμα μία φορά την ημέρα και αντίστοιχα αφαιρείται μία ανάλογη ποσότητα μεταγγισμένου αναμειγμένου υγρού μια φορά την ημέρα. Ο αντιδραστήρας δεν αναδεύεται, οπότε η ιζηματογένεση των αιωρούμενων στερεών πρέπει να αφαιρείται 2-3 φορές το χρόνο. Με την ευκαιρία αυτή, αφαιρείται ένα μεγάλο μέρος του υποστρώματος και αφήνεται ως μπόλιασμα ένα μικρό μέρος (περίπου το ένα πέμπτο της περιεκτικότητας του αντιδραστήρα). Σε οικογενειακές μονάδες επίσης, μπορούν να χρησιμοποιηθούν και αντιδραστήρες μετατόπισης μικρής κλίμακας Μονάδες βιοαερίου κλίμακας αγροκτήματος Μια μονάδα βιοαερίου κλίμακας αγροκτήματος εξυπηρετεί ένα μόνο αγρόκτημα, χωνεύοντας την πρώτη ύλη που παράγεται σε αυτή. Επίσης σε πολλές εγκαταστάσεις γίνεται συγχώνευση μικρών ποσοτήτων υποστρωμάτων πλούσιων σε μεθάνιο (π.χ. ελαιούχα απόβλητα της επεξεργασίας ψαριών και υπολείμματα φυτικού ελαίου), με στόχο την αύξηση της παραγωγής βιοαερίου. Είναι επίσης δυνατό μία μονάδα βιοαερίου κλίμακας αγροκτήματος να λαμβάνει και να επεξεργάζεται ζωικές υδαρείς κοπριές από ένα ή περισσότερα γειτονικά αγροκτήματα (π.χ. μέσω σωληνώσεων, που συνδέουν τα αγροκτήματα αυτά με την αντίστοιχη μονάδα ΑΧ). Υπάρχουν πολλοί τύποι και βασικοί σχεδιασμοί μονάδων βιοαερίου κλίμακας αγροκτήματος σε όλο τον κόσμο. Στην Ευρώπη, χώρες όπως η Γερμανία, η Αυστρία και η Δανία είναι πρωτοπόρες στην παραγωγή βιοαερίου κλίμακας αγροκτήματος. Το ενδιαφέρον των ευρωπαίων γεωργών για τις εφαρμογές της ΑΧ αυξάνεται τα τελευταία χρόνια, όχι μόνο επειδή η αγροτική παραγωγή βιοαερίου μετατρέπει τα απόβλητα σε πολύτιμους φυσικούς πόρους και παράγει υψηλής ποιότητας εδαφοβελτιωτικό, αλλά και επειδή δημιουργεί νέες επιχειρηματικές ευκαιρίες για τους εμπλεκόμενους αγρότες και τους δίνει μία νέα διέξοδο, ως προμηθευτές ανανεώσιμης ενέργειας. Οι μονάδες βιοαερίου κλίμακας αγροκτήματος έχουν διάφορα μεγέθη, σχεδιασμούς και τεχνολογίες. Μερικές είναι πολύ μικρές και τεχνολογικά απλές, ενώ άλλες είναι πολύ μεγάλες και σύνθετες, παρόμοιες με τις κεντρικές εγκαταστάσεις συγχώνευσης. Ωστόσο, όλες έχουν μια κοινή αρχή σχεδίασης, ότι η στερεή κοπριά συλλέγεται σε μια δεξαμενή προ-αποθήκευσης κοντά στον χωνευτή και αντλείται μέσα σε αυτόν. Οι χωνευτές που χρησιμοποιούνται είναι συνήθως τύπου κινούμενου θόλου, CSTR, UASB και μετατόπισης. Ο μέσος HRT κυμαίνεται μεταξύ 20 και 40 ημερών, ανάλογα με τον τύπο του υποστρώματος και τη θερμοκρασία χώνευσης. 50

53 Το χωνεμένο υπόλειμμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εδαφοβελτιωτικό στις καλλιέργειες, ενώ το πλεόνασμα μπορεί να πωληθεί σε άλλα αγροκτήματα της περιοχής. Το παραγόμενο βιοαέριο χρησιμοποιείται σε μια μηχανή αερίου, για την παραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας. Περίπου το 10 με 30% της παραχθείσας θερμότητας και ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιείται για τη λειτουργία της μονάδας του βιοαερίου ή και για τις οικιακές ανάγκες του αγρότη (θέρμανση, φωτισμός), ενώ το πλεόνασμα πωλείται σε επιχειρήσεις ηλεκτρισμού. Εκτός από το χωνευτή που είναι εξοπλισμένος με σύστημα ανάδευσης, η μονάδα μπορεί να περιλαμβάνει δεξαμενή προ-αποθήκευσης για τη νωπή βιομάζα, δεξαμενή αποθήκευσης για τη χωνεμένο υπόλειμμα και για το βιοαέριο, καθώς και μια μονάδα ΣΗΘ. Ο χωνευτής μπορεί επίσης να είναι κατακόρυφος, με ή χωρίς κωνική βάση, γνωστός και ως «δύο σε μία» δεξαμενή αποθήκευσης υδαρούς κοπριάς και χώνευσης, όπου ο χωνευτής κατασκευάζεται εντός της δεξαμενής αποθήκευσης του χωνεμένου υπολείμματος. Οι δύο δεξαμενές καλύπτονται με μια αεροστεγή μεμβράνη, η οποία διογκώνεται από το παραγόμενο αέριο, και υφίστανται ανάδευση από μια ηλεκτρική έλικα. Επιπλέον, μπορεί να υπάρχει μια δεξαμενή προαποθήκευσης για το συνυπόστρωμα και μια μονάδα ΣΗΘ. Μια πρόσφατη εξέλιξη των μονάδων βιοαερίου κλίμακας αγροκτήματος είναι ο σχεδιασμός τους με βάση τις ενεργειακές καλλιέργειες. Το πλεονέκτημά τους είναι ότι το ενεργειακό περιεχόμενο των ενεργειακών καλλιεργειών είναι πολύ υψηλότερο απ ότι αυτό των περισσότερων οργανικών αποβλήτων. Ωστόσο, περιορισμοί και ανησυχίες προκύπτουν όσον αφορά στα κόστη λειτουργίας, καθώς και στη χρήση και τη διαθεσιμότητα του εδάφους Κεντρικές (κοινές) εγκαταστάσεις συγχώνευσης Η κεντρική συγχώνευση είναι μια έννοια που βασίζεται στη χώνευση ζωικής στερεής και υδαρούς κοπριάς που συλλέγεται από διάφορα αγροκτήματα, σε μια μονάδα βιοαερίου, η οποία είναι εγκατεστημένη κεντρικά στην περιοχή συλλογής της κοπριάς. Η κεντρική θέση των μονάδων βιοαερίου στοχεύει στο να μειώσει τις δαπάνες, τον χρόνο και το εργατικό δυναμικό για τη μεταφορά της κοπριάς από και προς την μονάδα βιοαερίου. Η στερεή κοπριά υφίσταται συγχώνευση με ποικίλους άλλους τύπους κατάλληλης πρώτης ύλης (π.χ. τα χωνευόμενα αγροτικά υπολείμματα, απόβλητα από τις βιομηχανίες τροφίμων και ιχθύων, οργανικά απόβλητα διαχωριζόμενα στην πηγή, λυματολάσπη, κ.ά.). Οι κεντρικές 51

54 εγκαταστάσεις συγχώνευσης (ονομάζονται επίσης και «κοινές» εγκαταστάσεις συγχώνευσης) αναπτύσσονται και εφαρμόζονται ευρέως στη Δανία αλλά και σε άλλες περιοχές του κόσμου με εντατική κτηνοτροφία. Στερεές και υδαρείς κοπριές συλλέγονται και μεταφέρονται στη μονάδα του βιοαερίου, σύμφωνα με ένα προσυμφωνημένο χρονοδιάγραμμα. Εκεί, αναμειγνύονται με άλλα υποστρώματα, ομογενοποιούνται και αντλούνται στη δεξαμενή του χωνευτή. Η μονάδα του βιοαερίου είναι υπεύθυνη για τη συλλογή και μεταφορά της νωπής στερεής κοπριάς από τους αγρότες στη μονάδα βιοαερίου και του χωνεμένου υπολείμματος από τη μονάδα στους χώρους αποθήκευσης, οι οποίοι βρίσκονται κοντά στις εκτάσεις όπου το χωνεμένο υπόλειμμα εφαρμόζεται ως εδαφοβελτιωτικό. Σύμφωνα με την ευρωπαϊκή νομοθεσία, πριν από την χώνευση λαμβάνει χώρα μία ελεγχόμενη διεργασία υγιεινής του υποστρώματος, προκειμένου να επιτευχθεί αποτελεσματική μείωση των παθογόνων και των ζιζανίων και να εξασφαλισθεί η ασφαλής ανακύκλωση του χωνεμένου υπολείμματος. Το σύστημα τροφοδοσίας είναι συνεχές, ή μερικά συνεχές, για εξοικονόμηση της καταναλωμένης ενέργειας, και το μείγμα βιομάζας αντλείται από και προς τους χωνευτές σε ίσες ποσότητες. Το χωνεμένο υπόλειμμα, με την έξοδό του από το χωνευτή, μεταφέρεται με σωληνώσεις σε δεξαμενές αποθήκευσης, ενώ σε πολλές περιπτώσεις πραγματοποιείται ο διαχωρισμός του σε υγρό σε στερεό μέρος και ξεχωριστή αποθήκευσή τους. Στη συνέχεια, ενσωματώνεται στο σχέδιο λίπανσης κάθε αγροκτήματος, αντικαθιστώντας τα ανόργανα εδαφοβελτιωτικά. Με τον τρόπο αυτό, η παραγωγή βιοαερίου είναι μέρος του κλειστού κύκλου ανακύκλωσης των θρεπτικών ουσιών από τις κοπριές και τα οργανικά απόβλητα. Με αυτό τον τρόπο, η κεντρική συγχώνευση αντιπροσωπεύει ένα ολοκληρωμένο σύστημα παραγωγής ανανεώσιμης ενέργειας, επεξεργασίας οργανικών αποβλήτων και ανακύκλωσης θρεπτικών ουσιών. Η εμπειρία δείχνει ότι το σύστημα μπορεί να δημιουργήσει αγροτικά, περιβαλλοντικά και οικονομικά οφέλη για τους αγρότες και την κοινωνία, όπως: Παραγωγή ανανεώσιμης ενέργειας Φθηνή και περιβαλλοντικά ασφαλή ανακύκλωση της στερεής κοπριάς και των οργανικών αποβλήτων Μείωση της εκπομπής αερίων του θερμοκηπίου Βελτιωμένη κτηνιατρική ασφάλεια μέσω της υγιεινής του χωνεμένου υπολείμματος Βελτιωμένη αποδοτικότητα λίπανσης 52

55 Μειωμένη όχληση από οσμές και μύγες Οικονομικά οφέλη για τους αγρότες. Οι περισσότερες κεντρικές εγκαταστάσεις συγχώνευσης μπορούν να οργανωθούν ως συνεταιριστικές επιχειρήσεις, με τους αγρότες να παραδίδουν τη στερεή κοπριά (πρώτη ύλη) στις εγκαταστάσεις ως μέτοχοι και ιδιοκτήτες. Συνήθως, αυτές οι επιχειρήσεις έχουν ένα διοικητικό συμβούλιο, αρμόδιο για τη διαχείριση της μονάδας, την οργάνωση του απαραίτητου προσωπικού, καθώς και για όλες τις οικονομικές και δεσμευτικές ως προς τους νόμους συμφωνίες σχετικά με την κατασκευή και τη λειτουργία της μονάδας. Στη Δανία, έχει αποδειχθεί ότι η συνεταιριστική επιχείρηση είναι μια οικονομικά εφικτή και λειτουργική οργανωτική δομή, αλλά είναι συχνοί και άλλοι τύποι επιχειρήσεων όπως οι Εταιρείες Περιορισμένης Ευθύνης (ΕΠΕ) ή οι δημοτικές επιχειρήσεις. 3.7 Χρήση του χωνεμένου υπολείμματος Η κτηνοτροφία είναι γνωστή για την παραγωγή μεγάλων ποσοτήτων ζωικής στερεής κοπριάς. Συνηθέστερα, οι γεωργικές εκτάσεις που διαθέτουν οι κτηνοτροφικές μονάδες δεν επαρκούν για τη βέλτιστη χρήση των παραχθέντων στερεών και υδαρών κοπριών ως λίπασμα. Το πλεόνασμα των ζωικών στερεών κοπριών απαιτεί τη λήψη επαρκών μέτρων για τη διαχείρισή τους, ώστε να αποτραπούν πιθανοί κίνδυνοι, όπως είναι: H ρύπανση του εδάφους και των επιφανειακών υδάτων μέσω της διαρροής θρεπτικών ουσιών H καταστροφή της δομής και της μικροβιολογίας του εδάφους Σοβαροί κίνδυνοι εκπομπών μεθανίου και αμμωνίας Η όχληση λόγω οσμών και μυγών, από την αποθήκευση και την εφαρμογή της στερεής κοπριάς Ο κίνδυνος μόλυνσης και διάδοσης των παθογόνων μικροοργανισμών. Η ΑΧ των ζωικών στερεών και υδαρών κοπριών μπορεί να είναι η λύση στα ανωτέρω προβλήματα, επιτρέποντας τις φιλικές προς το περιβάλλον γεωργικές πρακτικές. Η χρήση του χωνεμένου υπολείμματος ως εδαφοβελτιωτικό συμβάλλει στη διαδικασία αυτή και προσφέρει ένα πιο ολοκληρωμένο σύστημα αξιοποίησης οργανικών αποβλήτων, με ισχυρό προσανατολισμό στην προστασία του περιβάλλοντος. 53

56 3.7.1 Βιοδιάσπαση της οργανικής ουσίας Η επεξεργασία των ζωικών στερεών και υδαρών κοπριών στις μονάδες βιοαερίου οδηγεί στη βιοδιάσπαση των οργανικών ενώσεων σε ανόργανες ουσίες και μεθάνιο. Στην πράξη, οι μονάδες βιοαερίου που επεξεργάζονται τις στερεές και υδαρείς κοπριές έχουν ένα κλάσμα διάσπασης της οργανικής ουσίας της τάξης του 40% για την υδαρή κοπριά βοοειδών και 65% για την υδαρή κοπριά χοίρων. Το κλάσμα διάσπασης εξαρτάται κυρίως από τον τύπο της πρώτης ύλης, τον υδραυλικό χρόνο παραμονής (HRT) και τη θερμοκρασία της διεργασίας. Λόγω της υποβάθμισης της οργανικής ουσίας, γίνεται ευκολότερο να αντληθεί το χωνεμένο υπόλειμμα και να χρησιμοποιηθεί ως εδαφοβελτιωτικό, με μειωμένη ανάγκη για ανάδευση, σε σύγκριση με την μη επεξεργασμένη υδαρή κοπριά Μείωση των οσμών Μια από τα βασικότερα πλεονεκτήματα της ΑΧ της στερεής κοπριάς, είναι η σημαντική μείωση των οσμών (πτητικά οξέα, φαινόλη και παράγωγα φαινολών). Από την ΑΧ μπορεί να μειωθεί μέχρι και το 80% των οσμών των υποστρωμάτων πρώτης ύλης (Birkmose 2002) Δεν πρόκειται μόνο για μείωση της έντασης και της διατήρησης των οσμών, αλλά και μια θετική αλλαγή στη σύνθεση των οσμών, καθώς το χωνεμένο υπόλειμμα δεν έχει πλέον τη δυσάρεστη μυρωδιά της υδαρούς κοπριάς, αλλά μυρίζει περισσότερο όπως η αμμωνία. Ακόμα κι αν αποθηκεύεται για μεγαλύτερες χρονικές περιόδους, το χωνεμένο υπόλειμμα δεν παρουσιάζει καμία αύξηση στην εκπομπή οσμών Υγιεινή Η διεργασία της ΑΧ αδρανοποιεί τους ιούς, τα βακτήρια και τα παράσιτα στα επεξεργασμένα υποστρώματα πρώτης ύλης, επίδραση που συνήθως καλείται «υγιεινή». Ο χειρισμός και η επεξεργασία της πρώτης ύλης πρέπει να πραγματοποιείται δίχως να προκαλούνται βλάβες στους ανθρώπους, τα ζώα και το περιβάλλον. Η αποδοτικότητα της υγιεινής της ΑΧ εξαρτάται από τον HRT, τη θερμοκρασία της διεργασίας, την τεχνική ανάδευσης και τον τύπο του χωνευτή. Η βέλτιστη υγιεινή επιτυγχάνεται στις θερμόφιλες θερμοκρασίες (50-55 C) σε έναν επιμήκη αντιδραστήρα στρωτής ροής, με τον κατάλληλο χρόνο παραμονής. Σε αυτόν τον τύπο χωνευτή δεν λαμβάνει χώρα καμία μείξη του χωνεμένου υπολείμματος με 54

57 τη νωπή πρώτη ύλη, επιτρέποντας την καταστροφή όλων των παθογόνων σε ποσοστό άνω του 99% Αποφυγή του καψίματος των φυτών Η εφαρμογή της ακατέργαστης υδαρούς κοπριάς ως λίπασμα μπορεί να προκαλέσει το κάψιμο των φύλλων των φυτών, λόγω της επίδρασης των χαμηλής πυκνότητας λιπαρών οξέων, όπως το οξικό οξύ. Κατά τη λίπανση με χωνεμένο υπόλειμμα, αποφεύγεται το κάψιμο των φυτών, δεδομένου ότι τα περισσότερα λιπαρά οξέα έχουν διαλυθεί από τη διεργασία της ΑΧ. Το χωνεμένο υπόλειμμα ρέει ευκολότερα από τα φυτά, σε σύγκριση με τη μη χωνεμένη υδαρή κοπριά, γεγονός που μειώνει το χρόνο της άμεσης επαφής μεταξύ του χωνεμένου υπολείμματος και των υπέργειων τμημάτων των φυτών και μέσω αυτού τον κίνδυνο ζημιάς των φύλλων Βελτίωση του λιπάσματος Μέσω της διεργασίας της ΑΧ, οι πιο οργανικά συνδεδεμένες θρεπτικές ουσίες, ιδιαίτερα το άζωτο (N), είναι μεταλλοποιημένες και διατίθενται εύκολα στα φυτά. Λόγω της αυξημένης διαθεσιμότητας Ν, το χωνεμένο υπόλειμμα μπορεί να ενσωματωθεί πλήρως στα σχέδια λίπανσης των αγροκτημάτων, καθώς είναι δυνατό να υπολογιστούν τα αποτελέσματα λίπανσής του με τον ίδιο τρόπο όπως και για τα χημικά λιπάσματα. Επιπλέον, το χωνεμένο υπόλειμμα έχει χαμηλότερη αναλογία C/N έναντι της ακατέργαστης στερεής κοπριάς. Η χαμηλότερη αναλογία C/N σημαίνει ότι το χωνεμένο υπόλειμμα έχει καλύτερη δυναμικότητα βραχυπρόθεσμης λίπανσης με άζωτο. Όταν η τιμή της αναλογίας C/N είναι πάρα πολύ υψηλή, οι μικροοργανισμοί υπερισχύουν στο χώμα, καθώς ανταγωνίζονται επιτυχώς με τις ρίζες των φυτών για το διαθέσιμο άζωτο Το χωνεμένο υπόλειμμα ως εδαφοβελτιωτικό Το χωνεμένο υπόλειμμα είναι πιο ομογενοποιημένο σε σχέση με την ακατέργαστη υδαρή κοπριά, και έχει ένα συγκεκριμένο περιεχόμενο φυτικών θρεπτικών ουσιών, που επιτρέπει την ακριβή δοσολογία και την ένταξη στα σχέδια λίπανσης των αγροκτημάτων. Το χωνεμένο υπόλειμμα περιέχει περισσότερο Ν, ευκολότερα προσβάσιμο στα φυτά, από τη μη επεξεργασμένη υδαρή κοπριά. Εάν το χωνεμένο υπόλειμμα χρησιμοποιείται ως εδαφοβελτιωτικό, σύμφωνα με την ορθή 55

58 γεωργική πρακτική, θα αυξηθεί αρκετά η αποδοτικότητα του Ν και θα ελαχιστοποιηθούν οι απώλειες των θρεπτικών ουσιών από τη διύλιση και την εξάτμιση. Για τη βέλτιστη χρήση του χωνεμένου υπολείμματος ως εδαφοβελτιωτικό πρέπει να εξεταστούν οι ίδιες βασικές πτυχές, όπως και στην περίπτωση της χρήσης της μη επεξεργασμένης στερεής και υδαρούς κοπριάς: Ικανοποιητική ικανότητα αποθήκευσης (ελάχιστο 6 μήνες) Εποχιακοί περιορισμοί για την εφαρμογή ως εδαφοβελτιωτικό (κατά τη διάρκεια της βλάστησης) Ποσότητα που εφαρμόζεται ανά στρέμμα Τεχνική εφαρμογής (άμεση ενσωμάτωση και μικρές θρεπτικές απώλειες). Λόγω της υψηλότερης ομοιογένειας και ροής, το χωνεμένο υπόλειμμα διεισδύει στο έδαφος γρηγορότερα από την ακατέργαστη υδαρή κοπριά. Ωστόσο, η εφαρμογή του χωνεμένου υπολείμματος ως εδαφοβελτιωτικό εμπεριέχει κινδύνους απωλειών Ν μέσω των εκπομπών αμμωνίας και της διαρροής νιτρικών αλάτων. Προκειμένου να ελαχιστοποιηθούν αυτοί οι κίνδυνοι, πρέπει να τηρούνται μερικοί απλοί κανόνες ορθής γεωργικής πρακτικής: Αποφυγή της υπερβολικής ανάδευσης του χωνεμένου υπολείμματος πριν από την εφαρμογή Εφαρμογή μόνο του ψυχρού χωνεμένου υπολείμματος, από την δεξαμενή προ-αποθήκευσης Εάν εφαρμόζεται στην επιφάνεια του εδάφους, είναι απαραίτητη η άμεση ενσωμάτωσή του στο χώμα Εφαρμογή στην αρχή της περιόδου ανάπτυξης ή κατά τη διάρκεια της βλαστητικής αύξησης Οι βέλτιστες καιρικές συνθήκες για την εφαρμογή του χωνεμένου υπολείμματος είναι: βροχερός καιρός, με υψηλή υγρασία και άπνοια. Ο ξηρός, ηλιόλουστος και με ισχυρούς ανέμους καιρός μειώνει σημαντικά την αποδοτικότητα σε άζωτο. Αναλόγως των καλλιεργειών, η εμπειρία δείχνει ότι, στην Ευρώπη, ο καλύτερος χρόνος για την εφαρμογή του χωνεμένου υπολείμματος είναι κατά την έντονη βλαστητική αύξηση. Το χωνεμένο υπόλειμμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως επιφανειακό εδαφοβελτιωτικό στις καλλιέργειες σε πλήρη ανάπτυξη. Αυτή η εφαρμογή επιτυγχάνει την αποφυγή απωλειών αζώτου ως νιτρικό άλας στα υπόγεια ύδατα, δεδομένου ότι το κύριο μέρος των θρεπτικών ουσιών απορροφάται άμεσα 56

59 από τα φυτά. Τέλος, με την εφαρμογή του χωνεμένου υπολείμματος ως επιφανειακό εδαφοβελτιωτικό, ένα μέρος των θρεπτικών ουσιών απορροφάται μέσω των φύλλων Επιπτώσεις της εφαρμογής του χωνεμένου υπολείμματος στο χώμα Η αποδόμηση της οργανικής ουσίας, η οποία συμβαίνει μέσω της διεργασίας της ΑΧ, περιλαμβάνει τη διάσπαση των δεσμών του άνθρακα (C), των οργανικών οξέων, καθώς επίσης και των οσμηρών και καυστικών ουσιών. Για το λόγο αυτό, όταν εφαρμόζεται στο έδαφος, το χωνεμένο υπόλειμμα δημιουργεί καταλληλότερο περιβάλλον για τους εδαφικούς οργανισμούς, έναντι της εφαρμογής της ακατέργαστης υδαρούς κοπριάς. Οι μετρήσεις του βιολογικά απαιτούμενου οξυγόνου (BOD Biological Oxygen Demand) της χωνεμένης υδαρούς κοπριάς βοοειδών και χοίρων παρουσίασαν 10 φορές μικρότερη ζήτηση οξυγόνου (Ο) απ ό,τι στην περίπτωση της μη χωνεμένης υδαρούς κοπριάς. Με τη μείωση όμως της κατανάλωσης Ο, μειώνεται ταυτόχρονα και η τάση σχηματισμού ανοξικών εδαφικών περιοχών, δηλαδή περιοχές μόνο με Ν, δίχως την παρουσία Ο. Αυξημένη είναι επίσης η ικανότητα συσσώρευσης με νέο χώμα και αναπαραγωγής του φυτοχώματος μέσω της τροφοδοτούμενης οργανικής ουσίας, συγκρινόμενη με αυτή της μη επεξεργασμένης υδαρούς κοπριάς. Επιπλέον, το χωνεμένο υπόλειμμα παρέχει μεγαλύτερα ποσοστά C, διαθέσιμα για την αναπαραγωγή των οργανικών ουσιών στα εδάφη. Κατά τη διάρκεια της ΑΧ, διαλύονται τα διασπώμενα οργανικά συστατικά όπως η κυτταρίνη και τα λιπαρά οξέα. Τα συστατικά λιγνίνης, τα οποία είναι πολύτιμα για το σχηματισμό του φυτοχώματος, παραμένουν. Τα μεθανογενή βακτήρια από μόνα τους παράγουν μια ολόκληρη σειρά αμινοξέων, τα οποία είναι διαθέσιμα για τα φυτά και άλλους ζωντανούς οργανισμούς στο χώμα. 57

60 4. ΤΕΧΝΟ-ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ 4.1 Τεχνική περιγραφή επενδυτικού σχεδίου Ο υπό μελέτη σταθμός παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας δυναμικότητας 130 kw βρίσκεται στον Αμπελώνα, ο οποίος ανήκει στο δήμο Τυρνάβου της περιφερειακής ενότητας Λάρισας. Η εγκατάστασή του λαμβάνει χώρε σε οικόπεδο 140 στρεμμάτων, το μεγαλύτερο μέρος του οποίου χρησιμοποιείται για βοσκή των προβάτων υπάρχουσας κτηνοτροφικής μονάδας. Αυτή διαθέτει 2630 πρόβατα, τα οποία τρέφονται καθημερινά κυρίως με κριθάρι και βρώμη, ενώ συμπληρωματικά χρησιμοποιούνται και σόγια, άχυρο, τριφύλλια, και ενσίρωμα καλαμποκιού. Στο οικόπεδο είναι εγκατεστημένος στάβλος για τα ζώα, όπου χρησιμοποιείται άχυρο ως κλινοστρωμνή. Η παραγωγή ηλεκτρισμού προκύπτει από την καύση του βιοαερίου που εκλύεται από τη διεργασία της ΑΧ των κοπράνων των προβάτων, καθώς και υπολειμμάτων των προαναφερόμενων καλλιεργειών. Σχήμα : Διάγραμμα λειτουργίας μονάδας 58

61 Συλλογή Όπως δείχνει και το σχήμα αρχικά λαμβάνει χώρα η συλλογή και αποθήκευση της πρώτης ύλης. Τα πρόβατα αποβάλλουν καθημερινά 3-4 kg κοπράνων, επομένως καθημερινά συλλέγονται και αποθηκεύονται κατά μέσο όρο kg κοπριάς, ενώ μαζί με αυτή μαζεύονται και 184 kg γεωργικών υπολειμμάτων, της τάξης του 1-3% της αποβληθείσας κοπριάς. Η συλλογή γίνεται καθημερινά, τόσο από το στάβλο όσο και από το χώρο που βοσκής των προβάτων. Χρησιμοποιείται μηχάνημα συλλογής κοπριάς, με το οποίο τη μεταφέρεται στη δεξαμενή αποθήκευσης, που είναι εγκατεστημένη δίπλα στο στάβλο. Τεμαχισμός Η πρώτη ύλη διέρχεται πρώτα από έναν μηχανικό τεμαχιστή. Εκεί διασπάται σε μικρότερα κομμάτια, συντελώντας στην ευκολότερη ανάμειξη και ομογενοποίηση του μείγματος, ενώ ταυτόχρονα αυξάνεται η δραστική επιφάνεια της διεργασίας, βελτιώνοντας την ταχύτητα και την απόδοσή της. Αποθήκευση Η πρώτη ύλη στη συνέχεια οδηγείται σε δεξαμενή αποθήκευσης. Αυτή έχει δυνατότητα αποθήκευσης πρώτης ύλης δύο ημερών, είναι υδατοστεγής για αποφυγή διαρροών και μόλυνση του εδάφους, και σφραγισμένη για μείωση των έντονων οσμών. Στη συνέχεια προστίθεται νερό, προερχόμενο από το δημόσιο δίκτυο ύδρευσης ώστε να επιτευχθεί η ζητούμενη περιεκτικότητα σε TS για τη βέλτιστη λειτουργία του αντιδραστήρα, ενώ η λειτουργία αναδευτήρα μέσα στη δεξαμενή επιτυγχάνει την ομογενοποίηση του υποστρώματος. Για τους υπολογισμούς λαμβάνονται οι τιμές του πίνακα Πρώτη ύλη TS (%) VS (% VS) Βιοαέριο (m 3 /kg VS) Κοπριά προβάτων ,21 Άχυρο ,25 Κριθάρι/Βρώμη ,20 Πίνακας : Ανάλυση πρώτης ύλης 59

62 Χώνευση Η περιεκτικότητα σε TS της κοπριάς, που αποτελεί και το μεγαλύτερο τμήμα της πρώτης ύλης προς χώνευση είναι 26%, ενώ για τη λειτουργία του ο χωνευτής απαιτεί ΤS 12%. Για το λόγο αυτό προστίθεται και νερό, η ακριβής ποσότητα του οποίου υπολογίζεται με τον εξής τρόπο. [5] o Νερό στη φρέσκια κοπριά = ημερήσια παραγωγή κοπριάς x (1-26%) (1) o Νερό στη βιομάζα εισόδου = ημερήσια παραγωγή κοπριάς x (1-12%) (2) o Απαιτούμενη ποσότητα νερού = νερό βιομάζας εισόδου - νερό φρέσκιας κοπριάς (3) Από τη σχέση (3) προκύπτει ότι η ημερήσια απαιτούμενη ποσότητα νερού είναι 1289 kg. Η προς χώνευση βιομάζα έχει πυκνότητα περίπου 970 kg/m 3, καθώς το νερό και η φρέσκια υδαρής κοπριά των προβάτων έχουν πυκνότητα 1000 kg/m 3 [6] και των αγροτικών υπολειμμάτων που συμμετέχουν στη χώνευση κυμαίνεται στα 450 kg/m 3 [7]. Επομένως, εκμεταλλευόμενοι τη σχέση d = m V (4) o V = o όγκος σε m 3 o d = η πυκνότητα σε kg/m 3 o m = η μάζα σε kg μπορούμε να υπολογίσουμε ότι ο ημερήσιος όγκος βιομάζας προς χώνευση V, είναι 20,7 m 3. Για να έχουμε λοιπόν δυνατότητα αποθήκευσης 2 ημερών, επιλέγουμε δεξαμενή αποθήκευσης όγκου 45 m 3. Εν συνεχεία, η πρώτη ύλη τροφοδοτείται στο χωνευτή μέσω σωληνώσεων PVC, υλικό που ενδείκνυται για χρήση σε περιβάλλον υψηλού ρυπαντικού φορτίου, διαμέτρου 300mm και η τροφοδοσία γίνεται με τη χρήση φυγοκεντρικής αντλίας. Ο χωνευτής που επιλέγουμε για τον υπό μελέτη σταθμό είναι στρωτής ροής (plug-flow reactor). Η επιλογή αυτή έγινε με κύριο γνώμονα το κόστος, καθώς έχει αισθητά χαμηλότερο κόστος εγκατάστασης, συγκριτικά με αντιδραστήρες αντίστοιχης δυναμικότητας, δεν απαιτείται ανάδευση και το παραγόμενο βιοαέριο αποθηκεύεται και διατηρείται ταυτόχρονα υπό πίεση, από το ελαστικό κάλυμμα στην επιφάνεια της οροφής. Εκτός αυτού, τέτοιου είδους χωνευτές έχουν υψηλή υγιεινή, με εξαιρετικά 60

63 μεγάλο βαθμό καταστροφής των παθογόνων, αποφεύγοντας έτσι επιπλέον διεργασίες βελτίωσης της υγιεινής του χωνεμένου υπολείμματος. Λόγω του μικρού μεγέθους της μονάδας, ο χωνευτής λειτουργεί σε μεσόφιλο στάδιο, στους 40 o C, καθώς απαιτούνται αισθητά μεγαλύτερα ποσά ενέργειας για τη διατήρηση της θερμοκρασίας σε θερμόφιλο επίπεδο, ενώ ταυτόχρονα η διεργασία καθίσταται ευαίσθητη σε αυξομειώσεις θερμοκρασίας ακόμα και 1 o C. Όπως προκύπτει από το σχήμα 2.3.2, ο ρυθμός ανάπτυξης των μεθανογενών βακτηρίων είναι μειωμένος σχεδόν κατά το ήμισυ στο μεσόφιλο στάδιο, συγκριτικά με το θερμόφιλο. Για το λόγο αυτό απαιτείται μεγαλύτερος HRT, που στη συγκεκριμένη περίπτωση ορίζεται στις 30 ημέρες, σύμφωνα με το σχήμα Γνωρίζοντας λοιπόν τον HRT και τον V, μπορούμε να υπολογίσουμε το οργανικό φορτίο B R και τον όγκο VR του χωνευτή από τις εξής σχέσεις: o o HRT = VR / V BR = m * c / VR Κάνοντας τους υπολογισμούς καταλήγουμε σε όγκο χωνευτή VR ίσο με 621 m 3, και οργανικό φορτίο BR ίσο με 3,89 kg/m 3 ημέρα, που σημαίνει ότι στον αντιδραστήρα εισρέουν καθημερινά 2415 kg οργανικής ξηρής ουσίας, ώστε να επιτευχθεί η απαραίτητη πλήρωση. Οι διαστάσεις των χωνευτών στρωτής ροής υπόκεινται σε συγκεκριμένους περιορισμούς. Ο λόγος πλάτους/βάθους είναι συνήθως μεταξύ 1 και 2,5, ενώ η αναλογία μήκους/πλάτους πρέπει να είναι μεγαλύτερη του 3,5 αλλά να μην ξεπερνάει το 5 [9]. Λαμβάνοντας υπ όψη τους παραπάνω περιορισμούς, καταλήγουμε σε χωνευτή διαστάσεων 20 x 5,7 x 5,5 m. Ο χωνευτής είναι εγκατεστημένος υπογείως, ώστε να υπόκειται σε μικρότερες αυξομειώσεις θερμοκρασίας και είναι κατασκευασμένος από σκυρόδεμα πάχους 25 cm [12]. Για τη διατήρηση σταθερής θερμοκρασίας, χρησιμοποιείται η εκλυόμενη θερμότητα από την καύση του βιοαερίου. Εναλλάκτης θερμότητας είναι εγκατεστημένος δίπλα στη ΜΕΚ, ο οποίος εκμεταλλεύεται την υψηλή θερμοκρασία των καυσαερίων για να ζεστάνει ποσότητα νερού, που κυκλοφορεί σε σωληνώσεις κατά μήκος των τοιχωμάτων του αντιδραστήρα, αυξάνοντας τη θερμοκρασία του υπό χώνευση υποστρώματος μέσα στο χωνευτή. Ως μονωτικό υλικό χρησιμοποιείται πολυστερίνη, πάχους 5 cm, η οποία ενδείκνυται για υπόγεια χρήση, καθώς είναι ανθεκτική στην υγρασία και έχει δυνητικά απεριόριστο χρόνο ζωής [11], [13]. Για τον υπολογισμό της απαιτούμενης ενέργειας θέρμανσης πρέπει να εκτιμηθούν οι απώλειες θερμότητας, για το οποίο χρειάζονται τα στοιχεία του πίνακα [17]. Ο υπολογισμός γίνεται από τη σχέση: 61

64 Q = Tεσ Τεξ λσκασκ Dσκ + λμαμ Dμ (5) όπου o Τεσ : η θερμοκρασία στο εσωτερικό του χωνευτή σε Κ o Τεξ : η θερμοκρασία του υπεδάφους εξωτερικά του χωνευτή σε Κ o λσκ : η ειδική θερμική αγωγιμότητα του σκυροδέματος σε W/mK o λμ : η ειδική θερμική αγωγιμότητα της μόνωσης σε W/mK o Ασκ : η επιφάνεια επαφής του σκυροδέματος με τη μόνωση σε m 2 o Αμ : η επιφάνεια επαφής της μόνωσης με το υπέδαφος σε m 2 o Dσκ : το πάχος του σκυροδέματος σε m o Dμ : το πάχος της μόνωσης σε m Μέγεθος Τιμή Τεσ Τεξ λσκ λμ 40 o C o C 2,03 W/mK 0,30 W/mK Ασκ 396,7 m 2 Αμ 396,7 m 2 Dσκ Dμ 0,25 m 0,05 m Πίνακας Απαιτούμενα μεγέθη για τον υπολογισμό μετάδοσης θερμότητας H θερμοκρασία του εδάφους μεταβάλλεται ανάλογα με την εποχή, για το λόγο αυτό απαιτείται μηνιαίος υπολογισμός της αποβαλλόμενης θερμότητας, βασισμένος στη θερμοκρασιακή συμπεριφορά του εδάφους. Τα σχήματα και αντικατοπτρίζουν την ετήσια αυτή συμπεριφορά, και συνυπολογίζοντας την αύξηση της θερμοκρασίας, λαμβάνονται οι τιμές για τον πίνακα [10]. 62

65 Ιανουάριος Φεβρουάριος Μάρτιος Απρίλιος Μάιος Ιούνιος Tεξ [ o C] Q [kwh] Πίνακας : Μηνιαία θερμοκρασία εδάφους σε βάθος 150 cm και αποβαλλόμενη θερμότητα Ιούλιος Αύγουστος Σεπτέμβριος Οκτώβριος Νοέμβριος Δεκέμβριος Tεξ [ o C] Q [kwh] Σχήμα : Μέσες μηνιαίες θερμοκρασίες αέρα και εδάφους σε βάθος 150 cm 63

66 Σχήμα : Προφίλ μέσης μηνιαίας θερμοκρασίας εδάφους τα έτη 1975, 1976,1977 Παραγωγή και αποθήκευση βιοαερίου Έχοντας υπολογίσει την ημερήσια ποσότητα εισροής βιομάζας, μπορούμε να εκτιμήσουμε και τη δυνητική παραγωγή βιοαερίου. Στο σχήμα φαίνεται η εβδομαδιαία παραγωγή βιοαερίου από την ΑΧ κοπράνων προβάτου [14]. Καθώς στη μεσόφιλη θερμοκρασία που λειτουργεί η μονάδα ο ρυθμός ανάπτυξης των μεθανογενών είναι μεγαλύτερος, το ποσά που φαίνονται στο σχήμα μπορούν να επιτευχθούν εντός των 30 ημερών που το υπόστρωμα τελεί υπό χώνευση, παράγοντας καθημερινά κατά μέσο όσο 0,21 m 3 /kgvs βιοαερίου. Αντίστοιχα, τα γεωργικά υπολείμματα εκλύουν 0,25 m 3 /kgvs, συνθέτοντας έτσι τον πίνακα Ημερήσια μεγέθη Φρέσκια υδαρής κοπριά Γεωργικά υπολείμματα Συλλογή 9205 kg 184 kg TS 2393,30 kg kg VS 1914,64 kg 125,19 kg Παραγωγή βιοαερίου 402,074 m 3 31,297 m 3 Παραγωγή μεθανίου 261,348 m 3 20,343 m 3 Πίνακας : Ημερήσια μεγέθη για την ΑΧ 64

67 Σχήμα : Παραγωγή βιοαερίου, ph, συνολικά πτητικά λιπαρά οξέα σε θερμοκρασία 30 ο C. Το βιοαέριο που εξέρχεται από το χωνευτή έχει πολύ μεγάλο ποσοστό υγρασίας, καθώς είναι διαποτισμένο με υδρατμούς, και περιέχει εκτός από μεθάνιο, διοξείδιο του άνθρακα και ποσότητες υδρόθειου. Το υδρόθειο είναι τοξικό και σε συνδυασμό με τους υδρατμούς παράγουν θειικό οξύ, το οποίο είναι διαβρωτικό και δύναται να προκαλέσει φθορές στο σύστημα καύσης και στις σωληνώσεις. Οι υδρατμοί είναι εύκολο να συλλεχθούν, καθώς μέσω της μεταφοράς του βιοαερίου από υπόγειες σωληνώσεις, η διαφορά θερμοκρασίας προκαλεί τη συμπύκνωσή τους, και η τελική συλλογή του νερού γίνεται σε έναν διαχωριστή συμπυκνώματος, στο χαμηλότερο σημείο των σωληνώσεων. Η αποθείωσή του αντίστοιχα λαμβάνει χώρα με την προσθήκη υγρού μίγματος σιδηρούχων χημικών ενώσεων, όπως χλωριούχο σίδηρο και θειικό σίδηρο στο υπόστρωμα που εισέρχεται στο χωνευτή, το οποίο προκαλεί την κατακρήμνιση και τελικά τη δέσμευσή θείου, που δεν απελευθερώνεται ως υδρόθειο αλλά παραμένει στο χωνεμένο υπόλειμμα, περεταίρω βελτιώνοντας τις εδαφοβελτιωτικές του ικανότητες [16]. 65

68 Μηχανή εσωτερικής καύσης Από το σημείο αυτό, το βιοαέριο οδηγείται με σωληνώσεις PVC, διαμέτρου 200 mm στη μηχανή εσωτερικής καύσης. Το μέγεθος της ΜΕΚ εξαρτάται από την ποσότητα του αερίου που χρησιμοποιείται ως πρώτη ύλη. Στον υπό μελέτη σταθμό εγκαθίσταται κινητήρας ονομαστικού φορτίου 130 kw, με ολικό βαθμό απόδοσης 0,87, που αναλύεται σε ηλεκτρική και θερμική απόδοση στα 0,39 και 0,48 αντίστοιχα. Ο κινητήρας είναι εγκατεστημένος μέσα σε κτήριο, τόσο για να αποφευχθεί η έκθεση του στα καιρικά φαινόμενα, όσο και για να τηρούνται τα απαραίτητα μέτρα ασφαλείας. Το παραγόμενο ρεύμα, μέχρι την πώλησή του, υφίσταται απώλειες της τάξης του 5% λόγο μεταφοράς. Χωνεμένο υπόλειμμα Το χωνεμένο υπόλειμμα αντίστοιχα, εξέρχεται του χωνευτή με τη χρήση φυγοκεντρικής αντλίας, από όπου και οδηγείται με σωληνώσεις PVC, διαμέτρου 300 mm σε μια μηχανή διαχωρισμού του υγρού και του στερεού μέρους του υπολείμματος. Το αποβαλλόμενο νερό καταλήγει με σωλήνες σε λίμνη αποθήκευσης, ενώ το στερεό μέρος πέφτει με τη χρήση της βαρύτητας στο χώρο αποθήκευσής του, που βρίσκεται ένα επίπεδο κάτω από το διαχωριστή, όπου μπορεί να μείνει ως και 6 μήνες σύμφωνα με την ευρωπαϊκή νομοθεσία για περεταίρω βελτίωση των εδαφοβελτιωτικών του δυνατοτήτων. Στο χώρο αυτό καταλήγουν και τα καυσαέρια του κινητήρα, για την περεταίρω ξήρανσή στερεού χωνεμένου υπολείμματος, καθώς έτσι διευκολύνεται τόσο η εφαρμογή του στις αντίστοιχες εκτάσεις, όσο και η απορρόφηση των θρεπτικών συστατικών από τα φυτά. 66

69 Σχήμα : Διαχωριστής υγρού και στερεού μέρους Πυρσός ανάφλεξης Υπάρχουν περιπτώσεις όπου παράγεται περισσότερο βιοαέριο απ ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για παραγωγή ενέργειας. Σε τέτοιες περιπτώσεις είναι απαραίτητη η ύπαρξη εφεδρικών λύσεων, όπως η πρόσθετη αποθήκευση βιοαερίου ή επιπλέον συστήματα παραγωγής ενέργειας. Η αποθήκευση του βιοαερίου για μικρές χρονικές περιόδους είναι δυνατή χωρίς συμπίεση, αλλά για περιόδους της τάξης των μερικών ωρών γενικά δεν είναι εφικτή, λόγω του μεγάλου όγκου του αερίου. Για το λόγο αυτό, κάθε μονάδα βιοαερίου είναι εξοπλισμένη με έναν «πυρσό» βιοαερίου. Όταν υπάρχει περίσσεια βιοαερίου που δεν μπορεί να αποθηκευτεί ή να χρησιμοποιηθεί, η ανάφλεξη είναι η τελευταία λύση, απαραίτητη για την εξάλειψη δυνητικών κινδύνων ασφάλειας, αλλά και για την προστασία του περιβάλλοντος. Σε εξαιρετικές καταστάσεις, όταν δεν είναι εφικτή η ανάκτηση ενέργειας, η ανάφλεξη θα μπορούσε να είναι η λύση για την ασφαλή διάθεση του βιοαερίου που παρήχθη από τις διεργασίες της ΑΧ. 67