Εργαστήριο ήπιων μορφών ενέργειας

Εργαστήριο ήπιων μορφών ενέργειας Ενότητα: Εργαστηριακή εγκατάσταση βιομάζας Ταουσανίδης Νίκος Τμήμα ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ 1

Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο TEI Δυτικής Μακεδονίας και στην Ανώτατη Εκκλησιαστική Ακαδημία Θεσσαλονίκης» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 2

Περιεχόμενα 1. Σκοποί ενότητας... 4 2. Περιεχόμενα ενότητας... 4 3. ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 4 4. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ... 4 5. ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ ΤΗΣ ΠΡΩΤΗΣ ΥΛΗΣ... 7 6. Βιλιογραφία... 10 7. Παράρτημα... 10 Περιεχόμενα Σχημάτων Σχήμα 1: ΒIOMAS... 9 3

1. Σκοποί ενότητας Λειτουργία μονάδας παραγωγής μεθανίου από Βιομάζα. 2. Περιεχόμενα ενότητας Λειτουργία μονάδας παραγωγής μεθανίου από Βιομάζα. 3. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Μία διαδικασία εκμετάλλευσης βιομάζας είναι η αναερόβια ζύμωση. Το μεγάλο ενδιαφέρον για την τεχνολογία αυτή οφείλεται όχι μόνο στο γεγονός ότι είναι μία ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, αλλά στο ότι συμβάλλει σημαντικά στη μείωση της ρύπανσης του περιβάλλοντος που προκαλούν τα αγροτικά και βιομηχανικά οργανικά κατάλοιπα και επίσης τα παραπροϊόντα της μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν λιπάσματα στη γεωργία. Η αναερόβια ζύμωση είναι μία σειρά βιοχημικών αντιδράσεων, που γίνονται από βακτήρια που ζουν απουσία αέρα, και τα οποία μετατρέπουν σύνθετα οργανικά μόρια σε άλλα, απλούστερα χημικά, μόρια. Το προϊόν των αντιδράσεων είναι εν μέρει αέριο (βιοαέριο) και περιέχει κυρίως μεθάνιο, ενώ το υπόλοιπο παρουσιάζει υψηλή συγκέντρωση μεταλλικών αλάτων που το κάνει ένα πολύ καλό λίπασμα. Είναι λοιπόν η αναερόβια ζύμωση: Παραγωγή βιοαερίου, Ολοκληρωμένη τεχνολογία αερόβιου εξευγενισμού των λυμάτων και Παραγωγή λιπάσματος. 4. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ Η παρούσα μονάδα επιτρέπει την αναερόβια ζύμωση διαφόρων υποστρωμάτων και την μελέτη της επίδρασης διαφόρων παραμέτρων. Τα όργανα τα οποία διαθέτει επιτρέπουν κατά προσέγγιση μετρήσεις, μεγεθών όπως BOD και ph ενώ βέβαια η ακριβής παρακολούθηση και έλεγχος της ζύμωσης απαιτεί μία ευρεία γκάμα οργάνων που συνήθως υπάρχουν σε ένα καλά εξοπλισμένο χημικό εργαστήριο. Το συγκρότημα αποτελείται από: Μία δεξαμενή τροφοδοσίας (3 στο διάγραμμα) χωρητικότητας 200 lt που έχει αναδευτήρα-θραυστήρα για να ομογενοποιεί το τροφοδοτούμενο στη μονάδα προϊόν, όταν αυτό περιέχει στερεά στοιχεία (άχυρο κοκ). Η ταχύτητα ανάδευσης είναι μεταβλητή, για να μπορεί να μελετηθεί η επίδραση του μεγέθους του υλικού στη ζύμωση. Τον αντιδραστήρα (1 στο διάγραμμα) που είναι ένα δοχείο ωφέλιμης χωρητικότητας 200 lt. Έχει ένα παράθυρο από plexiglass για παρατήρηση. 4

Η τροφοδοσία γίνεται με βαρύτητα από τη δεξαμενή τροφοδοσίας μέσω ηλεκτροβάνας (v1 στο διάγραμμα) και η εκκένωση με υπερχείλιση. Η ηλεκτροβάνα είναι χρονιζόμενη από την κονσόλα ελέγχου μέσω δύο χρονομετρητών, ο ένας μετρά τον χρόνο κλεισίματος της βάνας και ο άλλος τον χρόν ανοίγματος. Μπορεί βέβαια η ηλεκτροβάνα να λειτουργήσει και χειροκίνητα (περίπτωση συνεχούς ζύμωσης). Τότε σημαντική παράμετρος είναι ο χρόνος παραμονής Rt της βιομάζας στον αντιδραστήρα. Ο χρόνος αυτός σχετίζεται με τον όγκο με τη σχέση: Qt = V/Rt όπου Qt είναι η χωρητικότητα. Αν λοιπόν θέλουμε να κάνουμε δοκιμές με το Rt, πρέπει να μεταβάλλουμε το Qt αφού ο όγκος είναι σταθερός 200 lt. Για να το κάνουμε αυτό μεταβάλλουμε τον χρόνο ανοίγματος της ηλεκτροβάνας. Επειδή η τροφοδοσία γίνεται με βαρύτητα πρέπει να έχουμε υπόψη ότι εξαρτάται από το ύψος του υλικού μέσα στη δεξαμενή τροφοδοσίας. Έστω ότι θέλουμε να λειτουργήσουμε την εγκατάσταση με Rt=15 μέρες, οπότε η ημερήσια χωρητικότητα είναι: Qt = 200/15 = 13,3 lt/μέρα Έστω τώρα ότι διαιρούμε το χρόνο μιας μέρας στα 5. Θα πρέπει ο χρόνος ανοίγματος της ηλεκτροβάνας να είναι: 24*60/ 5 = 288 min ή με άλλα λόγια ο πρώτος χρονομετρητής θα μπεί στις 4 h 48, που είναι ο χρόνος κλεισίματος. Το ποσό της τροφοδοσίας σε κάθε άνοιγμα της ηλεκτροβάνας θα είναι: 13,3/ 5 = 2,66 lt Δεχόμενοι ότι η δεξαμενή τροφοδοσίας είναι πλήρης, ο χρόνος ανοίγματος θα είναι ο παρακάτω, (αν δεχθούμε ότι για το ύψος που υπάρχει στη δεξαμενή υπό πλήρη φόρτιση η παροχή είναι 0,325 lt/sec): 2,66/ 0,325 8 sec που είναι ο χρόνος ανοίγματος της βαλβίδας, δηλαδή η θέση του δεύτερου χρονομετρητή. Μειούμενης της ποσότητας στη δεξαμενή πέφτει η παροχή άρα αυξάνει ο χρόνος ανοίγματος αναλογικά. Συνιστάται να αυξάνουμε το χρόνο ανοίγματος κάθε μέρα. Η συσκευή λειτουργεί σε χαμηλή πίεση, που είναι απαραίτητη για τη διατήρηση της αναεροβίωσης και για να μπορεί το παραγόμενο βιοαέριο να ρέει προς τη δεξαμενή αποθήκευσης. Η πίεση στον αντιδραστήρα ορίζεται από την βαλβίδα εκτόνωσης (6 στο διάγραμμα), στο πάνω μέρος του αντιδραστήρα. Έχει μία μεμβράνη που μπορεί να βαθμονομηθεί μέχρι πίεση 60cmH2O. Επιπλέον ο αντιδραστήρας φέρει αναλογικό 5

μανόμετρο (ΡΙ στο διάγραμμα) για την ένδειξη και μανόμετρο νερού, που στην περίπτωση υπερπίεσης ενεργεί σαν βαλβίδα ασφαλείας. Για να είμαστε σίγουροι για την ύπαρξη υπερπίεσης, η υπερχείλιση γίνεται με κατακόρυφη εκκένωση που μπορεί να οριστεί με άνοιγμα της αντίστοιχης βάνας στα 30-40-50-60 cm και δημιουργία της αντίστοιχης υπερπίεσης σε cm στήλης νερού (7 στο διάγραμμα). Η θέρμανση της ζυμούμενης μάζας γίνεται με την κυκλοφορία της μάζας μέσω μιας αντίστασης (2 στο διάγραμμα) με τη βοήθεια αντλίας (4 στο διάγραμμα). Η ικανότητα της αντλίας είναι μεταβλητή ώστε να περιορίζεται η θερμότητα την οποία δέχονται τα βακτήρια. Συνιστάται να μην υπερβαίνουμε τους 30 με 32 C. Η ισχύς του θερμαντήρα μπορεί να ρυθμίζεται από την κονσόλα ελέγχου. Ο αντιδραστήρας έχει επίσης θερμοστάτη για την ρύθμιση της θερμοκρασίας. Στην αυτόματη λειτουργία, η θερμοκρασία λειτουργίας πρέπει να προεπιλεγεί. Προφανώς η θερμοκρασία της μάζας του αντιδραστήρα μπορεί να φτάσει και χειροκίνητα στην επιθυμητή τιμή. Η αντλία εκτελεί επίσης και την λειτουργία της ομογενοποίησης της μάζας. Μπορεί να γίνεται αναρρόφηση από τον πυθμένα ή από τα πλάγια και φόρτιση από την κορυφή και από τα πλάγια. Η φόρτιση από την κορυφή χρησιμοποιείται και για να αποτρέψουμε τον σχηματισμό κρούστας στην επιφάνεια. Αυτές μπορούν να σχηματίζονται στην ελεύθερη επιφάνεια της ζυμούμενης μάζας, όταν υπάρχει άχυρο ή κατά την ζύμωση ζωικών απορριμμάτων. Η αποφυγή σχηματισμού της κρούστας είναι βασική γιατί μπορεί να περιορίσει την παραγωγή βιοαερίου και να σταματήσει όλη τη διαδικασία της ζύμωσης. Οι θερμοκρασίες της ζυμούμενης μάζας και στα κατάντι του θερμαντήρα διαβάζονται στην κονσόλα ελέγχου, μεσω επιλογικού διακόπτη. Ο έλεγχος κρούστας γίνεται με την ομογενοποίηση της ζυμούμενης μάζας και με το «σπάσιμο» της επιφάνειας με την κυκλοφορία από την κορυφή. Ιζηματοποιητής: Στα κατάντι του αντιδραστήρα υπάρχει μία διάταξη απομάκρυνσης ιζημάτων (8 στο διάγραμμα), που διαχωρίζει τη λάσπη της ζύμωσης από το υγρό. Από πάνω του υπάρχει ένας εξαεριωτής, που «σπάει» το υγρό που έρχεται από τον αντιδραστήρα και βοηθά έτσι την έκλυση του βιοαερίου. Οι λάσπες μπορούν να σταλούν στην αποχέτευση ή να ανακυκλωθούν χειροκίνητα προς τον αντιδραστήρα με την αντλία ανακυκλοφορίας μέσω των βαλβίδων. Κύκλωμα αερίου (η διακεκομμένη γραμμή στο διάγραμμα). Μετά την έξοδο από τον αντιδραστήρα το βιοαέριο ρέει μέσα από ένα στρώμα ενεργού άνθρακα, που το καθαρίζει κυρίως από θειικά προϊόντα και ειδικότερα από το υδρόθειο (10 στο διάγραμμα). Στη συνέχεια περνά μέσα από μία στήλη όπου αναγκάζεται να περάσει μέσα από νερό (12 στο διάγραμμα). Έτσι το περιεχόμενο διοξείδιο του άνθρακα απορροφάται μερικώς από το νερό. Στο πάνω μέρος το βιοαέριο εφάπτεται σε μία σερπαντίνα κρύου νερού, που προκαλεί μερική απομάκρυνση της υγρασίας. Το βιοαέριο στη συνέχεια περνά από παγίδα που περιέχει υγροσκοπικό υλικό (13 στο διάγραμμα) που απομακρύνει και την υπόλοιπη υγρασία. Στη συνέχεια ρέει μέσα από ένα ογκομετρητή (11 στο διάγραμμα) που καταμετρά την ποσότητα και αποθηκεύεται σε ατμοσφαιρική φουσκωτή δεξαμενή (15 στο διάγραμμα). Κατά μήκος 6

της σωλήνωσης του αερίου μπορούμε να παίρνουμε δείγματα σε διάφορα σημεία, να τα αναλύουμε και να βρίσκουμε τη σύσταση του βιοαερίου και τα αποτελέσματα των καθαρισμών. Δεξαμενή αποθήκευσης. Είναι από ελαστικό και αποθηκεύει το βιοαέριο υπό ατμοσφαιρική πίεση. Είναι τοποθετημένη σε φορείο για εύκολη μεταφορά μακριά από φλόγες, για λόγους ασφαλείας. Φέρει βαλβίδα ασφαλείας με αντίβαρο που επιβεβαιώνει την εκκένωση, αφού γεμίσει. Το πάνω μέρος του μπαλονιού είναι επίπεδο για να τοποθετούνται βάρη που δημιουργούν ένα πρόσθετο βάρος και βοηθούν στην εκκένωση του βιοαερίου. Πριν γεμίσει το μπαλόνι πρέπει να εκκενωθεί πλήρως ο αέρας με τη βοήθεια βαρών, για την αποφυγή σχηματισμού εκρηκτικού μίγματος εντός του. Αφού εκκενωθεί το μπαλόνι μπορεί να γεμίσει και να διατηρηθεί στη ατμοσφαιρική πίεση. Για να χρησιμοποιήσουμε το αποθηκευμένο βιοαέριο, εφαρμόζουμε τα βάρη που βοηθούν στην εκροή. Συνιστάται τα τοποθετούμενα βάρη να υπολογίζονται ώστε να μη δημιουργούν πίεση μεγαλύτερη από την πίεση του αντιδραστήρα. Αλλιώς το βιοαέριο μπορεί να κινηθεί αντίστροφα. Όργανα μέτρησης. Υπάρχει πεχάμετρο με γυάλινο ηλεκτρόδιο για τη μέτρηση του ph. Βέβαια μπορούμε να μετρήσουμε το ph σε δείγματα της δεξαμενής τροφοδοσίας ή του αντιδραστήρα. Συνιστάται οι μετρήσεις να γίνονται στο φιλτραρισμένο αέριο και στα δείγματα. Μέτρηση BOD: Υπάρχει συσκευή για τη μέτρηση του BOD (βιοχημικά απαιτούμενου οξυγόνου) που είναι μια διεθνώς αναγνωρισμένη παράμετρος για τη μέτρηση του οργανικού ρυπαντικού φορτίου. Μετρά το ποσό του οξυγόνου που απαιτείται για να διασπαστεί αερόβια όλη η υπάρχουσα οργανική ύλη με τη δράση μικροοργανισμών. 5. ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ ΤΗΣ ΠΡΩΤΗΣ ΥΛΗΣ Η εγκατάσταση αναπτύχθηκε για τη μελέτη της αναερόβιας ζύμωσης οργανικών αγροτικών καταλοίπων διατροφικού τύπου. Με τη χρήση αυτών των υποστρωμάτων, μπορεί κάποιος να παρατηρήσει τις δυνατότητες και τις δυσκολίες που σχετίζονται με τη διαχείριση μιας εγκατάστασης ζύμωσης σε πραγματική κλίμακα. Για ανάγκες επίδειξης, και για λόγους εξοικείωσης με την εγκατάσταση, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ένα έτοιμο υπόστρωμα για ζύμωση. Προφανώς το υπόστρωμα πρέπει να περιέχει την οργανική ύλη, π.χ. γλυκόζη, καθώς και τα απαραίτητα στοιχεία για την ανάπτυξη χλωρίδας βακτηρίων όπως άζωτο και φώσφορο καθώς και τα απαραίτητα μέταλλα για την ανάπτυξη ζωτικών διαδικασιών για βακτήρια. Η σύσταση της τροφής αυτής ανά lt είναι: 0,91 gr/lt (Nh4)2HPO4. 0,56 gr/lt NH4Cl. 0,08 gr/lt KCl. 0,1 gr/lt FeCl. 0,2 gr/lt MgCl2*6H2O. 0,022gr/lt AlCl3*6H2O. 0,02 gr/lt CaCl2*2H2O. 7

5*10-3 gr/lt MgSO4*H2O. 11,4*10-3 gr/lt CoCl2*6H2O. 0,2*10-3 gr/lt ZuCl2. 2*10-3 gr/lt (NH4)6*MoO24*4H2O. Το οργανικό υπόστρωμα, δηλαδή η γλυκόζη, μπορεί να κυμαίνεται από 3 έως 6% (δηλαδή 30 έως 60 gr/lt). Προφανώς βακτηριδιακή ζωή δεν μπορεί να δημιουργηθεί από το τίποτα και άρα θα πρέπει ο αντιδραστήρας να επωαστεί κατάλληλα. Αυτό μπορεί να γίνει με λάσπες από λειτουργούσες εγκαταστάσεις ζύμωσης, ή με ζωικά κατάλοιπα σε ποσοστό περίπου 10%. 8

Σχήμα 1: ΒIOMAS. Πηγή: DIDACTA ITALIA (2011). 9

6. Βιλιογραφία DIDACTA, I. (2011). RE-BIOMAS Pilot Plant for the Study of Biogas Production with Biomass, User s Manual and Exercise Guide. Torino: Didacta Italia Srl - Strada del Cascinotto, 139/30-10156. 7. Παράρτημα Σημείωμα Αναφοράς. Copyright ΤΕΙ Δυτικής Μακεδονίας, Ταουσανίδης Νίκος. «Εργαστήριο ήπιων μορφών ενέργειας». Έκδοση: 1.0. Γρεβενά 2012. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: URL. Σημείωμα Αδειοδότησης. Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο. που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο. που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο. Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. Διατήρηση Σημειωμάτων. Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς. το Σημείωμα Αδειοδότησης. τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων. το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει). 10

μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους. Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων. Το Έργο αυτό κάνει χρήση των ακόλουθων έργων: Εικόνες/Σχήματα/Διαγράμματα/Φωτογραφίες. Didacta Italia, RE-BIOMAS Pilot Plant for the Study of Biogas Production with Biomass, User s Manual and Exercise Guide, Didacta Italia Srl - Strada del Cascinotto, 139/30-10156 Torino, 2011 11