Παραγωγή Ενέργειας μέσω Αναερόβιας Χώνευσης Στερεών Αποβλήτων και Υπολειμμάτων Καθ. Γεράσιμος Λυμπεράτος Τμήμα Χημικών Μηχανικών Πανεπιστήμιο Πατρών
Τυπική σύσταση (ποσοστά κατά βάρος) οικιακών απορριμμάτων στην Ελλάδα Υπόλοιπα Λεπτά Πλαστικά Γυαλί Μέταλλα Ύφασμα Οργανικά Χαρτί
Στόχοι μεθόδων επεξεργασίας Η μείωση του όγκου των αποβλήτων που οδηγείται σε ΧΥΤΑ Η παραγωγή χρήσιμων προϊόντων Προϊόντα ανακύκλωσης ύλ (γυαλί, χαρτί, αλουμίνιο κ.ο.κ.) Εδαφοβελτιωτικό (κομπόστ) Η παραγωγή ενέργειας
Ανάκτηση ενέργειας στερεών απορριμμάτων και υπολειμμάτων Tα αστικά στερεά απορρίμματα μπορούν να αποδώσουν σημαντικά ποσά ενέργειας Η ανάκτηση αυτή μπορεί να είναι αποτέλεσμα θερμικής (καύση, αεριοποίηση, πυρόλυση) ή βιολογικής επεξεργασίας Η βιολογική μέθοδος που παράγει ενέργεια είναι κατά κύριο λόγο η αναερόβια χώνευση η οποία παράγει βιοαέριο Η μέθοδος αυτή είναι ηπιότερη μια και είναι φυσική και δεν χαρακτηρίζεται ηρζ από τις περιβαλλοντικές ρβ επιπτώσεις που είναι συνυφασμένες με τις θερμικές μεθόδους επεξεργασίας.
ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΧΩΝΕΥΣΗ Η διεργασία κατά την οποία οργανική ύλη μετατρέπεται σε CH 4 και CO 2 (βιοαέριο) με τη συνδυασμένη δράση μεικτού πληθυσμού μικροοργανισμών απουσία οξυγόνου ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ: Οργανική ύλη + νερό CH 4 + CO 2 + NH 3 + H 2 S + + νέα κύτταρα + θερμότητα Η αναερόβια αποσύνθεση του οργανικού κλάσματος παράγει Βιοαέριο, CH 4 : 30-35%, CO 2 : 65-70% C a H b O c N d +(4a-b-2c+3d)/4 H 2 O (4a+b-2c-3d)/8 CH 4 +(4a-b+2c+3d)/8 CO 2 +d NH 3
Στάδια Αναερόβιας Χώνευσης ΑΔΙΑΛΥΤΑ ΟΡΓΑΝΙΚΑ ΜΑΚΡΟΜΟΡΙΑ ΥΔΡΟΛΥΣΗ ΔΙΑΛΥΤΑ ΟΡΓΑΝΙΚΑ ΜΙΚΡΟΜΟΡΙΑ ΟΞΕΟΓΕΝΕΣΗ ΑΠΛΑ ΟΡΓΑΝΙΚΑ ΟΞΕΑ, ΑΙΘΑΝΟΛΗ ΟΞΙΚΟΓΕΝΕΣΗ CH 3 COOH, H 2, CO 2 ΜΕΘΑΝΟΓΕΝΕΣΗ ΒΙΟΑΕΡΙΟ
ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΗΝ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΧΩΝΕΥΣΗ Σύσταση οργανικής ύλης ph Θερμοκρασία Θρεπτικά ά συστατικά (N,P) Τοξικές ουσίες- παρεμποδιστές
Αναερόβια χώνευση και στερεά απόβλητα ΧΥΤΑ Βιοαντιδραστήρες (χωνευτήρες)
Γήρανση Χώρου Υγειονομικής Ταφής Ι) αρχική προσαρμογή (αερόβια) ΙΙ) μεταβατική φάση (απονιτροποίηση, αποθείωση, μεταβατική αναερόβια) ΙΙΙ)όξινη φάση (οξεογένεση, διαλυτοποίηση Fe, Zn κλπ.) ΙV) μεθανογένεση (παραγωγή μεθανίου) V) ωρίμανση (παραγωγή δύσκολα αποδομήσιμων χουμικού και φουλβικού οξέος).
H διάρκεια των φάσεων εξαρτάται από: την κατανομή οργανικών, τη διαθεσιμότητα θρεπτικών, την υγρασία (αν δεν είναι αρκετή περιορίζεται η αποδόμηση) τον βαθμό αρχικής συμπίεσης.
Η παραγωγή βιοαερίου παρουσιάζει μέγιστο σε 5-10 ρ γ γή β ρ ρ ζ μγ χρόνια ανάλογα με την υγρασία του ΧΥΤΑ
Βιοαέριο από ΧΥΤΑ H εκμετάλλευση του βιοαερίου που παράγεται κατά την υγειονομική ταφή αποτελεί μέθοδο ανάκτησης ενέργειας H μέθοδος όμως αυτή χαρακτηρίζεται ηρζ από πολύ βραδύ ρυθμό που συνήθως διαρκεί 5-10 έτη Εκτιμάται ότι στην καλύτερη περίπτωση 50% του παραγόμενου βιοαερίου χάνεται στην ατμόσφαιρα (φαινόμενο θερμοκηπίου)
Αναερόβια Χώνευση σε Βιοαντιδραστήρες H επιτάχυνση της απελευθέρωσης του βιοαερίου μπορεί να επιτευχθεί σε ειδικούς αντιδραστήρες υπό ελεγχόμενες συνθήκες Eπιπλέον, οι αντιδραστήρες αυτοί αποδίδουν το υπόλειμμα της αποσύνθεσης για περαιτέρω επεξεργασία και χρήση ως εδαφοβελτιωτικό, με αερόβια λιπασματοποίηση
Τύποι αναερόβιων συστημάτων ανάλογα με την περιεκτικότητα σε στερεά στην τροφοδοσία υγρά συστήματα (περιεκτικότητα ό έως 15-20%, τυπικά 10%) ξηρά συστήματα (περιεκτικότητα άνω του 20%, τυπικά 30%,π.χ. χ DRANCO και VALORGA, BIOCEL) Τα ξηρά συστήματα απαιτούν λιγότερη χρήση νερού, αλλά και αντιδραστήρα υψηλότερης τεχνολογίας Τα υπάρχοντα συστήματα κάθε τύπου στην Ευρώπη σήμερα, είναι περίπου ισάριθμα
Περαιτέρω κατηγοριοποιήσεις Οι αντιδραστήρες λειτουργούν είτε σε μεσοφιλικές (θερμοκρασία 33-37 ο C), είτε σε θερμοφιλικές (55-60 ο C) συνθήκες. Οι απαιτούμενοι χρόνοι παραμονής είναι μικρότεροι στα θερμοφιλικά συστήματα, το υψηλότερο ενεργειακό κόστος ωστόσο τα καθιστά μάλλον ασύμφορα. Μία άλλη διαφοροποίηση ανάμεσα στα υπάρχοντα συστήματα είναι ότι ορισμένα είναι συνεχούς λειτουργίας, ενώ άλλα λειτουργούν με αντιδραστήρες διαλείποντος έργου (π.χ. η διεργασία BIOCEL)
Μία τυπική μονάδα αποτελείται από: διαχωρισμό του οργανικού κλάσματος από τα μέταλλα, τα πλαστικά, το γυαλί αιώρηση των οργανικών σε νερό για τροφοδότηση η του βιοαντιδραστήρα (σε 10% στερεά τυπικά) αναερόβια χώνευση διήθηση ή φυγοκέντριση αναερόβιας ιλύος αερόβια σταθεροποίηση αναερόβιας ιλύος
Τυπική μονάδα αναερόβιας χώνευσης νερό Βιοαέριο 100-150κ.μ. 1000 kg διαχωρισμός αιώρηση χώνευση Προς ΧΥΤΥ Επαναφορά υγρών Διήθηση ή φυγοκέντριση 550kg ιλύς Αερόβια σταθεροποίηση Τελικό προϊόν 300kg
Στάδια Kατά την προεπεξεργασία απομακρύνονται τα μέταλλα,, το γυαλί και τα άλλα ανόργανα υλικά και εξασφαλίζεται η κατάλληλη κοκκομετρία και προστίθεται νερό για επίτευξη συγκέντρωσης στερεών 10-30%, ανάλογα με την τεχνολογία, για την τροφοδοσία του αντιδραστήρα.
Στάδια(συν.) ) Στη συνέχεια το αιώρημα οδηγείται σε αντιδραστήρα όπου χωνεύεται με χρόνο παραμονής 2-3 εβδομάδες. Tο βιοαέριο που παράγεται καίγεται προς παραγωγή θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας. H μονάδα, συνήθως ιδιοκαταναλώνει ένα ποσοστό της παραγόμενης ενέργειας. Tο υπόλειμμα του αντιδραστήρα (όπου τα πτητικά στερεά έχουν μειωθεί κατά 50-65%), αφυδατώνεται ως 60%. Tο υγρό κλάσμα χρησιμοποιείται για τη ρύθμιση της υγρασίας της τροφοδοσίας.
Στάδια (συν.) Tο συμπύκνωμα της πρέσας λιπασματοποιείται αερόβια οπότε σχηματίζεται το τελικό προϊόν (compost). Tο υλικό αυτό είναι σταθεροποιημένο και απαλλαγμένο από παθογόνους οργανισμούς. Mπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εδαφοβελτιωτικό ή ως επικαλυπτικό στην υγειονομική ταφή απορριμμάτων.
Η διεργασία Dranco στο Brecht του Βελγίου Ημερίδα 25/2/05
Η διεργασία VALORGA στο Engelkirchen της Γερμανίας
Μονάδα Τύπος Δυναμικό τητα (Τόνοι/y) Παραγόμενο Βιοαέριο (m 3 /ton) Ποσοστό στερεών στα απορρίμματα % σε πτητικά Χρόνος παραμο νής (d) Ποσοστό μεθανίου Παραγωγή ενέργειας (kwh/ ton) Brecht, BE DRA NCO 20000 40 55 15.3 103 55 165 Saltzburg, AU DRA NCO 20000 31 70? 135? 220 Bassum, GE DRA NCO 13500 57 51? 147? 245 Amiens, VALO 85000 60 63-65 18-22 145 55 566 (steam)- FR RGA eq.198 elect.en Tilburg, NL VALO RGA 52000 45 45-50 20 92-110 55 152 Engelskirchen GE VALO RGA 35000 36 65 25 126 52 235
Lelystad, NL BIOCEL 50000 2-10 70 (est.) Arnhem, BIOCEL 35000 22 100 55 165 NL Kahlenberg GE BIOPER COLAT 500 50 (est.) 55 4 84 70 design BIOPER COLAT 50000 4 75 65-70 Vaasa, FI Minami Ashigara Japan Waasa 60000 10-15 100-150 60-70 Waasa 145 60 Verona, Semi-dry 15500 IT 0 Ave.12 facilities KOMPO GAS 74 75 13 62 84 (est.) 60-65 113 (est.) 20000 15-20 146 60 191 Zurich SW KOMPO GAS 5000 15-20 95 55-60 110
Συνοπτικά Για σύμμεικτα απορρίμματα το δυναμικό παραγωγής μεθανίου είναι 0,19 m 3 /kgvs Τυπικά παράγονται (ανά τόνο απορρίμματος) 100-200 m 3 βιοαερίου, ανάλογα με τη σύσταση των απορριμμάτων με περιεκτικότητα σε μεθάνιο 55-70% και 200-300 kg compost Η αναερόβια χώνευση τυπικά απαιτεί το 20-40% της παραγόμενης ενέργειας Με μέση θερμιδική αξία 5,5 kwh/m 3, η καθαρή παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι τυπικά 100-250 kwh/ton
Οικονομικά στοιχεία Το πάγιο κόστος μιας τέτοιας μονάδας 50.000000 τόνων/y το 2005 ήταν 13.000.000 $ Σημειωτέο ότι το πάγιο κόστος μειώθηκε από 840 $/t/y το 1992 σε 260 $/t/y το 2000 Η μονάδα στο Tilburg (τεχνολογία VALORGA, μεσοφιλικό) στοίχισε περίπου 13 εκ. Ευρώ. Αποδίδει 5 Ευρώ/τόνο από πωλήσεις ηλεκτρικής ενέργειας και το καθαρό κόστος ανέρχεται σε 50 Ευρώ/τόνο To εργοστάσιο στο Arnhem (τεχνολογία BIOCEL, batch μεσοφιλικό), στοίχισε 6,4 εκ. Ευρώ. Αποδίδει 4.3 Ευρώ/τόνο.
A. Karagiannidis, G. Perkoulidis / Bioresource Technology 100 (2009) 2355 2360
Τάση για ΑΧ συμμείκτων Πρόσφατα η ΑΧ εφαρμόζεται όλο και περισσότερο για γκρι ή σύμμεικτα απορρίμματα Προ δεκαετίας το 85% των εργοστασίων ήταν για βιοαποδομήσιμα μ απόβλητα βη μόνο (biowaste) και μόνο 15% για σύμμεικτα Κατά το τέλος 2004 η συνολική δυναμικότητα στην Ευρώπη ήταν 1,285,000 τόνοι ετησίως για επεξεργασία συμμείκτων και 1,270,000 τόνοι ετησίως για βιοαποδομήσιμα
Συμπεράσματα Η αναερόβια χώνευση αποτελεί μία ήπια και πολλά υποσχόμενη μέθοδο βιολογικής επεξεργασίας αστικών αποβλήτων, η οποία παράγει ενέργεια και κομπόστ Τα οικονομικά δεδομένα της τεχνολογίας βλ βελτιώνονται ραγδαία