ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ιατµηµατικό Πρόγραµµα Μεταπτυχιακών Σπουδών "ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ" Εργασία στην Βιοµάζα Αναστάσιος Κατσιφώτης
Δεδομένα Άξονας εργασίας Παρακάτω παρουσιάζεται ο άξονας της εργασίας. Φαίνεται η πρώτη ύλη, η διεργασία αξιοποίησης της και τέλος το επιθυμητό αποτέλεσμα. Άχυρα σιτηρών Θερμοχημική μετατροπή Μέγιστο κοινωνικό όφελος Άχυρα Σιτηρών Γενικά Στοιχεία Η καλλιέργεια των σιτηρών απαιτεί την προετοιμασία του εδάφους, η οποία πραγματοποιείται από το Σεπτέμβριο και όταν εμφανίζονται οι πρώτες βροχές και επιτρέπεται η διέλευση των γεωργικών μηχανημάτων. Οι υψηλές θερμοκρασίες των θερινών μηνών και η απουσία βροχοπτώσεων είναι υπεύθυνες για την πολύ συνεκτική επιφάνεια του εδάφους, κάτι που εμποδίζει τη σπορά εάν το έδαφος δεν έχει προετοιμαστεί κατάλληλα. Η αρχική φάση οργώματος μπορεί να πραγματοποιηθεί το Σεπτέμβριο, αλλά και κατά τη διάρκεια του Οκτωβρίου ή του Νοεμβρίου, ανάλογα με τα κλιματικές συνθήκες του έτους. Κανονικά η σπορά πραγματοποιείται από τη δεύτερη εβδομάδα του Νοεμβρίου και μετά, με τη βοήθεια ενός μηχανικού σπορέα και κυλίνδρου για να καλύψει τους σπόρους. Η απευθείας σπορά δεν εφαρμόζεται. Η συγκομιδή πραγματοποιείται από την τρίτη εβδομάδα του Ιουνίου και μετά, αλλά μπορεί να πραγματοποιηθεί νωρίτερα εάν οι σπάδικες των σιτηρών είναι ξηρές. Οι βροχοπτώσεις σταματούν από τα τέλη Μαΐου μέχρι τις αρχές Ιουνίου. Τα πλέον καλλιεργούμενα είδη σιτηρών είναι το σκληρό και μαλακό σιτάρι. Μια καλή συγκομιδή είναι κατά μέσο όρο 2000 κιλά στο εκτάριο, ενώ μια κακή λιγότερο από 1000 κιλά στο εκτάριο Κατανομή σιτηρών στον Ελλαδικό χώρο Εικόνα 1 : καλλιέργεια του σκληρού σιταριού Εικόνα 2 : Καλλιέργεια µαλακού σιταριού
Στους δύο παραπάνω χάρτες του υπουργείου αγροτικής ανάπτυξης φαίνεται η κατανομή των σιτηρών στον Ελλαδικό χώρο. Από τα παραπάνω φαίνεται πως η μεγαλύτερη παραγωγή σιτηρών στον Ελλαδικό χώρο βρίσκεται στο γεωγραφικό διαμέρισμα της Μακεδονίας. Συνεπώς μία μονάδα δραστηριότητα εκμετάλλευσης των αγροτικών παραπροϊόντων σιτηρών, έχει νόημα να τοποθετηθεί στην ευρύτερη περιοχή της Μακεδονίας. Στην συνέχεια της εργασίας θα προσδιοριστεί με μεγαλύτερη ακρίβεια η θέση. Σύμφωνα με στοιχεία του υπουργείου αγροτικής ανάπτυξης και τροφίμων η μέση ετήσια παραγωγή από το 2000 μαλακού σιταριού ανέρχεται σε 430.000 τόνους. Αντίστοιχα η μέση παραγωγή του σκληρού σιταριού είναι 1.613.000 τόνοι. Περίπου το 40 % αυτών παράγεται όπως φαίνεται ποιοτικά και στις εικόνες στην Μακεδονία. Ένα μικρό ποσοστό του άχυρου γύρω στους 40.000 τόνους οδεύει για κτηνοτροφική χρήση ενώ μεγάλες ποσότητες καίγονται δημιουργώντας ποικίλα προβλήματα περιβαλλοντικής ρύπανσης. Συνεπώς από τους υπολογισμούς για την περίπτωση αξιοποίησης των αγροτικών αυτών υπολειμμάτων θα αφαιρέσουμε τους 40.000 τόνους που προορίζονται για κτηνοτροφική χρήση, έτσι ώστε να μην δημιουργηθεί πρόβλημα σε κάποιον άλλον τομέα της ανάπτυξης καθώς βασικός άξονας της εργασίας είναι το κοινωνικό όφελος. Στο μαλακό σιτάρι το άχυρο είναι το 0,55 του βάρους του σιταριού ενώ στο σκληρό σιτάρι είναι το 0,50. Σύμφωνα με τα παραπάνω στοιχεία είναι 806.500 τόνοι άχυρα από το σκληρό σιτάρι και 236.500 τόνοι άχυρα προερχόμενα από το μαλακό σιτάρι. Συνολικά δηλαδή έχουμε 1.043.000 τόνους άχυρου. Αφαιρώντας αυτούς που προορίζονται για ζωοτροφές έχουμε σαν αγροτικά υπολείμματα του σιταριού 1.003.000 τόνους άχυρου. Ένα ποσοστό επίσης του άχυρου παραμένει στην γη σαν λίπασμα. Περίπου το 40% της συνολικής παραγωγής βρίσκεται στην περιοχή της Μακεδονίας, συνεπώς το ποσό των άχυρων που είναι διαθέσιμα στην περιοχή της Μακεδονίας που θα δραστηριοποιηθεί η εγκατάστασή μας είναι περίπου 401.200 τόνοι. Από αυτήν την ποσότητα ένα ποσοστό θα χρησιμοποιηθεί από την μονάδα μας. Θερμοχημική μετατροπή Η θερμοχημική μετατροπή της βιομάζας οδηγεί είτε στην απ ευθείας παραγωγή ενέργειας (καύση), είτε στην παραγωγή καυσίμου, το οποίο στη συνέχεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί αυτόνομα. Θερμοχημικές μετατροπές είναι η καύση, η πυρόλυση και η αεριοποίηση. Η πυρόλυση έχει σαν προϊόντα βιοέλαιο, χημικά και ξυλάνθρακα. Με αεριοποίηση έχουμε παραγωγή αέριου καυσίμου. Για την αξιοποίηση του άχυρου επιλέγουμε την καύση του. Η καύση δεν θα γίνει στο προϊόν σε ακατέργαστη μορφή αλλα σε αυτή των pellets προκειμένου να έχουμε κάποια πλεονεκτήματα όπως εύκολη αποθήκευση, μεταφορά, βελτιωμένη ενεργειακή πυκνότητα και ενεργειακή ομοιομορφία που δίνει καλό έλεγχο της καύσης.
Ως πρώτες ύλες για pellets συνήθως χρησιμοποιούνται ξυλώδη ακατέργαστα προϊόντα. Όμως η έλλειψη υπολειμμάτων τέτοιου τύπου και η αφθονία υπολειμμάτων αγροτικής προέλευσης οδηγούν στην τάση για pellets με πρώτη ύλη το άχυρο. Όσον αφορά την παραγωγή το άχυρο μπορεί να έρθει στην μορφή μπρικέτας χωρίς ιδιαίτερη δυσκολία. Επίσης η ενέργεια που απαιτείται για να έρθει σε αυτή την μορφή είναι μικρότερη από αυτή που απαιτεί το ξύλο επειδή το άχυρο έχει μικρότερη υγρασία (<20%). Βασική διαφορά μεταξύ των agri-pellets (από άχυρα κυρίως) και αυτών από ξύλο είναι το μικρότερο ενεργειακό περιεχόμενο τους. Ένα ακόμα μειονέκτημα τους είναι οι αυξημένες εκπομπές που παρουσιάζουν κατά την καύση, κάτι που με την σωστή τεχνολογία στους αντίστοιχους καυστήρες μπορεί να αντιμετωπιστεί. Επίσης πρέπει να αναφερθεί ότι η αγορά μικρής ισχύος συσκευών για καύση μπρικετών άχυρου είναι ιδιαίτερα περιορισμένη. Διαδικασία από τον αγρό στο εργοστάσιο επεξεργασίας Η διαδικασία για την μεταφορά του άχυρου από τον αγρό στο εργοστάσιο επεξεργασίας χωρίζεται σε δύο στάδια. Αρχικά ο αγρότης κόβει και μαζεύει τα άχυρα συνδυάζοντας στοίβες μέχρι να φτιάξει μεγάλου μεγέθους 500kg τετραγωνικού ή κυλινδρικού σχήματος στοίβες. Τέλος τις συγκεντρώνει σε κάποιο προκαθορισμένο σημείο συλλογής. Σε δεύτερη φάση ο ιδιοκτήτης του εργοστασίου συλλέγει με κάποιο φορτηγό τις στοίβες από το σημείο συλλογής και τις οδηγεί στις αποθήκες του. Κατ αυτόν τον τρόπο το εργοστάσιο και ο αγρότης έχουν ίδιο μερίδιο κόστους στην προμήθεια της βιομάζας. Μετά την επεξεργασία του προϊόντος, αποθηκεύεται σε διαφορετικό,κλιματιζόμενο χώρο για διατήρηση των ιδιοτήτων του. Σύντομη περιγραφή διαδικασίας μπρικετοποίησης. Το ακατέργαστο αγροτικό υπόλειμμα αρχικά διαχωρίζεται από όποια ξένα υλικά έχουν εισχωρήσει σε αυτό. Στην συνέχεια το καθαρισμένο ακατέργαστο υλικό τρίβεται (κόβεται σε μικρά τμήματα). Επόμενο στάδιο αν απαιτείται είναι η ξήρανση του προϊόντος σε ποσοστό υγρασίας περίπου 10% (το άχυρο έχει μικρό ποσοστό υγρασίας). Μετά, το υλικό, αν απαιτείται, προετοιμάζεται με προσθήκη ουσιών και τέλος πάει σε έναν μύλο όπου πρεσάρεται και κόβεται στο επιθυμητό μήκος. Καθώς εξέρχονται τα pellets έχουν υψηλή θερμοκρασία (90-100 C) και ψύχονται άμεσα με αέρα στην θερμοκρασία των 25 C. Αυτή η διαδικασία βοηθάει στην σκλήρυνση του τελικού προϊόντος και συμβάλει στην διατήρηση της ποιότητας του κατά την αποθήκευση και χρήση.
Γενικά χαρακτηριστικά μπρικετών άχυρου και ξύλου και αντίστοιχες ακατέργαστες πρώτες ύλες Πυκνότητα (kg/m3) Υγρασία (% w.b.) LHV (MJ/kg) Τέφρα (% d.m.) Ενεργειακή πυκνότητα (GJ/m3) Άχυρο (τεμαχισμένο) 50 10-20% 14.5 5 0.7 Άχυρο (μεγάλα δέματα) Μπρικέτες άχυρου Τεμαχισμένο ξύλο 130 10-18% 14.5 5 1.9 600 <10% 15.0 5 9 250 10-50% 11-17 0.5 4.3 Πριονίδια 200 20-50% 12-17 0.5 3.4 Μπρικέτες ξύλου 650 <10% 17.5 0.5 11.4 Άνθρακας 850 10-15% 24 12 20.4 LHV ( κατώτερη θερμογόνος ικανότητα) Απαιτήσεις Ενέργειας για δημιουργία Pellets Σύμφωνα με στοιχεία κατασκευαστών μια γραμμή παραγωγής pellets σε τυπική μορφή έχει ισχύ 600 800 kw για πρώτη ύλη άχυρο, από τα οποία περίπου τα 250 kw προορίζονται για τον μύλο που θα πρεσάρει τις μπρικέτες και έχει έξοδο περίπου 5 t/h. Σύγκριση κατανάλωσης ενέργειας για μπρικετοποίηση άχυρου και ξύλου Κατανάλωση ενέργειας kwh/t Πριονίδια Τεμαχισμένο Ξύλο Άχυρο Τεμαχισμός - Κοσκίνισμα 10-20 10-40 10-30 Ξήρανση 0-400 0-400 0 Χήμικη επεξεργασία (Conditioning) 0-10 0-10 0-10 Άλεσμα 30-60 30-60 30-60 Ψύξη - Επαναφορά θερμοκρασίας 5 5 5 Πρόσθετος εξοπλισμος 10-20 10-20 10-20 Σύνολο 55-515 55-535 55-125
Το κόστος παραγωγής pellets από άχυρα είναι παρόμοιο με αυτό παραγωγής τους από δασικά υπολείματα. Παρότι το κόστος παραγωγής μπρικετών είναι υψηλό τα πλεονεκτήματα τους καθιστούν κατάλληλη την επιλογή αυτής της προεργασίας του καυσίμου. Επιπρόσθετα το κόστος των ορυκτών καυσίμων αναμένεται να ανέβει τα επόμενα χρόνια καθιστώντας την αξιοποίηση του άχυρου με αυτό τον τρόπο πιο λογική. Τεχνολογία Στοιχεία παραγωγής Τα μηχανήματα που θα χρησιμοποιηθούν για δημιουργία μπρικετών από άχυρο προμηθεύονται από λίγες εταιρίες. Μερικές από αυτές είναι οι παρακάτω: Bühler GmbH, Germany DONG Energy, CPM (California Pellet Mill), USA, Sprout Matador, Denmark, Amandus Kahl, Germany, Moretti Macchine, Italy, C.F. Nielsens Maskinfabrik, Denmark, Salmatec, Germany Σύμφωνα με την τεχνολογία που παρέχουν αυτές οι εταιρίες στην αγορά παρουσιάζονται παρακάτω τα στοιχεία μηχανήματα που πρέπει να έχει μία τέτοια εγκατάσταση. 1. Αρχικά απαιτείται ένας ταινιόδρομος για την μεταφορά των δεμάτων άχυρου που θα εφοδιάζει τον τεμαχιστή. 2. Μετά ο «τεμαχιστής» διαλύει τα δέματα άχυρου για να οδηγηθούν στον μύλο. 3. Ο μύλος τεμαχίζει το άχυρο σε μικρά κομμάτια. Το αλεσμένο άχυρο στην συνέχεια με την βοήθεια ροής αέρα οδηγείται σε κυκλώνα δεξαμενή.
4. Στον κυκλώνα με την χρήση αέρα καθαρίζεται η πρώτη ύλη και πλέον είναι έτοιμη για την κλασική διαδικασία μπρικετοποίησης. 5. Στην συνέχεια ένα μύλος μπρικετοποίησης δίνει με υψηλή πίεση στην μπρικέτες την τελική μορφή 6. Τέλος οδηγούνται στο στάδιο που συσκευάζονται ανάλογα με την χρήση που προορίζονται Στοιχεία Μονάδας Η μονάδα που επιλέξαμε έχει output 3,5 5 tons/hour. Συνεπώς κατά την διάρκεια του έτους θεωρώντας ότι από τις 8760 ώρες του χρόνου δουλεύει το 60% του χρόνου με μέση παραγωγικότητα 4 τόνους/ώρα έχουμε ετήσια παραγωγή μπρικετών αχύρου 21.024 t/y με θερμική ικανότητα LHV 15MJ/kg. Επίσης θεωρούμε πως το άχυρο εισέρχεται στην μονάδα με μέση υγρασία 15% ενώ κατά την έξοδό του σε μορφή μπρικέτας έχει υγρασία 10% w.b. Η ποσότητα που παίρνουμε για την παραγωγή μπρικετών αντιστοιχεί στο 5% περίπου του παραγόμενου άχυρου της Μακεδονίας. Συνεπώς αντιδράσεις κτηνοτρόφων, γεωργών κτλ δεν θα βρουν βάση καθώς το ποσοστό που δεσμεύεται από τα άχυρα είναι μικρό και δεν διαταράσσει καθόλου της προηγούμενες δραστηριότητές τους. Προς το παρόν δεν έχει διαμορφωθεί τιμή πώλησης του άχυρου (στην Ελλάδα τουλάχιστον) καθώς δεν υπάρχει αγορά ακόμα για ενεργειακή αξιοποίηση του άχυρου. Το κόστος διεργασιών για μπρικετοποίηση ξύλου είναι παρόμοιο με αυτό του άχυρου, και έχει υπολογιστεί στα 52 81 /τόνο όταν το ακατέργαστο υλικό δεν περιέχει πολύ υγρασία. Επιπρόσθετα οι τιμές του άχυρου σε κάποιες χώρες έχει διαμορφωθεί στα 25 35 /τόνο (Γαλλία), όμως αυτό είναι κάτι που αναμένεται να συναντήσει μεγάλες μεταβολές. Απόδοση Καυστήρων Μπρικετών Συσκευές που μπορούν να κάψουν μπρικέτες για τις εφαρμογές που προτείνουμε είναι ενεργειακά τζάκια με απόδοση 80 90% ή καυστήρες μικρού και μεσαίου μεγέθους. Γενικά οι μικρές μονάδες έχουν υψηλότερες εκπομπές καυσαερίων από τις αντίστοιχες μεγάλης κλίμακας μονάδες που μπορεί να διαθέτουν καλύτερα συστήματα καύσης, καταλύτες ή φίλτρα μείωσης εκπομπών.
Κόστος Επένδυσης Τα παρακάτω στοιχεία που παραθέτω για το κόστος επένδυσης προέρχονται από μία παρόμοια μελέτη εγκατάστασης (Straw pelleting process) ώστε να δοθεί μια τάξη μεγέθους του κόστους. Investment Costs Straw Pelletising Plant Technical Equipment Euro Pelletising equipment 3,5-5 tons / hour 1800000 Buildings and Infrastructure 850000 Land Purchase 540000 Land purchase 36 /m2 Land development 9 /m2 Transport and Logistics 228000 Pellets transporting vehicle (1 truck) VOLVO FH400-400hp 108000 1 Loader VOLVO L70-2m3-140 KW 120000 Project Development 300000 Total investment in 2009 3718000 Investment Reserve 10,00% 371800 Coverage of liqudity shortage first years 25,00% 1137400 Total investment demand 5227200 Τοποθεσία μονάδας παραγωγής μπρικετών Η μονάδα παραγωγής των pellets, ακολουθώντας την κατανομή των σιτηρών στον Ελλαδικό χώρο θα τοποθετηθεί στο γεωγραφικό διαμέρισμα της Μακεδονίας στο σύνορο των νομών Θεσσαλονίκης και Κιλκίς. Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα της τοποθεσίας αυτής είναι η διαθεσιμότητα της πρώτης ύλης αλλά και η επικοινωνία της με κεντρικούς οδικούς άξονες. Aν τοποθετηθεί επί του δρόμου Θεσσαλονίκης Κιλκίς θα βρίσκεται κοντά στην Εγνατία οδό (περίπου 7 9km) και κοντά στον δρόμο Θεσσαλονίκης Σερρών ( 5 6km) διευκολύνοντας έτσι την τροφοδοσία με πρώτη ύλη, αλλά και την διακίνηση του τελικού προϊόντος στις αγορές. Το όφελος από την επιλογή της θέσης έχει αντίκτυπο στο κόστος μεταφοράς στον θόρυβο και την όχληση από ύπαρξη μεγάλων οχημάτων σε μικρούς δρόμους καθώς επίσης και στους εκπεμπόμενους ρύπους από αυτά. Κοινωνικό όφελος Σκοπός της εργασίας αυτής είναι να εξεταστεί η αξιοποίηση του αχύρου ως αγροτικό παραπροϊόν υπο το πρίσμα του μέγιστου κοινωνικού οφέλους. Για την επίτευξη αυτού επιλέγουμε την διάθεση πώληση του τελικού προϊόντος σε μονάδες καύσης του που θα τοποθετηθούν στα σχολεία της περιοχής, έτσι ώστε να καλύψουν τις θερμικές τους ανάγκες. Το όφελος από μία τέτοια κίνηση θα έχει διπλό χαρακτήρα αφού πέρα από την κάλυψη των ενεργειακών απαιτήσεων των δημόσιων αυτών κτηρίων με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας θα είναι και μια κίνηση διαπαιδαγώγησης μαθητών και των αγροτών σε έναν πιο πράσινο τρόπο σκέψης, και εξοικείωση τους με σύγχρονες λύσεις αξιοποίησης της ενέργειας.
Εάν ποσό καύσιμης ύλης δεν διατεθεί στα σχολεία υπάρχει δυνατότητα διάθεσής του για θέρμανση θερμοκηπίων ή για οικιακή χρήση σε καυστήρες ή ενεργειακά τζάκια. Η αγορά που θα ανοίξει σε αυτή την περίπτωση θα δημιουργήσει ένα μεγάλο κύκλο θέσεων εργασίας είτε άμεσα είτε έμμεσα, αφού θα αρχίσει η διάθεση ενεργειακών τζακιών, καυστήρων για οικιακή χρήση και σημεία διάθεσης και διακίνησης του νέου καυσίμου. Επίσης μία τέτοια εγκατάσταση θα δημιουργήσει θέσεις εργασίας των ανθρώπων που θα εργαστούν σε αυτή και θα ενισχύσει το εισόδημα των αγροτών που επωφελούνται από τα προηγουμένως αδιάθετα άχυρα που τώρα πωλούνται. Τέλος κοινωνικό όφελος μπορούμε να θεωρήσουμε και την μείωση εκπομπών CO 2 από την αντικατάσταση των καυστήρων συμβατικών καυσίμων με αντίστοιχους εναλλακτικών. Τέλος να αναφέρουμε πως θα πρέπει να εξασφαλιστούν οι κτηνοτρόφοι που χρησιμοποιούν άχυρο για ζωοτροφές έτσι ώστε να μην μεταβληθούν οι τιμές στον κλάδο τους (ίσως ξεχωριστή τιμολόγηση αν απαιτείται).
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Κ.Ι. Ισραηλίδης, «Αξιοποίηση Στερεών Οργανικών Αγροτοβιοµηχανικών Αποβλήτων», Ιστιτολυτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων 2. Κίττας Κ., Γιαγλάρας, Π., Κούτρα Α. «ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΩΝ ΜΕ ΒΙΟΜΑΖΑ ΣΤΗ ΜΑΓΝΗΣΙΑ»,Πανεπιστήµιο Θεσσαλίας, Τµήµα Γεωπονίας, Φυτικής και Ζωικής Παραγωγής Εργαστήριο Γεωργικών Κατασκευών και Ελέγχου Περιβάλλοντος.. 3. Ε. Παπάζογλου, Σ. Κυρίτσης «ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΑ ΟΦΕΛΗ ΑΠΟ ΤΗ ΙΑΘΕΣΗ ΤΩΝ ΓΕΩΡΓΙΚΩΝ ΥΠΟΛΕΙΜΜΑΤΩΝ ΤΗΣ ΕΛΛΑ ΑΣ ΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ», Γεωπονικό Πανεπιστήµιο Αθηνών 4. Energy From Biomass Volume 5: Straw, Poultry Litter And Energy Crops as Energy Sources / ETSU BM?04/00056/REP/3/ 1999 5. O. Pastre Analysis of the technical obstacles related to the production and utilisation of fuel pellets made from agricultural residues, Pellets for Europe ALTENER 2002 012 137 160 6. S. Voulgaraki, A. Balafoutis, G. Papadakis Feasibility Study fot a Mixed Biomass Pellets Manufacturing Plant in Greece, Agricultural University of Athens 7. http://www.managenergy.net/ 8. http://www.cres.gr/kape/index_gr.htm 9. http://www.minagric.gr/greek/index.shtml 10. http://en.wikipedia.org/wiki/straw 11. http://www.pelletcentre.info/cms/site.aspx?p=878 12. http://www.energytraining4europe.org/greek/training/guide_res/biomass_13.h tm