Διαχείριση κτηνοτροφικών αποβλήτων με αναερόβια χώνευση

Ενεργειακό Γραφείο Κυπρίων Πολιτών Ημερίδα LIVEWASTE, ΤΕΠΑΚ, 7 10 2014 Διαχείριση κτηνοτροφικών αποβλήτων με αναερόβια χώνευση Ανθή Χαραλάμπους Χημικός Μηχανικός, ΕΜΠ MSc στην Περιβαλλοντική Μηχανική ΜΒΑ Διοίκηση Επιχειρήσεων Pg.Dip στις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας και Διαχείριση Ενέργειας 1

Ορισμοί Οδηγία 2009/28/ΕΚ σχετικά με την προώθηση της χρήσης ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές «βιομάζα»: το βιοαποικοδομήσιμο κλάσμα προϊόντων, αποβλήτων και καταλοίπων βιολογικής προέλευσης από τη γεωργία (συμπεριλαμβανομένων των φυτικών και των ζωικών ουσιών), τη δασοκομία και τους συναφείς κλάδους, συμπεριλαμβανομένης της αλιείας και της υδατοκαλλιέργειας, καθώς και το βιοαποικοδομήσιμο κλάσμα των βιομηχανικών αποβλήτων και των οικιακών απορριμμάτων «βιορευστά»: υγρά καύσιμα για ενεργειακούς σκοπούς, εκτός από κίνηση, συμπεριλαμβανομένης της ηλεκτρικής ενέργειας και της θέρμανσης και της ψύξης, τα οποία παράγονται από βιομάζα «βιοκαύσιμα»: υγρά ή αέρια καύσιμα κίνησης τα οποία παράγονται από βιομάζα 2

Βιομάζα Βιομάζα είναι η ύλη που έχει βιολογική προέλευση. Πρακτικά, στον όρο βιομάζα εμπεριέχεται οποιοδήποτε υλικό προέρχεται άμεσα ή έμμεσα από το φυτικό κόσμο. Οι φυτικές ύλες που προέρχονται από φυσικά οικοσυστήματα αυτοφυή φυτά και δάση Τα υποπροϊόντα και κατάλοιπα της φυτικής, ζωικής, δασικής και αλιευτικής παραγωγής, π.χ. άχυρα, στελέχη αραβόσιτου, στελέχη βαμβακιάς, κλαδοδέματα, κλαδιά δένδρων, φύκη, κτηνοτροφικά απόβλητα, οι κληματίδες κ.ά. Τα υποπροϊόντα που προέρχονται από τη μεταποίηση ή επεξεργασία των υλικών αυτών π.χ. τα ελαιοπυρηνόξυλα, υπολείμματα εκκοκκισμού βαμβακιού, το πριονίδι κ.ά. Οι ενεργειακές καλλιέργειες (έτσι ονομάζονται τα φυτά που καλλιεργούνται ειδικά με σκοπό την παραγωγή βιομάζας για παραγωγή ενέργειας) π.χ. το σόργο το σακχαρούχο, το καλάμι, ο ευκάλυπτος κ.ά. το βιολογικής προέλευσης μέρος των αστικών λυμάτων και σκουπιδιών. 3

Κατηγορίες εγκαταστάσεων που εμπίπτουν στον Ν56(Ι)/2003 περί ολοκληρωμένης πρόληψης της ρύπανσης 2008/1/ΕΚ 4

Μέσος Όρος Χαρακτηριστικών Κτηνοτροφικών Αποβλήτων kg/day Παράμετρος Χοίροι βοοειδή Πουλερικά (Κότες) Οργανικά Υλικά (Organic Matter) 0,448 0,755 0,026 Αιωρούμενα Υλικά (Suspended Matter) 0,470 0,728 0,029 COD 0,726 1,259 0,047 BOD 5 0,191 0,180 0,012 Ολικό Άζωτο 0,041 0,036 0,002 Αζωτο Αμμωνιακών 0,022 0,011 0,002 Φωσφόρος 0,014 0,011 0,001 Νάτριο 0,016 0,036 0,001 5

Τοξικές ουσίες Θα πρέπει τα απόβλητα να είναι απαλλαγμένα από οποιεσδήποτε τοξικές ουσίες μιας και σκοτώνουν τα βακτήρια Ουσίες όπως τα αντιβιοτικά των ζώων, καθαριστικά και άλλα φάρμακα επηρεάζουν την αναερόβια διαδικασία Χοιροστάσια Βουστάσια Πτηνοτροφεία (κότες) Ανεπιθύμητες ουσίες Αχυροστρωμνή, τρίχες Τρίχες στρωμνή, ΝΗ4+ ΝΗ4+, άμμος, φτερά Ανασταλτικές ουσίες Αντιβιοτικά, απολυμαντικά Αντιβιοτικά, απολυμαντικά Αντιβιοτικά, απολυμαντικά Συχνά προβλήματα Αφρισμός, ιζήματα Χαμηλή μετατροπή σε βιοαέριο Πρόβλημα με αμμωνία, αφρισμός 6

Παραλαβή της πρώτης ύλης Αποθήκευση και βελτίωση της πρώτης ύλης Σύστημα τροφοδοσίας Χωνευτές (είδη, θέρμανση της πρώτης ύλης, κλπ.) Τεχνολογίες ανάδευσης Αποθήκευση και καθαρισμός του βιοαερίου Αποθήκευση του χωνεμένου υπολείμματος Κεντρικός έλεγχος

Σταθμοί αναερόβιας επεξεργασίας Source: A Biogas Roadmap for Europe, AEBIOM, 2009 8

Παραγωγή βιοαερίου: διάγραμμα ροής Απόβλητα κτηνοτροφίας και καλλιέργειας φυτών Μηχανικός ή υδραυλικός αναδευτήρας ιαχωριστής συμπυκνώματος & φίλτρο Παραγόμενο αέριο: περίπου 1,5 μ³/(ισοδύναμη μονάδα πρώτης ύλης ανά ημέρα) Αποθήκευση αερίου Θέρμανση Θέρμανση νερού επεξεργασίας Κύριο δοχείο Θέρμανση μονάδα χώνευσης 35 ή 55 C Χωνευμένο βιολογικό λίπασμα Ξήρανση Παραγωγή ενέργειας και ηλεκτρικού Φωτισμός ρεύματος Μετατροπή Αντλία και ενδεχομένως τεμαχιστής Θέρμανση Μόνωση 9

Ροές βιοαερίου Καθαρισμός ιλύος Χωνευτήριο Ξηρά δεξαμενή ιλύος Συμπιεστής αερίου Θερμότητα από μονάδα συνδυασμένης παραγωγής Στερεά απόβλητα Γεωργικές χρήσεις Δοχείο αερίου Μονάδα Ηλεκτρική ενέργεια για ίδια κατανάλωση και τροφοδοσία δικτύου 1 0

Επισκόπηση: στοιχεία μίας μονάδας βιοαερίου Δευτερεύων αντιδραστήρας AX Κύριος αντιδραστήρας AX Δεξαμενή αποθήκευσης χωνευμένου υπολείμματος Αντλιοστάσιο Μονάδα ελέγχου Σιλό ημέρας, σύστημα τροφοδοσίας Δοχείο συνδυασμένης παραγωγής: κινητήρας αερίου, γεννήτρια, εναλλάκτες θερμότητας Μετασχηματιστής, σύνδεση με το δίκτυο 1 1

Αποθήκευση στερεών υλικών: συστήματα σιλό Κενό σιλό ιαγώνια φράγματα.. Αποστράγγιση υδάτων.διευκολύνει σημαντικά την πλήρωση, τη συμπίεση, την παραλαβή 1 2

Κάλυψη σιλό Κάλυμμα Τοίχωμα Κενό σιλό Στερέωση καλύμματος στην κορυφή των τοιχωμάτων Μετωπική όψη της πρώτης ύλης ιαγώνια φράγματα.. 1 3

Σύστημα τροφοδοσίας Πλήρωση με πρώτη ύλη μία φορά την ημέρα Αυτόματη τροφοδοσία της πρώτης ύλης στον αντιδραστήρα αναερόβιας χώνευσης 14

Ενέργεια από βιοαέριο

Αναμείκτης βιομάζας Συσκευή για την ανάμειξη της βιομάζας στη δεξαμενή αναερόβιας χώνευσης 16

Αναδευτήρες 17

Σχέδιο αναδευτήρα 18

Εξοπλισμός για την ανάμειξη στον αναερόβιο χωνευτή Μηχανικός αναδευτήρας Κυκλοφορητής Εξαναγκασμένη ροή αερίου Έλεγχος βαλβίδων 19

Αντιδραστήρας Αναερόβιας Χώνευσης: αρχή του διαχωρισμού φάσεων Αφαίρεση αερίου Αφαίρεση υποστρώματος Τροφοδοσία Υποστρώματος Τροφοδοσία Στάδιο 1 Σχηματισμός οξέων Στάδιο 3 Σχηματισμός μεθανίου Στάδιο 2 Σχηματισμός οξικού οξέος 20

Μικροβιολογία της διεργασίας Η διεργασία διακρίνεται σε τρία στάδια. Στο πρώτο στάδιο το οργανικό υπόστρωμα υφίσταται υδρόλυση προς εύχρηστα μόρια ποικίλου μοριακού βάρους. Στο δεύτερο στάδιο με τη βοήθεια των βακτηρίων τα οργανικά μόρια μετατρέπονται σε οργανικά οξέα με ταυτόχρονη παραγωγή διοξειδίου του άνθρακα. Στο τελευταίο στάδιο τα παραγόμενα οργανικά οξέα μετατρέπονται με τη βοήθεια των μεθανογενών βακτηρίων σε μεθάνιο. ΥΔΡΟΛΥΣΗ ΟΞΕΟΓΕΝΕΣΗ Η 2, CO 2 CH 3 COOH ΜΕΘΑΝΟΓΕΝΕΣΗ CH 4 +CO 2 21

Προέλευση του βιοαερίου Βιομάζα Λίπη Υδατάνθρακες Πρωτεΐνες Υδρόλυση (βακτήρια που παράγουν οξέα) Λιπαρά οξέα Αμινοξέα Απλά σάκχαρα Οξεογένεση (βακτήρια που παράγουν οξέα) Οργανικά οξέα μικρού ΜΒ Αλκοόλες Σχηματισμός οξικού οξέος Οξικό οξύ Μεθανογένεση ΒΙΟΑΕΡΙΟ Μεθάνιο 22

Μεθανογένεση

ΜΕΘΑΝΟΓΕΝΕΤΙΚΑ ΒΑΚΤΗΡΙΑ Τα μεθανογενετικά βακτήρια λαμβάνουν ενέργεια από το υπόστρωμα (πρώτη ύλη απόβλητο) για αναπνοή και ανάπτυξη, για τη ζύμωση των οργανικών ενώσεων σε μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα. Είναι πολύ ευαίσθητα και απαιτούν: Αυστηρά αναερόβιο περιβάλλον Το ph να κυμαίνεται μεταξύ 6.6 7.6 Το περιβάλλον ανάπτυξης τους να είναι απαλλαγμένο από αναστολείς όπως σουλφίδια και βαρέα μέταλλα Η θερμοκρασία να κυμαίνεται μεταξύ 30 38 o C 24

Κατασκευή αναερόβιου αντιδραστήρα (αναερόβιου χωνευτή) Υπάρχουν διάφοροι τύποι χωνευτών βιοαερίου: κατασκευαζόμενοι από σκυρόδεμα, χάλυβα, τούβλο ή πλαστικό, διαμορφούμενοι ως σιλό, σκάφες, λεκάνες και τοποθετούμενοι υπόγεια ή επιφανειακά. Η επιλογή του σχεδίου και ο τύπος του χωνευτή καθορίζονται από το περιεχόμενο σε νερό του χωνευόμενου υποστρώματος. Από την άποψη της εισαγωγής της πρώτης ύλης, υπάρχουν δύο βασικοί τύποι χωνευτών: ασυνεχούς και συνεχούς τύπου. 25

Παραδείγματα αναερόβιων χωνευτήρων

Παραδείγματα αναερόβιων χωνευτήρων

Αντιδραστήρες αναερόβιας χώνευσης (Ι) αναερόβιος χωνευτής Κατακόρυφος αναερόβιος χωνευτής 28

Αντιδραστήρες αναερόβιας χώνευσης (ΙΙ) αναερόβιος χωνευτής «Κλασικός» αντιδραστήρας αναερόβιας χώνευσης με σύστημα τροφοδοσίας για στερεά υλικά 29

Αντιδραστήρες αναερόβιας χώνευσης (Ι) αναερόβιος χωνευτής Οριζόντιος αντιδραστήρας 30

Θεωρητική απόδοση σε βιοαέριο από διαφορετικά υποστρώματα και περιεκτικότητα σε μεθάνιο Υπόστρωμα Βιοαέριο (lt/kg) Περιεκτικότητα σε CH 4 (%) Κοπριά χοίρων 340 550 65 70 Κοπριά αγελάδων 90 310 65 Απόβλητα πουλερικών 310 620 60 Άχυρο σιταριού 200 300 50 60 Άχυρο καλαμποκιού 380 460 59 Χόρτα 280 550 70 Αγροτικά παραπροϊόντα 310 430 60 70 Φύκη 420 500 63 31

Βιοαέριο vs Υπόστρωμα 32

Σύσταση βιοαερίου Source: A Biogas Roadmap for Europe, AEBIOM, 2009 33

Αποθήκευση του παραγόμενου βιοαερίου Στις μεγαλύτερες εγκαταστάσεις κατασκευάζονται ξεχωριστές δεξαμενές αποθήκευσης του βιοαερίου. Οι εγκαταστάσεις αποθήκευσης πρέπει να είναι αεροστεγείς και ανθεκτικές στην πίεση, και, στην περίπτωση που δεν είναι προστατευμένες μέσα σε κτήρια, πρέπει να είναι ανθεκτικές στη θερμοκρασία, τις καιρικές συνθήκες και την υπεριώδη ακτινοβολία (UV). Η δεξαμενή πρέπει να έχει την ικανότητα να αποθηκεύει τουλάχιστον το ένα τέταρτο της ημερήσιας παραγωγής βιοαερίου. Προτείνεται δυναμικότητα αποθήκευσης της παραγωγής διάρκειας μίας ή δύο ημερών.

Σάκοι μονάδας αποθήκευσης αερίου 35

Ενέργεια από βιοαέριο Ξεχωριστή μονάδα αποθήκευσης αερίου 36

ΚΑΘΑΡΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΒΙΟΑΕΡΙΟΥ Ο καθαρισμός τους βιοαερίου γίνεται για να απαλλαγεί το βιοαέριο από άλλες προσμίξεις. Τα πλεονεκτήματα είναι τα ακόλουθα: Καταργείται το διαβρωτικό περιβάλλον το οποίο προκαλείται από υδρόθειο και το μίγμα διοξειδίου του άνθρακα και νερού. Καταργείται η τοξικότητα και η άσχημες οσμές που δημιουργούνται από την παρουσία του υδρόθειου. Λαμβάνεται αέριο με πολύ καλά χαρακτηριστικά καύσης. Για τον καθαρισμό του βιοαερίου από υδρόθειο και διοξείδιο, συνήθως χρησιμοποιούνται scrubbers, χημικά ή οξυγόνο. 37

Βελτίωση βιοαερίου Όταν το βιοαέριο εξέρχεται από το χωνευτή είναι διαποτισμένο με υδρατμούς και περιέχει, εκτός από μεθάνιο (CH4) και διοξείδιο του άνθρακα (CO2), ποσότητες υδρόθειου(h2s). Το υδρόθειο είναι τοξικό, με μία ιδιαίτερη/ δυσάρεστη οσμή, και συνδυαζόμενο με τους υδρατμούς στο βιοαέριο δημιουργεί θειικό οξύ (H2SO4). Οι ιδιότητες της καύσης πρέπει να είναι εγγυημένες προκειμένου να αποτραπεί η φθορά των μηχανών. Αυτό ισχύει και για τη χρήση του βιοαερίου. Είναι απαραίτητη η αποθείωση και η ξήρανση του βιοαερίου.

Μονάδες ΣΗΘ βιοαερίου Η ανάκτηση θερμότητας καθιστά εφικτό ο συνολικός βαθμός απόδοσης να φτάσει το 85%, εάν όλη η παραγόμενη θερμότητα αξιοποιείται. Δύο τύποι μονάδων μπορούν να αξιοποιηθούν Μονάδες ΣΗΘ βιοαερίου με καλό βαθμό απόδοσης, όμως υψηλό κόστος και κόστος συντήρησης. Μονάδες ΣΗΘ διπλού καύσιμου παροχή μικρού ποσοστού καύσιμου 10% (συνήθως πετρελαίου) που χρησιμοποιείται για την ανάφλεξη του μίγματος αέρα/βιοαερίου. Η απόδοση σε ηλεκτρική ενέργεια είναι καλύτερη από τις μονάδες ΣΗΘ μόνο βιοαερίου. 39

Κινητήρες βιοαερίου, συνδυασμένη παραγωγή Κινητήρας βιοαερίου σε κιβώτιο Ενσωματωμένη σε κτίριο μονάδα ΣΠΗΘ 40

Πλεονεκτήματα αναερόβια επεξεργασίας Παραγωγή μικρής ποσότητας σταθεροποιημένης λάσπης Μικρές απαιτήσεις σε θρεπτικά συστατικά (αζώτου και φωσφόρου) Μικρές καταναλώσεις ενέργειας Παραγωγή βιοαερίου/ενεργειας 41

Μειονεκτήματα αναερόβιας επεξεργασίας Τα ανερόβια βακτήρια και κυρίως τα μεθανογενετικά είναι ευαίσθητα σε μεγάλο φάσμα ενώσεων Η έναρξη λειτουργίας των αναερόβιων αντιδραστήρων είναι αργή Η αναερόβια επεξεργασία απαιτεί γενικά τελικό στάδιο αερόβιας επεξεργασίας Ειδική διαχείριση βιοαερίου (fammable) Βίντεο «how a biogas plant works» 42

Σωστό και Λάθος 43

Παράγοντες που επηρεάζουν την παραγωγή βιοαερίου Θερμοκρασία ζύμωσης ιάρκεια παραμονής στον αντιδραστήρα ζύμωσης Συγκέντρωση υποστρώματος Ανάδευση στον αντιδραστήρα ζύμωσης Τιμή ph 44

Σύνοψη: Βέλτιστες Συνθήκες Αναερόβιας Χώνευσης 45

Οι αποδόσεις αερόβια και αναερόβιας επεξεργασίας στην απομάκρυνση ρύπων δίνεται στον παρακάτω πίνακα: Παράμετρος Αερόβια Αναερόβια Επεξεργασία Επεξεργασία % % ελάττωση Ελάττωση Ολικά Στερεά 60 85 50 75 Πτητικά Στερεά 60 85 60 90 BOD 5 70 95 60 90 COD 70 95 60 90 46

Ενέργεια από βιοαέριο

Εγκατεστημένη ισχύς σταθμών βιοαερίου στην Κύπρο 48

49

Ηλεκτρική Ενέργεια από ΣΗΘ βιοαερίου στην Κύπρο 13 Μονάδες αξιοποίησης βιοαερίου παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια στο δίκτυο της ΑΗΚ εγκατεστημένης ισχύος 9,714ΜW Σύνολο ηλεκτρικής ενέργειας που διοχετεύεται στο δίκτυο από τις 13 Μονάδες 3.136.000 kwh τον μήνα 2 Μονάδες αυτοπαραγωγοί, εγκατεστημένης ισχύος 0,85 MW Συνολική παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια για ιδία χρήση 285.943 kwh τον μήνα 50

Μονάδες Βιομάζας / Βιοαερίου συνδεδεμένες με το δίκτυο της ΑΗΚ Έτος Μονάδες Εγκατεστημένη ισχύς σε kw 10/12/2007-31/12/2007 Παραγωγή σε kwh 1 250 37.279 2008 8 3.310 7.808.694 2009 8 3.555 19.849.639 2010 10 7.214 24.801.956 2011 11 7.964 39.712.314 2013 13 9.714 ΣΥΝΟΛΟ 13 9.714 385.728.882 Πηγή: AHK 201351

Διατιμήσεις αγοράς ηλεκτρισμού από σταθμούς βιοαερίου στην ΕΕ Ολλανδία Μάλτα Κροατία Ισπανία Κύπρος Βέλγιο Τσεχία Δανία Γερμανία Ουγγαρία Ιρλανδία Η.Β. Λουξεμβούργο FEED IN TARIFF /kwh 0,208 0,15 0,09 0,135 0,18 0,14 0,2 0,25 0,16 0,1 0,15 0,168 0,15 52

A/ΦΟΙ ΑΝΔΡΕΟΥ ΞΥΛΟΤΥΜΠΟΥ 53

54

A/ΦΟΙ ΑΝΔΡΕΟΥ ΞΥΛΟΤΥΜΠΟΥ Ο σταθμός βιοαερίου επεξεργάζεται: Χοιρολύματα (main) 85 90 ton/day Πτηνοτροφικά απόβλητα 3 ton/day Απόβλητα ποιμνιοστάσια 3 ton/day Απόβλητα από μικρές τυροκομικές μονάδες 0,5 ton/day Έλαια φυτικής προέλευσης (τηγανέλαια) 0,5 ton/day ΣΥΝΟΛΟ: 100-110 ton αποβλήτων/ημέρα 55

1800 2000 m 3 βιοαερίου/ημέρα 500 kw (2 X 250 KW) 1 CHP dual fuel και 1 CHP biogas CHP Thermal Efficiency: 35% CHP Electrical efficiency: 40% Αποθείωση δηλαδή η απομάκρυνση του Η 2 S, γίνεται με παροχή αέρα/οξυγόνου στον χώρο αποθήκευσης του βιοαερίου 2H 2 S+ O 2 > S 2 + 2 H 2 O 56

A/ΦΟΙ ΑΝΔΡΕΟΥ ΞΥΛΟΤΥΜΠΟΥ Ενέργεια από βιοαέριο Χειμερινή περίοδος 6.400 kwh/day 90 ton/day 1800-2000 m 3 biogas/day 6.000 kwh/day 1.500 kwh/day 2.000 kwh/day Waste heat 10 ton/day 2.500 kwh/day 1.100 kwh/day 57

Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας kw h 350000 300000 250000 200000 150000 100000 50000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας 2010 Το 2010 η συνολική παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια ήταν 2.486.714kWh. Περίπου το 12% της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιείται για τις ανάγκες των εγκαταστάσεων της κτηνοτροφικής μονάδας και του σταθμού βιοαερίου. Μέρος της παραγόμενης θερμικής ενέργειας χρησιμοποιείται για τις θερμικές ανάγκες της κτηνοτροφικής μονάδας και του σταθμού βιοαερίου. Το 2010 η συνολική κατανάλωση θερμικής ενέργειας (στην κτηνοτροφική μονάδα και το σταθμό) ήταν 1.110ΜW.

Πρόσθετα τεχνοοικονομικά στοιχεία (για την Κύπρο) Μελέτες σκοπιμότητας έδειξαν ότι η επιτρεπτή ακτίνα μεταφοράς αποβλήτων είναι τα 30km. Πέραν αυτής της ακτίνας, το κόστος συλλογής αποβλήτων είναι απαγορευτικό. Το κόστος κατασκευής ενός σταθμού βιοαερίου ισχύος 100kW είναι 400,000 500,000 ενώ για έναν σταθμό 1 MW ανέρχεται στα 2 2.5 εκατομμύρια. Το κόστος συντήρησης εκτιμάται ότι είναι 0,02 για κάθε παραγόμενη kwh. Άλλα λειτουργικά έξοδα είναι το κόστος αγοράς των πρώτων υλών και το κόστος μεταφοράς τους.

Ενέργεια από βιοαέριο

Ευχαριστώ για την προσοχή σας Ενεργειακό Γραφείο Κυπρίων Πολιτών Tel. +357 22667716 +357 22667726 Fax: +357 22667736 anthi.charalambous@cea.org.cy "Ενεργειακό Γραφείο" 61