Χρήστος Ζαφείρης M.Sc. Υπεύθυνος Δέσμης Έργων Βιοαερίου Τμήμα Βιομάζας ΚΑΠΕ Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών και Εξοικονόμησης Ενέργειας 19 ο χλμ. Λεωφ. Μαραθώνα, 190 09 Πικέρμι Τηλ: 210 6603261, e-mail: czafir@cres.gr Mέλος ΔΣ του Ελληνικού Συνδέσμου Βιοαερίου e-mail: Christos.zafiris@helbio.gr 1
I. ΓΕΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΤΟ ΒΙΟΑΕΡΙΟ Το βιοαέριο παράγεται σε κατάλληλους χωνευτές (digesters) (Εικόνες 1,2,3) με την τεχνολογία της αναερόβιας χώνευσης (ΑΧ) (κατηγορία ιδ και ιε του Νόμου 3851/2010) χρησιμοποιώντας σαν πρώτη ύλη κυρίως: Ζωικά υποπροϊόντα των κατηγοριών 2 και 3 σύμφωνα με το άρθρο 3 παράγραφος 22 και το άρθρο 32 παράγραφος 1 του κανονισμού 1096/2009/ΕΚ Υποπροϊόντα από γεωργία, κηπευτική, υδατοκαλλιέργεια, δασοκομία, θήρα και αλιεία προετοιμασία και επεξεργασία τροφίμων (Κωδικός 02 του Ευρωπαϊκού Καταλόγου αποβλήτων) Ενσιρώματα και υπολείμματα ενεργειακών φυτών Tα ανωτέρω αναφέρονται σύμφωνα με την Δ1/Α/οικ.10839/12 (ΦΕΚ 1667 Β/16 5 2012), άρθρο 2 εξειδίκευση πρώτων υλών ως απόβλητα και υπολείμματα για την παραγωγή βιοαερίου. Εικόνα 1: Μονάδα παραγωγής βιοαερίου (Πηγή: Lars Baadstorp) Το βιοαέριο αποτελείται κυρίως από μεθάνιο (CH 4 ) 55 70% και διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) 30 45%. Η θερμογόνος δύναμη του βιοαερίου είναι συνήθως 22 MJ/Nm 3 =6,1 2
kwh/ Nm 3 = 19,3 MJ/kg ή 23 MJ/Nm 3 = 6,5 kwh/ Nm 3 = 20,2 MJ/kg, µε πυκνότητα μεθανίου, υδρογόνου και διοξειδίου του άνθρακα 0,72kg/m 3 @20 0 C, 0,09kg/m 3 @20 0 C, 1,97kg/m 3 @20 0 C, αντιστοίχως. Έχει αναφερθεί ότι ένας τόνος οργανικών αποβλήτων ανάλογα με την βιοτεχνολογική διαδικασία διαχείρισης (BTA, Valorga, WAASA, DRANCO, Linde ή Kompogas) παράγει 80 έως 130 m 3 βιοαερίου. Με 40% ηλεκτρική απόδοση και θερμογόνο δύναμη 6,1 kwh/ Nm 3 η 6,5 kwh/ Nm 3, το 1m 3 βιοαερίου παράγει 2,44kWh ή 2,60kWh αντιστοίχως και μπορεί να τροφοδοτήσει μηχανές εσωτερικής καύσης (ΜΕΚ), καυστήρες αερίου ή αεριοστρόβιλους για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας (Εικόνα 2). Επιπλέον είναι δυνατή χρήση βιοαερίου σε μικρο αεριοστροβίλους (micro gas turbine) δυναμικότητος 25kW εως 100kW για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Εικόνα 2: Διαδικασία παραγωγής και αξιοποίησης του βιοαερίου (Πηγή: AEBIOM) Το βιοαέριο χρησιμοποιείται επίσης για θέρμανση θερμοκηπίων, αποθηκών, ανοικτών χώρων (πισίνες, βεράντες αίθρια κα), όπως επίσης σε τεχνολογίες και εφαρμογές (ανόπτηση, συγκόλληση, σύνδεση, θέρμανση, ξήρανση) στις βιομηχανίες χάρτου, μεταλλουργικών προϊόντων κα, με κατάλληλα υπέρυθρα θερμαντικά στρώματα (infrared heating systems) (Εικόνα 4). 3
Εικόνα 3: Μονάδα παραγωγής βιοαερίου με ιδιαίτερο χαρακτηριστικό την χωροθέτηση της σε τουριστική περιοχή στο Lemving Δανίας (Πηγή: lemvigbiogas.dk) Χρήσεις Βιοαερίου ΧΥΤΑ Ακατέργαστο βιοαέριο Xωνευτές Καθαρισμός Αναβάθμιση Βιοαέριο Ισοδύναμο φυσικό αέριο Παραγωγή Βιο-υδρογόνου Λέβητας Τουρμπίνα Γεννήτρια Συμπίεση Έγχυση στο δίκτυο ΦΑ Θέρμανση Ζεστό νερό Συμπαραγωγή Ηλεκτρισμός Καύσιμο οχημάτων Τηλεθέρμανση Θέρμανση θερμοκηπίων, κ.α. Χρήση στη βιομηχανία, κατοικία, κ.α. Εικόνα 4: Χρήσεις βιοαερίου (Πηγή: X. Ζαφείρης/ΚΑΠΕ) Το βιοαέριο παράγεται επίσης με την τεχνολογία της αεριοποίησης, της θερμικής δηλ. αποδόμησης οργανικού καυσίμου που αποτελείται από λιγνο κυτταρινούχες πρώτες 4
ύλες, σε κατάλληλο διαμορφωμένο αεριοποιητή, καθώς και της μετατροπής /αναμόρφωσης του σε αέριο σύνθεσης (Syngas), που αποτελείται κυρίως από 22% H 2, 44,4% CO, και 12,2% CO 2. Στην συνέχεια το παραγόμενο αέριο σύνθεσης ψύχεται, καθαρίζεται και με προσθήκη Η 2 και H 2 0 το αέριο σύνθεσης μετατρέπεται σε CH 4 και CO 2 (Εικόνα 5). Εικόνα 5: Παραγωγής Bio SNG (Βιο Synthetic Natural Gas) με αεριοποίηση (Πηγή ECN) Μετά την AX ή την αεριοποίηση το βιοαέριο υφίσταται καθαρισμό (που συνίσταται σε απομάκρυνση των σωματιδίων H 2 S, NH 3, H 2 O), αναβάθμιση (δηλ. απομάκρυνση CO 2 και προσθήκη προπανίου) και τέλος απόσμηση. Το παραγόμενο αέριο ονομάζεται βιομεθάνιο και διακρίνεται σε βιομεθάνιο ποιότητας L (89% CH 4 ), το οποίο χρησιμοποιείται μόνο στην Γερμανία, Γαλλία, Ολλανδία και Βέλγιο ή ποιότητας H (96% CH 4 ), βάση της οδηγίας 2003/55/ΕC. Το βιομεθάνιο που προέρχεται από την τεχνολογία της ΑΧ ανήκει στα βιοκαύσιμα πρώτης γενιάς, ενώ αυτό που προέρχεται από την αεριοποίηση θεωρείται βιοκαύσιμο δεύτερης γενεάς. To βιομεθάνιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε ως καύσιµο μεταφορών, ή εναλλακτικά να διοχετευτεί στο δίκτυο του φυσικού αερίου (Εικόνα 6). 5
Εικόνα 6: Παραγωγή βιοκαυσίμων 1ης και 2ης γενιάς από βιοαέριο (Πηγή: Wuppertal institute PSI) Επίσης με αναμόρφωση αναβαθμισμένου βιοαερίου, έχουμε την δυνατότητα για παραγωγή βιο υδρογόνου (3 ης γενιάς), σύμφωνα με τις αντιδράσεις: (1) CH 4 + H 2 O CO + 3H 2, H 298Κ = 206 kj/mol (reforming reaction) (2) CO + H 2 O CO 2 + H 2, H 298Κ = 41 kj/mol (Water Gas Shift reaction) ή εναλλακτικά για χρήση του βιο υδρογόνου σε κυψέλη καυσίμου (fuel cell) για παραγωγή ενέργειας (Εικόνα 7). Εικόνα 7: Παραγωγή βιο υδρογόνου (Πηγή FAL) 6
Oι τεχνικές που έχουν αναπτυχθεί έως σήμερα για την αναβάθμιση του βιοαερίου είναι κυρίως οι εξής: απορρόφηση νερού, Pressure Swing Absorption (PSA), χημική απορρόφηση, απορρόφηση με διαλύτη διμεθυλαιθέρων πολυαιθυλενικής γλυκόλης (Selexol) (Εικόνα 8) και διαχωρισμός με μεμβράνες. Σε στάδιο ανάπτυξης βρίσκεται η κρυογονική διαδικασία που λαμβάνει χώρα σε συνθήκες πίεσης 80 bar και ψύξης 162 ο C. Στις συνθήκες αυτές το CO 2 συμπυκνώνεται σε υγρή μορφή σε χαμηλότερη πίεση και υψηλότερη θερμοκρασία από ότι το CH 4 και έτσι μπορεί να διαχωριστεί. Εικόνα 8: Μονάδες αναβάθμισης βιοαερίου στη Σουηδία (Πηγή: Owe Jonsson, Swedish Gas Center) Το χωνεμένο υπόλειµµα που βρίσκεται στον χωνευτή μετά την διαδικασία της ΑΧ είναι δυνατό να χρησιμοποιηθεί σαν αυτούσιο οργανικό λίπασμα ή, µε κατάλληλες τεχνικές όπως διαχωρισμό, ιζηματογένεση, υπερ διήθηση, αντίστροφη όσμωση, stripper, για την παραγωγή: α) 6% στερεού λιπάσματος, με αναλογία θρεπτικών συστατικών 17%Ν 40%P 20%K, β) 20% υγρού λιπάσματος, με αναλογία θρεπτικών συστατικών 83%Ν 60%P 80%K, και 74% νερού άρδευσης (Εικόνα 9). Τα ποσοστά των θρεπτικών συστατικών είναι ενδεικτικά και εξαρτώνται από την πρώτη ύλη ανά περίπτωση. 7
Εικόνα 9: Επεξεργασία χωνεμένου υπολείμματος (Πηγή: BIOSCAN A/S) Τα τελευταία χρόνια έρευνες στην Δανία και ιδιαιτέρα στα πανεπιστήμια Εsbjerg, Aarhus και Aalborg έχουν εστιάσει στην βελτιστοποίηση της παραγωγής βιοαερίου. Αυτό μπορεί να πραγματοποιηθεί εκτός των συμβατικών διαδικασιών και με ένα σύστημα συνεχούς παρακολούθησης για όλα τα στάδια της ΑΧ, χρησιμοποιώντας Τεχνολογίες Αναλυτικών Διεργασιών και Xημειομετρίας (Process Analytical Technologies and Chemometrics PAT & PAC), με παραλαβή δειγμάτων σύμφωνα με την Theory of Sampling TOS και την συνεισφορά Φασματοσκοπίας Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (Nuclear Magnetic Resonance ΝΜR) (Εικόνα 10). Εικόνα 10: Nuclear Magnetic Resonance ΝΜR (Πηγή: Jens Bo Holm Nielsen) 8