ΒΑΣΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΑΕΡΙΟΥ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΑΠΟ ΣΤΕΛΕΧΗ ΒΑΜΒΑΚΟΦΥΤΟΥ ΜΕΣΩ ΒΙΟΧΗΜΙΚΗΣ ΙΕΡΓΑΣΙΑΣ

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥ ΩΝ «ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ» ΒΑΣΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΑΕΡΙΟΥ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΑΠΟ ΣΤΕΛΕΧΗ ΒΑΜΒΑΚΟΦΥΤΟΥ ΜΕΣΩ ΒΙΟΧΗΜΙΚΗΣ ΙΕΡΓΑΣΙΑΣ Εργασία για το µάθηµα της Βιοµάζας Του φοιτητή: Παπαθωµά Αριστοτέλη

1.Εισαγωγικά Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η βασική εξέταση της αξιοποίησης στελεχών βαµβακόφυτου (cotton stalks) για την παραγωγή αερίου καυσίµου µέσω της βιοχηµικής οδού στον Ελλαδικό χώρο. Αρχικά δίδονται γενικές πληροφορίες για τη βιοµάζα, τις τεχνολογίες αξιοποίησής της και την πρώτη ύλη που εξετάζεται. Παραθέτονται στοιχεία για την καλλιέργεια του βαµβακόφυτου στην Ελλάδα και την δυνατότητα αξιοποίησής του βάσει των διαθέσιµων τεχνολογιών. Γίνεται µνεία στα προβλήµατα που µπορεί να προκύψουν στη µονάδα και αποφασίζεται η έρευνα να συµπεριλάβει και ζωικά υπολείµµατα, για να είναι τεχνικά εφικτή, και να ασχοληθεί µε µια µεσαίου µεγέθους µονάδα. Εξετάζονται τα βήµατα που πρέπει να γίνουν για τη δηµιουργία της χωροταξικά, κοινωνικά, τεχνοοικονοµικά, περιβαλλοντικά και νοµικά. Τέλος εξάγονται συµπεράσµατα και δίδονται ιδέες για περεταίρω έρευνα.

2. Θεωρητικά/Συλλογή στοιχείων 2.1 Γενικά περί βιοµάζας Βάσει οδηγίας του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου για την προαγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από ΑΠΕ [1] η βιοµάζα είναι µία από τις ανανεώσιµες πηγές ενέργειας. Ως ανανεώσιµες πηγές ενέργειας ορίζονται «οι µη ορυκτές πηγές ενέργειας (αιολική, ηλιακή, γεωθερµική ενέργεια, ενέργεια κυµάτων, παλιρροϊκή ενέργεια, υδραυλική ενέργεια, βιοµάζα, αέρια εκλυόµενα από χώρους υγειονοµικής ταφής απορριµµάτων, από εγκαταστάσεις βιολογικού καθαρισµού και άλλα βιοαέρια)». Ως βιοµάζα ορίζεται το βιοαποικοδοµήσιµο κλάσµα των οργανικών προϊόντων, αποβλήτων και υπολειµµάτων που προέρχονται από τη γεωργία (συµπεριλαµβανοµένων των φυτικών και των ζωικών υλικών), τη δασοκοµία και τις συναφείς βιοµηχανίες, καθώς και το βιοαποικοδοµήσιµο κλάσµα των βιοµηχανικών και αστικών αποβλήτων. Η βιοµάζα συγκεκριµένα αποθηκεύει την ηλιακή ενέργεια µέσω της φωτοσύνθεσης µε τη µορφή χηµικής ενέργειας των δεσµών (δευτερογενής πηγή ενέργειας). Το CO 2 που παράγεται από την αξιοποίησή της απορροφάται κατά την διαπνοή των φυτών από την ατµόσφαιρα. Με αυτό τον τρόπο η βιοµάζα συµµετέχει στον κύκλο του άνθρακα όπως φαίνεται και στο σχήµα 1. Χρησιµοποιείται από την ανθρωπότητα εδώ και χιλιάδες χρόνια, αποτελώντας σήµερα την τρίτη ενεργειακή πηγή µετά το πετρέλαιο και το κάρβουνο [2]. Ένας από τους βασικούς λόγους για τον οποίο τα τελευταία χρόνια έγινε επιτακτική η ανάγκη για στροφή στην παραγωγή ενέργειας από ανανεώσιµες πηγές είναι το φαινόµενο του θερµοκηπίου. Η ανάπτυξη του βιοτικού επιπέδου των ανθρώπων είναι συνυφασµένη µε την αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας, η οποία σε παγκόσµιο επίπεδο αυξάνεται ταχύτατα (αύξηση 15% στη δεκαετία 1990-2000), ενώ αναµένεται ακόµα µεγαλύτερη αύξηση µέχρι το έτος 2020. Η εκβιοµηχάνιση, η έλλειψη περιβαλλοντικής συνείδησης, τα οικονοµικά συµφέροντα και η διαρκής αύξηση του πληθυσµού, σε συνδυασµό µε την αλόγιστη κατανάλωση των ορυκτών καυσίµων, έχουν προκαλέσει την υπέρµετρη και διαρκώς αυξανόµενη έκλυση του CO 2. Η αύξηση αυτή αποδίδεται κυρίως στον τοµέα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και τις µεταφορές [4]. Σαν αποτέλεσµα η συγκέντρωση των αερίων που προκαλούν το φαινόµενο του θερµοκηπίου στην ατµόσφαιρα του πλανήτη έχει αυξηθεί κατά 30% από το 1860 µέχρι σήµερα (ειδικότερα για το CO2 από 280 σε 360 ppm) [5]. Εικόνα 1. Ο κύκλος του άνθρακα [3]

Κυρίως η δασική βιοµάζα χρησιµοποιήθηκε από τον άνθρωπο, µε την καύση της για την παραγωγή θερµότητας, ως πρώτη ύλη για κατασκευές, παραγωγή υλικών κ.α. Αλλά ακόµα και σήµερα, οι αγροτικοί κυρίως πληθυσµοί, αξιοποιούν τη βιοµάζα για να ζεσταθούν, να µαγειρέψουν και να φωτιστούν. Χρησιµοποιούν ακόµα ξύλα, φυτικά υπολείµµατα (άχυρα, πριονίδια, άχρηστους καρπούς ή κουκούτσια κ.ά.) και ζωικά απόβλητα (κοπριά, λίπος ζώων, άχρηστα αλιεύµατα κ.ά.). Με την ανάπτυξη της αυτοκινητοβιοµηχανίας άρχισαν και οι πρώτες χρήσεις της βιοµάζας ως καύσιµο µεταφορών και µέσα στον 20 ο αιώνα αναπτύχθηκαν νέες τεχνολογίες αξιοποίησης της βιοµάζας [6]. Σήµερα η βιοµάζα µπορεί να µετατραπεί σε τρία βασικά είδη προϊόντων [2]: Ηλεκτρική/θερµική ενέργεια (συµπαραγωγή ενέργειας) Καύσιµο µεταφορών (υγρά βιοκαύσιµα) Χηµική πρώτη ύλη (2 ης γενιάς βιοκαύσιµα) Η φυτική βιοµάζα (υπολείµµατα αγροτικών καλλιεργειών), και συγκεκριµένα τα στελέχη βαµβακόφυτου, µε τα οποία ασχολείται η παρούσα µελέτη, αποτελούνται κατά βάση από κυτταρίνη, ηµικυτταρίνη και λιγνίνη. Η κυτταρίνη είναι ένα πολυµερές της γλυκόζης µε µοριακό βάρος περίπου 100.000. Αποτελεί το 40 50% w/w του φυτού. Η ηµικυτταρίνη από την άλλη αποτελείται από ένα µείγµα πολυσακχαριτών µοριακού βάρους µικρότερου από 30.000. Η βασική της διαφορά από την κυτταρίνη είναι ότι αποτελείται κυρίως από την ξυλόζη και άλλα πέντε είδη καρβο-µονοσακχαριτών. Αποτελεί το 20 40% w/w του φυτού. Η λιγνίνη τέλος θεωρείται ένα µείγµα άµορφων, υψηλού µοριακού βάρους, χηµικά σχετιζόµενων στοιχείων. Η σχετική αναλογία κυτταρίνης/λιγνίνης αποτελεί τον καθοριστικό παράγοντα για την επιλογή τεχνολογίας ενεργειακής αξιοποίησης της βιοµάζας [2]. Οι βασικές ιδιότητες του κάθε είδους φυτικής βιοµάζας, που αποτελούν πρωταρχικούς παράγοντες για την επιλογή µεθόδου µετατροπής βιοµάζας, είναι [2]: η περιεχόµενη υγρασία, καθώς το νερό θα πρέπει να εξατµιστεί στις θερµοχηµικές µεθόδους, πράγµα που επιβαρύνει το ισοζύγιο ενέργειας, και καθώς απαιτούνται συγκεκριµένες αναλογίες µεταξύ νερού και άλλων ουσιών σε βιοχηµικές µεθόδους. η θερµιδική αξία, που προσδιορίζει το ενεργειακό περιεχόµενο της βιοµάζας που είναι διαθέσιµο για αξιοποίηση. τα ποσοστά καθαρού άνθρακα και πτητικών ουσιών επί του συνολικού βάρους. το περιεχόµενο τέφρας και υπολείµµατος, ουσιών που δεν βιοαποικοδοµούνται και αποµένουν µετά το τέλος της µεθόδου µετατροπής. η αναλογία κυτταρίνης/λιγνίνης, η οποία στις βιοχηµικές µεθόδους µετατροπής αποτελεί καθοριστικό παράγοντα του ρυθµού βιοαποικοδόµησης της βιοµάζας καθώς η κυτταρίνη αποικοδοµείται ευκολότερα από τη λιγνίνη. 2.2 Τεχνολογίες ενεργειακής µετατροπής βιοµάζας [7] Η βιοµάζα µπορεί να µετατραπεί σε χρήσιµες µορφές ενέργειας ή πρώτων υλών µέσω διαφόρων διεργασιών µετατροπής. Οι κυριότεροι παράγοντες που επηρεάζουν την επιλογή διεργασίας µετατροπής είναι: ο τύπος και η ποσότητα της διαθέσιµης βιοµάζας η επιθυµητή µορφή ενέργειας και οι απαιτήσεις µετά το τέλος της διεργασίας οι απαιτήσεις σε σχέση µε το περιβάλλον

οι οικονοµικές συνθήκες οι εξειδικευµένοι παράγοντες σε κάθε έργο Οι τεχνολογίες ενεργειακής µετατροπής βιοµάζας χωρίζονται σε 3 βασικές κατηγορίες: Θερµοχηµικές διεργασίες (Καύση, Αεριοποίηση, Πυρόλυση) Βιοχηµικές διεργασίες (Αναερόβια Χώνευση, Ζύµωση) Φυσικοχηµικές διεργασίες (Εκχύλιση/Μετεστεροποίηση) Οι θερµοχηµικές είναι προτιµητέες όταν η πρώτη ύλη συνίσταται από λιγνοκυτταρινούχα υλικά µε χαµηλή περιεκτικότητα σε υγρασία. Τα βασικά προϊόντα που λαµβάνονται είναι ενέργεια, αέρια και υγρά καύσιµα (όπως µεθανόλη, υδρογονάνθρακες που προκύπτουν µε καταλυτική σύνθεση από το αέριο κ.α.) Οι βιοχηµικές διεργασίες (ζύµωση και αναερόβια χώνευση) εφαρµόζονται κυρίως σε υποστρώµατα βιοµάζας που έχουν µεγάλη περιεκτικότητα σε υγρασία. Η ζύµωση χρησιµοποιείται για την παραγωγή κυρίως αιθανόλης αλλά και άλλων προϊόντων όπως π.χ. γαλακτικό οξύ. Οι κυριότερες πρώτες ύλες που χρησιµοποιούνται στη διαδικασία της ζύµωσης είναι η γλυκόζη, το άµυλο, η µελάσα, κ.α. Η αναερόβια χώνευση χρησιµοποιείται κυρίως για την παραγωγή µεθανίου από υγρά απόβλητα, ζωικά και φυτικά υπολείµµατα, σκουπίδια κλπ. Οι φυσικοχηµικές διαδικασίες χρησιµοποιούνται για την παραγωγή υγρών βιοκαυσίµων και πιο συγκεκριµένα βιοντίζελ από ελαιώδεις καρπούς φυτών. 2.3 Το βαµβάκι και η καλλιέργειά του. Οι αγροτικές καλλιέργειες πέρα από τα χρήσιµα προϊόντα που παράγουν µετά την αποκοµιδή αφήνουν υπολείµµατα στο χωράφι. Ορισµένα από αυτά χρησιµοποιούνται ως ζωοτροφές (άχυρο), µεγάλο µέρος του παραµένει ανεκµετάλλευτο ή καίγεται στο χωράφι. Στην Ελλάδα (8 η βαµβακοπαραγωγός χώρα στον κόσµο) καλλιεργούνται τα τελευταία χρόνια περίπου 350.000 εκτάρια µε βαµβακόφυτο [8] και η ετήσια παραγωγή βαµβακιού φτάνει τους περίπου 1.200.000 τόνους [9]. Τα υπολείµµατα/στελέχη του βαµβακόφυτου συνήθως αποµένουν στο χωράφι ή καίγονται, τεχνικές µε αµφίβολα αποτελέσµατα [10]. Η ετήσια παραγωγή στελεχών βαµβακόφυτου υπολογίζεται σε 1.460.000 τόνους, 880.000 από τους οποίους είναι διαθέσιµοι για αξιοποίηση [11]. Η παραγωγή επικεντρώνεται στη Θεσσαλία και τη Μακεδονία. Το βαµβάκι καλλιεργείται από τα αρχαία χρόνια στη Νοτιοανατολική Ασία. Στον Ελλαδικό χώρο έφτασε τον 4 ο π.χ. αιώνα µε τις κατακτήσεις του Μεγάλου Αλεξάνδρου. Το βαµβάκι είναι φυτό απαιτητικό σε υψηλές θερµοκρασίες. Το καταλληλότερο κλίµα για τη σωστή ανάπτυξη του είναι µία µέτρια σε ζέστη και κρύο άνοιξη, συχνές βροχοπτώσεις όχι µεγάλης έντασης δροσερό φθινόπωρο χωρίς πολλές βροχές και ζεστό, υγρό καλοκαίρι. υνατές σε ένταση βροχές µπορούν να καταστρέψουν τις ίνες του φυτού. Τα κατάλληλα εδάφη θεωρούνται αυτά που είναι αµµοπηλώδη µε αρκετή ποσότητα αργίλου, οργανικές ουσίες και λίγο άζωτο και φώσφορο. Η απόδοση σε παραγωγή δεν επηρεάζεται εάν το χωράφι φυτεύεται για πολλά χρόνια. Στην Ελλάδα για παράδειγµα λόγω έλλειψης µεγάλων εκτάσεων καλλιεργείται στο ίδιο χωράφι για πολλά χρόνια και πολλές φορές. Στην Ελλάδα η καλύτερη εποχή για τη σπορά είναι από τις αρχές Απριλίου έως τα µέσα Μαΐου. Η συγκοµιδή γίνεται 2 µήνες µετά τη σπορά και η εκκόκκιση 3 µήνες µετά τη συλλογή. [12].

Τα βασικά χαρακτηριστικά των στελεχών του βαµβακόφυτου παρουσιάζονται στον παρακάτω πίνακα: Ν w/w % 2,63% HHV 3772 kcal/kg C w/w % 41,23% Λιγνίνη w/w% 26% H w/w % 5,03% Κυτταρίνη w/w % 46% S w/w % ~0% Υγρασία 6% Ο w/w % 34% Περιεχόµενη Τέφρα 13,3% Πίνακας 1. Βασικά χαρακτηριστικά στελεχών βαµβακόφυτου [11],[13] 3. Αξιολόγηση 3.1 Κατευθυντήριες γραµµές Ως βάση για την αξιολόγηση της επένδυσης παραγωγής αερίου καυσίµου από στελέχη βαµβακόφυτου µε χρήση βιοχηµικής τεχνολογίας µετατροπής βιοµάζας χρησιµοποιούνται τα δεδοµένα από το προηγούµενο κεφάλαιο, για τα οποία δε γίνονται επιπλέον αναφορές. Βάσει λοιπόν της ανάλυσης των διαθέσιµων τεχνολογιών µετατροπής βιοµάζας, η µόνη βιοχηµική τεχνολογία που µπορεί να χρησιµοποιηθεί στο εγχείρηµα αυτό είναι η αναερόβια χώνευση. Θετικά στοιχεία του εγχειρήµατος είναι: ότι υπάρχουν τεράστιες ποσότητες (880.000 τόνοι) στελεχών βαµβακόφυτου που παραµένουν αναξιοποίητες η αναερόβια χώνευση υπολειµµάτων καλλιεργειών και ειδικότερα στελεχών βαµβακόφυτου είναι µια τεχνολογία που έχει χρησιµοποιηθεί και υπάρχουν ήδη δεδοµένα [14-17] η αναερόβια χώνευση αποδίδει πέρα από αέριο καύσιµο και άλλα χρήσιµα παραπροϊόντα (κοµπόστ). Αρνητικά στοιχεία του εγχειρήµατος είναι: η ιδιαίτερα χαµηλή υγρασία της πρώτης ύλης (6%) και η υψηλή σύσταση σε λιγνίνη που δυσκολεύουν τη χρήση της αναερόβιας χώνευσης ως τεχνολογία. η συνεπακόλουθη χρήση πρόσθετης πρώτης ύλης µε µεγάλη υγρασία (νερό βιολογικών καθαρισµών, κοπριά, κ.α.) που όµως χρησιµοποιείται στην πράξη. Αξίζει να γίνει µια επεξήγηση των φαινοµενικά αρνητικών στοιχείων. Από τη στοιχειακή ανάλυση και τα χαρακτηριστικά του βαµβακόφυτου, θα έλεγε κάποιος πως αποτελεί µονόδροµο η θερµοχηµική µετατροπή και συγκεκριµένα η αεριοποίηση για την παραγωγή αερίου καυσίµου. Ξεφεύγοντας από τα στενά όρια µιας εργασίας και στοχεύοντας στο βέλτιστο αποτέλεσµα λαµβάνεται η απόφαση να χρησιµοποιηθούν για αναερόβια χώνευση στελέχη βαµβακόφυτου και ζωικά υπολείµµατα (συγκεκριµένα κοπριά µοσχαριών) για τους εξής λόγους: Περιορισµούς λόγω σύστασης των στελεχών βαµβακόφυτου όπως αναφέρθηκε Υγρασία της κοπριάς σε ποσοστό 90% που παρέχεται δωρεάν

Ύπαρξη στις περιοχές που καλλιεργείται έντονα βαµβάκι (Θεσσαλία, Μακεδονία) και ισχυρής κτηνοτροφικής δραστηριότητας κάνοντας ευκολότερο των συνδυασµό των πρώτων υλών. Η αναερόβια χώνευση µε κοπριά ζώων ενδείκνυται σε κτηνοτροφικές µονάδες για οικονοµικούς, ενεργειακούς και περιβαλλοντικούς λόγους. Η απόδοση όµως σε αέριο καύσιµο µε χρήση φυτικού υποστρώµατος, λόγω αύξησης του οργανικού φορτίου και θρεπτικών συστατικών, µπορεί να αυξηθεί από 25 σε 300 Nm 3 /τόνο υγρής πρώτης ύλης µε παράλληλη µείωση προσθέτων στα χωνευτήρια! [17] Το κοµπόστ που παράγεται είναι πλουσιότερο σε θρεπτικά συστατικά και µπορεί να χρησιµοποιείται σε αγροτικές περιοχές αντί για λίπασµα. Στη συνέχεια η έρευνα θα ασχοληθεί µε την αναερόβια χώνευση στελεχών βαµβακόφυτου και κοπριάς ζώων για την παραγωγή αερίου καυσίµου, σε µία µεσαίου µεγέθους µονάδα ώστε να υπάρχει εµπειρία και να εξαχθούν συµπεράσµατα για τη δηµιουργία µεγάλης µονάδας. Θα γίνει ανάλυση στα επιµέρους βήµατα που πρέπει να ακολουθηθούν για τη δηµιουργία της µονάδας στους σηµαντικότερους τοµείς που την επηρεάζουν (χωροθέτηση, κοινωνία, τεχνοοικονοµικά, περιβαλλοντικά, νοµικά). 3.2 Χωροθέτηση/Κοινωνική αποδοχή Όπως προειπώθηκε η χωροθέτηση της µονάδας θα γίνει σε περιοχή µε βαµβακοπαραγωγή και κτηνοτροφική δραστηριότητα για ελαχιστοποίηση των µεταφορικών. Λαµβάνεται η απόφαση η µονάδα να τοποθετηθεί στην περιοχή της Θεσσαλίας αντί της Μακεδονίας καθώς είναι θερµότερη, πράγµα που αυξάνει την απόδοση σε βιοαέριο και την απαίτηση σε ενέργεια για θέρµανση των χωνευτηρίων. Μέρος ή το σύνολο των κεφαλαίων για τη δηµιουργία της µονάδας µπορεί να απορροφηθεί µέσω αγροτικών ή κτηνοτροφικών συνεταιρισµών καθώς έχουν ισχυρή παρουσία στην περιοχή. Το παραγόµενο αέριο µπορεί να χρησιµοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρισµού, θερµότητας ή βέλτιστα για συµπαραγωγή. Σηµαντικός παράγοντας είναι η κοινωνική αποδοχή ή ακόµα και η άµεση συµµετοχή των φορέων της περιοχής στο εγχείρηµα. Πριν από την έναρξη κατασκευής της µονάδας είναι αναγκαίο να γίνει συζήτηση µε γεωργούς, κτηνοτρόφους κατοίκους, επενδυτές και άλλους φορείς ώστε να αναπτυχθούν προβληµατισµοί και να επιτευχθεί η µέγιστη δυνατή συναίνεση. Πρέπει µε απλή αλλά περιεκτική γλώσσα να αναλύονται τα πολλαπλά οφέλη που µπορεί να αποκοµίσει η περιοχή σε περιβαλλοντικό και οικονοµικό επίπεδο. Θα φανεί ιδιαίτερα χρήσιµο τόσο κατά την κατασκευή όσο και κατά τη λειτουργία της µονάδας να εργάζονται κάτοικοι της περιοχής. Τέλος το όνοµα και το λογότυπο της εταιρίας πρέπει να προδιαθέτει θετικά (π.χ. «Αγροαέριο»). Προτείνεται και για κοινωνικούς λόγους η δηµιουργία µονάδας µικρότερης κλίµακας, για την οποία µπορεί να γίνει επένδυση ακόµα και από µεµονωµένους αγρότες. Η επιτυχής της λειτουργία είναι το δυνατότερο επιχείρηµα για τη δηµιουργία µιας µεγαλύτερης µονάδας.

3.3 Τεχνοοικονοµικά [16],[17] Κατά την αναερόβια χώνευση βακτήρια αποικοδοµούν την οργανική ύλη απουσία οξυγόνου για να αποκοµίσουν την ενέργεια που χρειάζονται. Το µεθάνιο που παράγεται αποτελεί παραπροϊόν αυτής της διαδικασίας. Η αναερόβια χώνευση της βιοµάζας µπορεί να γίνει στη ψυχρόφιλη ζώνη (~20 C), τη µεσόφιλη ζώνη (~35 C) και τη θερµόφιλη ζώνη (~55 C). Σε υψηλότερες θερµοκρασίες η χώνευση γίνεται ταχύτερα και η απόδοση αυξάνεται. Εικόνα 2. Σχηµατικό διάγραµµα των βασικών σταδίων της αναερόβιας χώνευσης [18] Μία µονάδα αναερόβιας χώνευσης αποτελείται βασικά από τα σιλό αποθήκευσης κοπριάς και φυτικού υποστρώµατος, τη µονάδα προκατεργασίας των πρώτων υλών (θερµική/µηχανική προκατεργασία), τον αντιδραστήρα χώνευσης (συνεχούς, ηµισυνεχούς ή διακοπτόµενης ροής), τα σιλό αποθήκευσης του κατεργασµένου υλικού και του βιοαερίου και τη µηχανή παραγωγής ηλεκτρισµού και θερµότητας. Προφανώς υπάρχει απαίτηση σε βοηθητικό εξοπλισµό. Το βιοαέριο που παράγεται έχει την ακόλουθη σύσταση: Συστατικό v/v % CH 4 50-80% CO 2 50-20% N 2 <1% H 2 <1% H 2 S <1% NH 3 <1% Πίνακας 2. Σύσταση βιοαερίου Τα συστήµατα αναερόβιας χώνευσης χωρίζονται ανάλογα µε το µέγεθός τους σε τρεις κατηγορίες: Μικρής κλίµακας, µε χωνευτήρια χωρητικότητας 5-100 m 3 και δυναµικότητας 100-1000 t/χρόνο. Συνήθως δεν είναι οικονοµικά βιώσιµα.

Μεσαίας κλίµακας (ή φάρµας), µε χωνευτήρια 100-800 m 3 και δυναµικότητας 1000-15000 t/χρόνο. Το υπόστρωµα για µία τέτοια µονάδα προέρχεται περίπου από µία µεγάλη φάρµα. Βιοµηχανικής κλίµακας µε χωνευτήρια >800 m 3 και δυναµικότητας >15000 t/χρόνο Όπως προειπώθηκε η προκαταρκτική αυτή µελέτη θα ασχοληθεί µε την αξιολόγηση δηµιουργίας µιας µεσαίας κλίµακας φάρµας που θα λειτουργήσει ως πιλότος για τη δηµιουργία µιας µονάδας βιοµηχανικής κλίµακας και θα προκαταβάλει θετικά φορείς τις περιοχής και επενδυτές µε τη δηµιουργία της. Εικόνα 3. Μονάδα αναερόβιας χώνευσης µεσαίας κλίµακας [19] Η αναλογία όγκων κοπριάς/στελεχών βαµβακόφυτου πρέπει να είναι περίπου 5/1. Για µια φάρµα µε 200 περίπου αγελάδες παράγονται 5000 m 3 κοπριάς ανά έτος. Για βέλτιστη ποιότητα και ποσότητα βιοαερίου απαιτούνται περίπου 1000 m 3 στελεχών βαµβακόφυτου. Η παραγωγή βιοαερίου είναι περίπου 190.000 Nm 3 /έτος µέσης θερµογόνου δύναµης 20 MJ/Nm 3. Παράγονται επίσης 5000 τόνοι φυσικού λιπάσµατος. Με χρήση αεριοστρόβιλου για συµπαραγωγή ηλεκτρικής και θερµικής ενέργειας, µεσαίας ηλεκτρικής απόδοσης 30% και θερµικής απόδοσης 50%, αποδίδεται ισχύς 43KW e και 143KW th. Η επένδυση για µια τέτοια µονάδα, µε χρόνο λειτουργίας 15 χρόνια, είναι περίπου 240.000 µε περίοδο αποπληρωµής 7,7 χρόνια. Τα παραπάνω στοιχεία λήφθηκαν έτοιµα από τη βιβλιογραφία καθώς µια τεχνοοικονοµική µελέτη εκτείνεται πολύ πέρα από τον σκοπό αυτής της µελέτης. εν παύουν όµως να είναι ενθαρρυντικά και να δίνουν µια πρώτη αίσθηση για την περαιτέρω διερεύνηση. 3.4 Περιβαλλοντικά [7],[17] Τα περιβαλλοντικά οφέλη από τη δηµιουργία της µονάδας είναι πολλαπλά καθώς λειτουργεί ταυτοχρόνως ως µονάδα επεξεργασίας αποβλήτων και παραγωγής ενέργειας. Αναλυτικά: 1. Παράγεται ενέργεια από µια ανανεώσιµη πηγή όπως η βιοµάζα. 2. Με την αναερόβια χώνευση των αγροτικών και ζωικών υπολειµµάτων το µεθάνιο που θα εκλυόταν από την σήψη των οργανικών συστατικών τους συλλέγεται, καίγεται και µετατρέπεται σε διοξείδιο του άνθρακα που είναι πολύ λιγότερο επιβαρυντικό για το φαινόµενο του θερµοκηπίου. Επιπλέον µέσω του κύκλου του άνθρακα δεσµεύεται από τα φυτά. 3. Ιδιαίτερα τα ζωικά απόβλητα αποτελούν εστίες µικροβίων που µπορούν να προκαλέσουν προβλήµατα στη δηµόσια υγεία. Μέσω της αναερόβιας χώνευσης καθίστανται αβλαβή για την δηµόσια υγεία και µάλιστα το

παραπροϊόν της διεργασίας µπορεί να χρησιµοποιηθεί ως λίπασµα, εξοικονοµώντας έµµεσα πόρους και ενέργεια. Το µόνο σηµείο στο οποίο πρέπει να δοθεί προσοχή είναι η ύπαρξη H 2 S στο βιοαέριο, καθώς µπορεί να προκαλέσει διαβρώσεις στον εξοπλισµό και είναι επικίνδυνο για το περιβάλλον. Με την προσθήκη πολύ µικρής ποσότητας αέρα (2-4%) στο άνω σηµείο του χωνευτήρα τα βακτήρια θα το οξειδώσουν προς θείο που θα κατακαθίσει, θα καταστεί αβλαβές και θα εµπλουτίσει το κοµπόστ. 3.5 Νοµικά [17] Τρεις είναι οι βασικοί πυλώνες προσοχής σε σχέση µε τη νοµοθεσία: 1. Γενική νοµοθεσία σε σχέση µε τη δηµιουργία µονάδων παραγωγής ενέργειας από ανανεώσιµες πηγές και τη διασύνδεση στο ηλεκτρικό δίκτυο. 2. Ειδικότερη νοµοθεσία σε σχέση µε τη λειτουργία µονάδας αναερόβιας χώνευσης και συµπαραγωγής ηλεκτρισµού/θερµότητας (σε περίπτωση που χρησιµοποιηθεί έτσι το παραγόµενο βιοαέριο). 3. Νοµοθεσία σχετικά µε τη διαχείριση και την αποθήκευση βιοµάζας και βιοαερίου στη µονάδα. Η εύρεση των συγκεκριµένων διατάξεων της νοµοθεσίας θα πρέπει να γίνει κατά την µελέτη σκοπιµότητας της επένδυσης. 4. Συµπεράσµατα Θα µπορούσε µε ασφάλεια να ειπωθεί ότι η αναερόβια χώνευση κοπριάς ζώων και στελεχών βαµβακιού για την παραγωγή αερίου καυσίµου είναι ελκυστική για περεταίρω µελέτη. Σίγουρα κάτι τέτοιο δε θα ήταν ελκυστικό µε την παρούσα τεχνολογία και την προσθήκη νερού και βακτηρίων σε στελέχη βαµβακιού. Αντί αυτού τα στελέχη βαµβακιού µόνα τους θα ήταν προτιµότερο να χρησιµοποιηθούν µε µία θερµοχηµική τεχνολογία, όπως η αεριοποίηση, για την παραγωγή αέριου καυσίµου για την οποία υπάρχει πληθώρα µελετών στη διεθνή βιβλιογραφία (ενδεικτικά [20]). Θα µπορούσε επίσης να εξεταστεί, για την περίπτωση δηµιουργίας µεγαλύτερης µονάδας, αντί για τα ζωικά υπολείµµατα, που είναι και η ογκωδέστερη πρώτη ύλη, να χρησιµοποιηθεί λάσπη από τους βιολογικούς καθαρισµούς µιας πόλης που υπάρχει γειτονικά παραγωγή βαµβακιού. Τα πολλαπλά οφέλη, όπως επεξηγήθηκαν, και όχι απλά η παραγωγή αερίου καυσίµου αποτελούν το βασικό στοιχείο που συνηγορεί για την περαιτέρω µελέτη του θέµατος.

5.Βιβλιογραφία 1. Οδηγία 2001/77/ΕΚ του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου και του Συµβουλίου της 27 ης Σεπτεµβρίου 2001 για την προαγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από ΑΠΕ στην εσωτερική αγορά ηλεκτρικής ενέργειας 2. McKendry P. Energy production from biomass (part 1): overview of biomass. Bioresource Technology 83 (1), 37 46. 2001 3. http://kpe-kastor.kas.sch.gr/istoselida-biodiversity/b/ecosystems.htm, 2008 4. Green paper towards a European strategy for the security of energy supply Technical Document. European communities. 2001 5. Greenhouse gas emission trends and projections in Europe 2007. European Environment Agency. 2007 6. National Geographic, Green Dreams, Oct 2007 7. McKendry P. Energy production from biomass (part 2): conversion technologies. Bioresource Technology 83 (1), 47 54. 2001 8. http://faostat.fao.org/, Food And Agriculture Organization of the U.N., 2009 9. http://www.hecot.gr/, Hellenic Cotton Exports, 2009 10. Προσωπική επικοινωνία, Κωνσταντίνος Ναλπαντίδης, Γεωπόνος 11. Skoulou V., Zabaniotou A., Investigation of agricultural and animal wastes in Greece and their allocation to potential application for energy production. Renewable and Sustainable Energy Reviews 8 (11), 1698-1719. 2007 12. http://el.wikipedia.org/, 2009 13. Jha S.K., Singh A., Kumar A., Physical characteristics of compressed cotton stalks. Biosystems Engineering 99 (2), 205-210. 2008 14. Isci A., Demirer G., Biogas production potential from cotton wastes. Renewable Energy 32 (5), 750-757. 2007 15. Shi J., Chinn M., Microbial pretreatment of cotton stalks by solid state cultivation of Phanerochaete chrysosporium. Bioresource Technology 99 (14), 6556-6564, 2008 16. Shyam M., Sharma P., Solid-state anaerobic digestion of cattle dung and agroresidues in small-capacity field digesters. Bioresource Technology 48, 203-207. 1994 17. Planning and installing bioenergy systems: a guide for installers, architects and engineers. German Solar Energy Society (DGS) and Ecofys. 2004 18. http://www.ecofys.com/, 2009 19. http://en.planet-biogas.de/, 2009 20. Kantarelis E., Zabaniotou A., Valorization of cotton stalks by fast pyrolysis and fixed bed air gasification for syngas production as precursor of second generation biofuels and sustainable agriculture. Bioresource Technology 100 (2), 942-947. 2009