Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Ήπιες και νέες μορφές ενέργειας Ενότητα : Ενέργεια από Βιομάζα Ι Σκόδρας Γεώργιος, Αν. Καθηγητής gskodras@uowm.gr Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ψηφιακά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Δυτικής Μακεδονίας» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3
Στόχοι Με τον αυξανόμενο παγκόσμιο πληθυσμό και την πίεση για οικονομική ανάπτυξη, οι χώρες γίνονται συνεχώς και περισσότερο εξαρτημένες από την χρήση ενέργειας Για τον έλεγχο της υπερθέρμανσης του πλανήτη πρέπει να δοθεί έμφαση στην αύξηση του βαθμού απόδοσης των συστημάτων που χρησιμοποιούν ορυκτά καύσιμα και στην ανάπτυξη των ανανεώσιμων ενεργειακών πηγών 4
Ορολογία Αερόβια Αναερόβια Βιομετατροπή Βιομάζα 5
Ιστορικά στοιχεία (1/2) Ενώ τα καύσιμα βιομάζας αποτελούν ένα μικρό ποσοστό της παγκόσμιας κατανάλωσης ενέργειας (12-15%), παραμένουν όμως η κύρια ενεργειακή πηγή για τον μισό περίπου του παγκόσμιου πληθυσμού Σύμφωνα με την παγκόσμια τράπεζα, οι αναπτυσσόμενες χώρες της Ασίας και της Αφρικής αποτελούν τους κύριους χρήστες ενέργειας από βιομάζα 6
Ιστορικά στοιχεία (2/2) Περίπου το 65% της ενέργειας που χρησιμοποιείται στην Ασία και το 90% στην Αφρική έχει την μορφή βιομάζας Στις βιομηχανικές κοινωνίες η βιομάζα θεωρείται μια βιώσιμη ενεργειακή πηγή, καθώς μπορεί να μετατραπεί σε αέρια, υγρά ή στερεά καύσιμα ή να καεί απευθείας για την παραγωγή ηλεκτρισμού και είναι ουδέτερη ως προς CO2 7
Μεθανική ζύμωση (1/7) Η μεθανική ζύμωση είναι αποτέλεσμα της συγκέντρωσης και ανάκτησης της οργανικής ύλης και μετατροπής της σε καύσιμο (αέριο) με βιολογικό τρόπο (μεθανική ζύμωση) Φάσεις Μεθανικής Ζύμωσης Υδρόλυση Αλκοολογέννεση Μεθανογέννεση Οργανικά υλικά Οργανικά υδρογονωμένα υλικά μικρότερα μόρια Λιπαρά οξέα βιοαέριο &μικροβιακήβιομάζα 8
Μεθανική ζύμωση (2/7) Η μεθανική ζύμωση εκτείνεται σε πολλές προοδευτικές φάσεις Οφείλεται στον πολλαπλασιασμό των βακτηριδίων και άλλων οργανισμών που δεν είναι πλήρως ταυτοποιημένοι Οι όροι ανάπτυξης των μικροοργανισμών καθορίζουν και την τεχνολογία που χρησιμοποιηθεί 9
Μεθανική ζύμωση (3/7) Προϋποθέσεις: Οι πρώτες φάσεις, δηλαδή η υδρόλυση και η αλκοολογέννεση, που διασπούν τα οργανικά μόρια, πραγματοποιούνται από μια μικρή χλωρίδα κατ αρχάς αναερόβια, αλλά η οποία ενδεχομένως ανέχεται ένα αερόβιο μέσο Αερόβια είναι η διεργασία που λαμβάνει χώρα παρουσία οξυγόνου Αναερόβια είναι η διεργασία που λαμβάνει χώρα απουσία οξυγόνου Αυστηρά αναερόβια είναι εκείνη για την οποία το οξυγόνο είναι επιβλαβές Η τελευταία φάση, η μεθανογέννεση, είναι αυστηρά αναερόβια 10
Μεθανική ζύμωση (4/7) Χωνευτήρες όπου τα διεργαζόμενα προϊόντα είναι διαδοχικά αερόβια και μετά αναερόβια Αυτή η τεχνική χρησιμοποιείται για την μεθανοποίηση των στερεών απορριμμάτων (π.χ. κοπριές, άχυρα, οικιακά απορρίμματα, θάμνοι κλπ) Εφαρμόζεται σε εγκαταστάσεις που έχουν έναν συνεχή κύκλο (μέθοδος Ducellier-Isman) Εφαρμόζεται σε χωνευτήρες ημισυνεχείς και συνεχείς 11
Μεθανική ζύμωση (5/7) Χωνευτήρες όπου τα διεργαζόμενα προϊόντα είναι σταθερά αναερόβια Στην περίπτωση αυτή δεν υπάρχει αερισμός στους χωνευτήρες, που συνήθως έχουν συνεχή λειτουργία Το διεργαζόμενο υλικό περνά διαδοχικά από τις φάσεις της μεθανογέννεσης στις διάφορες ζώνες του αντιδραστήρα ή στο σύνολο αυτού, εφόσον αναδεύεται Το κύριο πλεονέκτημα είναι η συνεχής και αυτόματη λειτουργία 12
Μεθανική ζύμωση (6/7) Κάδος μεθανοποίησης: Η μεθανοποίηση της κοπριάς κατά διακεκομμένο τρόπο, γίνεται μέσα σε κάδους ζύμωσης εντός ή εκτός του εδάφους Και στις δύο περιπτώσεις οι κάδοι έχουν τοιχώματα στεγανά και θερμικά μονωμένα Για την συλλογή του αερίου, το επάνω μέρος καλύπτεται από στεγανό κώδωνα του οποίου τα χείλη βρίσκονται σε υγρό 13
Μεθανική ζύμωση (7/7) Ο πρόσθετος εξοπλισμός περιλαμβάνει: Σύστημα θέρμανσης Γρίλια για την διατήρηση της στάθμης Δυνατότητα εισαγωγής αέρα ώστε η πρώτη φάση να γίνει αερόβια 14
Παραγωγή βιοαερίου (1/9) 15
Παραγωγή βιοαερίου (2/9) Εγκατάσταση που διεργάζεται χωριστά τα στερεά και υγρά απόβλητα [1] Αποτελείται από: Τον αρχικό λάκκο (Β1) της ρευστοποίησης, όπου τα ριπτόμενα απορρίμματα βρέχονται και αναμιγνύονται με υγρά από τον χωνευτή υγρών (Β3), πολτοποιούνται και με την αντλία παχύρρευστών υγρών κατευθύνονται στο επάνω μέρος του χωνευτή (Β2) Τον χωνευτή υγρών (Β3) όπου οδηγούνται τα απομαστευόμενα υγρά (στραγγίσματα) από τον χωνευτή στερεών 16
Παραγωγή βιοαερίου (3/9) Ο χωνευτής ρευστών είναι θερμαινόμενος (35 C) και διαθέτει σιφώνι υπερχείλισης υγρών Ο αεριοκώδωνας (Β4), όπου συγκεντρώνεται το βιοαέριο, εξασφαλίζει σταθερή πίεση στους καταναλωτές 17
Παραγωγή βιοαερίου (4/9) 18
Παραγωγή βιοαερίου (5/9) Εγκατάσταση που επεξεργάζεται χωριστά τα στερεά και υγρά απόβλητα [1] Το σύστημα αυτό παρουσιάζει τρία βασικά χαρακτηριστικά: Επεξεργάζεται στερεά απόβλητα μεγέθους μερικών εκατοστών και έτσι βρίσκουμε στα κατάλοιπα που χρησιμοποιούνται για λίπασμα άχυρα μήκους 5 6 cm Επεξεργάζεται στερεά και υγρά ανάμικτα με μεγάλο εύρος αναλογίας σε νερό (35 90%) 19
Παραγωγή βιοαερίου (6/9) Εξασφαλίζει κατά την λειτουργία τον διαχωρισμό στερεών και υγρών Τα στερεά συγκεντρώνονται στο στερεό υπόλειμμα, με υγρασία 75-80%, που χρησιμοποιείται ως εδαφοβελτιωτικό Είναι εφικτή η μείωση της υγρασίας του στερεού με ταινιοφιλτρόπρεσσα 20
Παραγωγή βιοαερίου (7/9) Χωνευτήρας μικρής χωρητικότητας 21
Παραγωγή βιοαερίου (8/9) Σύσταση και επεξεργασία απορριμμάτων κοπριών Τα απορρίμματα βοοειδών στα οποία η συγκράτηση σε στερεά υλικά είναι της τάξης 10 12% και μεταβάλλεται ανάλογα με την προέλευση του απορρίμματος, τον τύπο των βοοειδών, τις συνθήκες σταυλισμού, την προσθήκη ή όχι του νερού πλύσης ή του νερού της βροχής 22
Παραγωγή βιοαερίου (9/9) Τα απορρίμματα χοίρων των οποίων η περιεκτικότητα σε στερεά μπορεί να φθάσει το 4 6% αν τρέφονται με ξηρά τροφή και το 3 4% αν τρέφονται με ορό, και λιγότερο εάν πρόκειται για απορρίμματα διαλυμένα σε νερά πλύσης Τα απορρίμματα πουλερικών (γενικά των ωοτόκων) έχουν υψηλότερη περιεκτικότητα σε στερεά που φθάνει το 20 30%. Ενδεχομένως το 1/3 αυτών να είναι άμμος Όλα τα απορρίμματα ενδέχεται να περιέχουν υλικά που παρεμποδίζουν την μεθανοποίηση Όλα τα απορρίμματα είναι αντλήσιμα, γεγονός που επιτρέπει ευκολότερη επεξεργασία τους 23
Μελλοντικές προοπτικές [1] (1/2) Σύμφωνα με εκτιμήσεις είναι δυνατή η κάλυψη του 10 ως 50% των παγκόσμιων ενεργειακών αναγκών από διαδικασίες βιομετατροπής Η ενέργεια αυτή μπορεί να προέλθει από τις καλλιέργειες (ξηράς και ύδατος) και από τα οργανικά απόβλητα (αστικά και γεωργικά) 24
Μελλοντικές προοπτικές [1] (2/2) Ετησίως παράγονται δισεκατομμύρια τόνοι αστικών στερεών αποβλήτων, παγκοσμίως που μπορούν να χρησιμοποιηθούν απευθείας ως καύσιμο Βιομάζα μπορεί να βρεθεί σε οποιαδήποτε γεωγραφική περιοχή, γεωργική, δασική, ξηρού ή υγρού κλίματος 25
Μελλοντικές προοπτικές [2] Επειδή η βιομάζα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ενέργειας σε πολλές μορφές (αέρια, θερμότητα, ατμός, ηλεκτρισμός και πρώτες ύλες για την χημική βιομηχανία) βρίσκει εφαρμογές σε πολλούς ενεργειακούς τομείς Στις ΗΠΑ η ενέργεια που λαμβάνεται από την καύση του ξύλου υπολογίζεται στο ~50% της μετατροπής βιομάζας. Τα 2/3 αυτής της ενέργειας χρησιμοποιείται στην παραγωγή ατμού και ηλεκτρικής ενέργειας Τα αστικά στερεά απόβλητα φθάνουν το ~16% των καυσίμων βιομάζας 26
Σταθμός ηλεκτροπαραγωγής με βιοαέριο (1/2) Σταθμός ηλεκτροπαραγωγής με βιοαέριο 24 MW δαπάνης 34 εκατ. (ΧΥΤΑ Άνω Λιοσίων Αττική) 27
Σταθμός ηλεκτροπαραγωγής με βιοαέριο (2/2) 28
Δυνατότητες μετατροπής ενέργειας (1/2) Σήμερα υπάρχουν πολλά προγράμματα βιομετατροπής που παρέχουν ενέργεια αλλά και χρήσιμες πληροφορίες. Στο άμεσο μέλλον εκτιμάται ότι θα παίξουν σημαντικό ρόλο στην παραγωγή ενέργειας Αστικά και βιομηχανικά απόβλητα Γεωργικά και δασοκομικά απόβλητα Ενεργειακές αγροκαλλιέργειες και υδατοκαλλιέργειες (γλυκού νερού) Θαλάσσιες υδατοκαλλιέργειες 29
Δυνατότητες μετατροπής ενέργειας (2/2) 30
Διαχείριση απορριμμάτων στην ΕΕ 31
Τέλος Ενότητας 32
Σημείωμα Αναφοράς Copyright, Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών, Σκόδρας Γεώργιος. «Ήπιες και νέες μορφές ενέργειας». Έκδοση: 1.0. Κοζάνη 2015. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: https:// eclass.uowm.gr/courses/mech244/ 33
Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Όχι Παράγωγα Έργα Μη Εμπορική Χρήση 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] h t t p ://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό 34
Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει) μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους. 35