Logo-Bioenarea

Οδηγός Σχεδιασμού Βιοενεργειακών Συστημάτων - BISYPLAN

Αρχική Σελίδα

Αυτό το κεφάλαιο:
Κατεβάστε αυτό το κεφάλαιο σε PDF
- Εισαγωγή
- Βασικά συστατικά
- Σημαντικοί παράγοντες
- - Υγρασία
- - Συνολικά Στερεά
- - Λόγος Άνθρακα προς Άζωτο (C/N)
- Παράμετροι λειτουργίας
- Λειτουργία της διεργασίας
- - Εμπόδια
- - Υπόστρωμα και θρεπτικά
- Ιδιότητες βιοαερίου
- - Χημική σύσταση
- - Φυσικά χαρακτηριστικά
- Αναβάθμιση και χρήση του βιοαερίου
- Υπολείμματα ζύμωσης
- - Χρήση στην κηπουρική και τη γεωργία
- Διεργασίες για βιοαποικοδομήσιμα υλικά

Περιεχόμενα Οδηγού

01 Εισαγωγή στη βιομάζα
01-00 Γενική εισαγωγή στη βιομάζα
01-01 Λιγνοκυτταρινούχος βιομάζα (ξυλώδης)
01-02 Ποώδης βιομάζα (καλλιέργειες)
01-03 Βιοαποικοδομήσιμη βιομάζα (υποστρώματα)
01-04 Άλλες κατηγορίες (απόβλητα/απορρίμματα)

02 Θέματα δυναμικού βιομάζας
02-00 Γενικά στοιχεία δυναμικού βιομάζας
02-01 Δυναμικό ξυλώδους βιομάζας
02-02 Δυναμικό ποώδους βιομάζας
02-03 Δυναμικό βιοαποικοδομήσιμης βιομάζας
02-04 Δυναμικό αποβλήτων/απορριμμάτων

03 Εφοδιαστικές αλυσίδες και συστήματα
03-00 Γενικά στοιχεία εφοδιαστικών αλυσίδων βιομάζας
03-01 Εφοδιαστική ξυλώδους βιομάζας
03-02 Εφοδιαστική ποώδους βιομάζας
03-03 Εφοδιαστική βιοαποικοδομήσιμης βιομάζας
03-04 Εφοδιαστική άλλων υπολειμμάτων και αποβλήτων

04 Παραγωγή βιοενέργειας
04-00 Γενικά στοιχεία παραγωγής βιοενέργειας
04-00 περιλαμβάνει ενότητες για διαφορετικές διεργασίες όπως καύση, αεριοποίηση, πυρόλυση, αναβάθμιση, βιοχημική επεξεργασία, κτλ…
04-01 Ιδιότητες διεργασιών ξυλώδους βιομάζας
04-02 Ιδιότητες διεργασιών ποώδους βιομάζας
04-03 ΤΡΕΧΟΝ
04-04 Ιδιότητες διεργασιών αποβλήτων/απορριμμάτων

05-00 Γενικά οικονομικά στοιχεία βιοενέργειας
05-01 Στοιχεία κόστους για ξυλώδη βιομάζα
05-02 Στοιχεία κόστους για ποώδη βιομάζα
05-03 Στοιχεία κόστους για βιοαποικοδομήσιμη βιομάζα
05-04 Στοιχεία κόστους για απόβλητα/απορρίμματα

04-03: Βιοαποικοδομήσιμη βιομάζα - Ιδιότητες και διεργασίες

Όλοι οι ζωντανοί οργανισμοί χρειάζονται τρόφιμα για να επιβιώσουν, να ευδοκιμήσουν και να αναπτυχθούν. Οι πρωτεΐνες, τα λιπαρά και τα σάκχαρα έχουν διατροφική αξία για τους ζωντανούς οργανισμούς. Και τα τρία είναι πολύ σημαντικά, καθώς προσφέρουν δομικά συστατικά και ενέργεια τόσο στα φυτά όσο και στα ζώα. Είναι οργανικά μόρια και μπορούν να βρεθούν ως συστατικά στα τρόφιμα φυτικής αλλά και ζωικής προέλευσης.

Για τα βιοποικοδομήσιμα υλικά, όπως τα υπολείμματα από τρόφιμα, η κοπριά και η λυματολάσπη, οι καταλληλότερες μέθοδοι για την παραγωγή ενέργειας είναι η αναερόβια χώνευση και η ζύμωση. Αυτό το κεφάλαιο επικεντρώνεται στην αναερόβια χώνευση, τις διεργασίες και τις ιδιότητές της. Στην Ενότητα 04-03-08 παρουσιάζονται συνοπτικά άλλες, λιγότερο κατάλληλες, μέθοδοι για παραγωγή ενέργειας από βιοαποικοδομήσιμα.

Όπως αναφέρθηκε και στο εισαγωγικό Κεφάλαιο (01-03), η αναερόβια χώνευση λαμβάνει χώρα σε θερμαινόμενο, σφραγισμένο δοχείο χωρίς παρουσία αέρα (το χωνευτήρα), που δημιουργεί τις ιδανικές συνθήκες για τα βακτήρια ώστε να ζυμώσουν το βιολογικό υλικό σε συνθήκες απουσίας οξυγόνου. Για να δημιουργηθούν οι ιδανικές συνθήκες για τη μετατροπή της οργανικής ύλης σε βιοαέριο (ένα μίγμα διοξειδίου του άνθρακα, μεθανίου και μικρών ποσοτήτων άλλων αερίων) από τα βακτήρια, η δεξαμενή χώνευσης θα πρέπει να αναδεύεται με προσοχή και να γίνεται καλή ανάμιξη. Στην ενότητα 01-03-02,περιγράφονται οι τρεις κύριοι τύποι παραγωγής βιοαερίου (ψυχρόφιλη, μεσόφιλη και θερμόφιλη).

04-03-01: Βασικά συστατικά [1]

Οι Υδατάνθρακες είναι σάκχαρα που χρησιμοποιεί το σώμα για να πάρει ενέργεια. Οι απλοί υδατάνθρακες, ή αλλιώς απλά σάκχαρα, προσφέρουν εύκολη ενέργεια στο σώμα. Μπορούν να βρεθούν στα φρούτα, το γάλα και την άσπρη ζάχαρη. Πιο πολύπλοκοι υδατάνθρακες, όπως οι φυτικές ίνες και το άμυλο, αποδομούνται στο σώμα πιο αργά από τους απλούς υδατάνθρακες.
Μπορούν να βρεθούν στα λαχανικά, το ψωμί, το ρύζι, τη βρώμη, τα προϊόντα ολικής άλεσης και τα μπιζέλια. Τα σάκχαρα μπορούν να χωριστούν σε δύο ομάδες: τα απλά σάκχαρα (μονοσακχαρίτες) και τα πιο πολύπλοκα σάκχαρα (πολυσακχαρίτες), τα οποία αποτελούνται από πολλές μονάδες μονοσακχαριτών.

Λιπαρά: Οι ζωντανοί οργανισμοί χρειάζονται τα λιπαρά για να αναπτυχθούν και να επεξεργαστούν τις βιταμίνες. Υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τύποι λιπαρών. Τα πολυακόρεστα και μονοακόρεστα λιπαρά είναι ωφέλιμα για το σώμα. Τέτοια λιπαρά μπορούν να βρεθούν στους ξηρούς καρπούς και τα ψάρια, αλλά και στο ελαιόλαδο, το φυστικέλαιο, το καρθαμέλαιο και το λάδι ελαιοκράμβης.
Άλλοι τύποι λιπαρών, συμπεριλαμβανομένων των κορεσμένων και των trans λιπαρών, αποκαλούμενα και υδρογονωμένα έλαια, μπορεί να αυξήσουν τον κίνδυνο εμφάνισης συγκεκριμένων ασθενειών. Αυτά τα λιπαρά μπορούν να βρεθούν στο βούτυρο, στα τηγανητά και ψητά τρόφιμα, στο φαστ φουντ, στο πλήρες γάλα και στο κρέας από πολλά ζώα. Τα λιπαρά έχουν τη μεγαλύτερη πυκνότητα ενέργειας από όλα τα συστατικά διατροφής. Μπορούν να βρεθούν τόσο σε ζωικούς όσο και φυτικούς οργανισμούς, λειτουργώντας ως πηγή ενέργειας για αυτούς. Χάρη στη χημική τους δομή μπορούν να προσφέρουν τη μεγαλύτερη δυνατή ποσότητα ενέργειας στους οργανισμούς από τη μικρότερη ποσότητα ύλης. Λόγω της ανάγκης που έχουν τα περισσότερα ζώα (και ο άνθρωπος) να έχουν ένα απόθεμα ενέργειας για όταν χρειαστεί, είναι λογικό ότι αυτά τα αποθέματα λίπους δεν μπορούν να απορριφθούν όποτε το θεωρήσει απαραίτητο ο οργανισμός. Με άλλα λόγια, ένας οργανισμός δεν μπορεί να ξεφορτωθεί το λίπος του απλά επειδή έτσι θέλει.
Τα φυτικά λίπη είναι βρίσκονται στη φύση ως παχύρρευστα υγρά
Τα ζωικά λίπη είναι, φυσικά, στερεά σε θερμοκρασία δωματίου

Οι Πρωτεΐνες συμβάλλουν στην ανάπτυξη του σώματος, χτίζουν τους μύες και δίνουν ενέργεια. Φαγητά πλούσια σε πρωτεΐνες είναι το κρέας, τα αυγά, το αβοκάντο, οι ξηροί καρποί και τα φασόλια.
Οι πρωτεΐνες αποτελούνται από μακριές αλυσίδες αμινοξέων. Τα αμινοξέα είναι οργανικά μόρια που έχουν μία αμινομάδα και μία καρβοξυλομάδα. Οι πρωτεΐνες μπορούν να περιλαμβάνουν μέχρι και πάνω από 200 αμινοξέα και οι περισσότερες διαλύονται στο νερό. Οι ζωντανοί οργανισμοί αφομοιώνουν συνεχώς, αν και σταδιακά, ουσίες που λαμβάνουν έξω από το σώμα τους, μεταξύ των οποίων και πρωτεΐνες. Άλλες ουσίες που αφομοιώνονται από τον οργανισμό μπορεί να είναι βλαβερές, π.χ. τα βαρέα μέταλλα όπως ο μόλυβδος. Οι πρωτεΐνικές και πεπτιδικές αλυσίδες διίστανται ή διασπώνται στις βασικές δομικές μονάδες τους ή σε αμινοξέα. Σε αυτή την αντίδραση, οι πεπτιδικοί δεσμοί, με τους οποίους συνδέονται μεταξύ τους τα αμινοξέα, σπάνε και μόρια νερού αντιδρούν με τα συστατικά που παράγονται. Αυτό καλείται αντίδραση υδρόλυσης και είναι το αντίθετο μιας αντίδρασης συμπύκνωσης. Η υδρόλυση των πεπτιδίων και των πρωτεΐνών συμβαίνει στα κύτταρα των ζωντανών οργανισμών, καθώς και όταν οι οργανισμοί χωνεύουν το φαγητό στο πεπτικό τους σύστημα. Τα ένζυμα συμμετέχουν και αυτά στη διαδικασία, επιταχύνοντάς τη, παίζοντας δηλαδή το ρόλο του καταλύτη.

Εικόνα 04-03 1: Κύρια συστατικά των τροφίμων και οι διεργασίες μετατροπής τους κατά την αναερόβια χώνευση [2]

04-03-02: Σημαντικοί παράγοντες για να γίνει χωνεύσιμη η βιομάζα

Όταν οι πρώτες ύλες (υπόστρωμα) χωνεύονται σε ένα δοχείο, ένα μέρος μόνο από αυτές μετατρέπεται σε μεθάνιο και ιλύ. Ένα κομμάτι τους χωνεύεται μόνο μερικώς, σε διάφορους βαθμούς ή και καθόλου και συσσωρεύεται στο χωνευτήρα ή απομακρύνεται με τα στραγγίσματα και τα απόβλητα. Η «χωνευσιμότητα» και άλλες κύριες ιδιότητες της οργανικής ύλης, συνήθως εκφράζονται με τους παρακάτω όρους (μπορείτε να αναζητήσετε βοήθεια και στην ενότητα της ορολογίας στο Παράρτημα Αναλύσεων Καυσίμου, αλλά έχετε υπόψη ότι η ορολογία διαφέρει ελαφρώς στις βιοχημικές και θερμοχημικές εφαρμογές):

Υγρασία – Το βάρος του νερού που χάνεται κατά την ξήρανση στους 105 oC μέχρι να σταματήσει η απώλεια βάρους.

Συνολικά Στερεά (ΣΣ) – Το βάρος του ξηρού υλικού που απομένει μετά την ξήρανση, όπως περιγράφηκε παραπάνω. Το βάρος των ΣΣ είναι συνήθως ισοδύναμο με την «ξηρή μάζα» (παρόλα αυτά, αν ξηράνετε το υλικό στον ήλιο, θεωρήστε ότι περιλαμβάνει ακόμα περίπου 30% υγρασία). Τα ΣΣ αποτελούνται από χωνεύσιμα οργανικά ή «Πτητικά Στερεά» (ΠΣ) και μη χωνεύσιμα υπολείμματα ή «Παραμένοντα Στερεά»

Πτητικά Στερεά (ΠΣ) – Το βάρος των οργανικών στερεών που καίγεται όταν αναφλεγεί το ξηρό υλικό (με θέρμανση στους περίπου 538 °C). Αυτή είναι μια χρήσιμη ιδιότητα των οργανικών υλικών, καθώς τα ΠΣ μπορούν να θεωρηθούν ως η ποσότητα των στερεών που χωνεύονται από τα βακτήρια.

Παραμένοντα Στερεά (ΠαΣ) – Πρόκειται για το βάρος του υλικού που παραμένει μετά την ανάφλεξη. Είναι βιολογικά αδρανές υλικό. Για παράδειγμα, θεωρήστε τη σύσταση φρέσκων κουτσουλιών από κοτόπουλα (Εικόνα 04-03 2). Από τα 100 κιλά φρέσκιας κουτσουλιάς, τα 72 – 80 κιλά είναι νερό και μόλις 15 – 24 κιλά (75 – 80% Πτητικά Στερεά από τα 20 – 28% των Συνολικών Στερεών) θα είναι πρακτικά διαθέσιμα για χώνευση.

Εικόωα 04-03 2: Σύσταση κουτσουλιών από κοτόπουλα [3]

Λόγος Άνθρακα προς Άζωτο (C/N)
Από βιολογικής άποψης οι χωνευτές μπορούν να θεωρηθούν ως μια καλλιέργεια βακτηρίων που τρέφονται από και μετατρέπουν οργανικά απόβλητα. Τα στοιχεία άνθρακας (υπό μορφή υδατανθράκων) και άζωτο (ως πρωτεΐνες, νιτρικά, αμμωνία κ.λπ.) είναι τα κύρια τρόφιμα των αναερόβιων βακτηρίων. Ο άνθρακας χρησιμοποιείται ως ενέργεια και το άζωτο για το χτίσιμο των δομών των κυττάρων.

Τα βακτήρια καταναλώνουν άνθρακα περίπου 30 φορές γρηγορότερα από ό,τι το άζωτο. Η αναερόβια χώνευση προχωράει καλύτερα όταν το υπόστρωμα που δίνεται στα βακτήρια περιλαμβάνει συγκεκριμένη ποσότητα άνθρακα και αζώτου. Ο λόγος άνθρακα προς άζωτο (C/N) αντικατοπτρίζει την αναλογία μεταξύ των δύο στοιχείων. Ένα υλικό με 15 φορές περισσότερο άνθρακα από άζωτο θα έχει ένα λόγο C/N ίσο με 15 προς 1 (γράφεται C/N = 15/1 ή απλά 15).

Ένας λόγος C/N 30 (C/N = 30/1, 30 φορές περισσότερος άνθρακας από άζωτο) θα επιτρέψει τη χώνευση να προχωρήσει με το βέλτιστο ρυθμό εφόσον φυσικά το επιτρέπουν και οι υπόλοιπες συνθήκες.
Αν υπάρχει περισσότερος άνθρακας από ό,τι πρέπει (υψηλός λόγος C/N, π.χ. 60/1) στις πρώτες ύλες, το άζωτο θα τελειώσει πρώτο και θα μείνει άνθρακας, κάτι που θα ρίξει πολύ το ρυθμό χώνευσης στο χωνευτήρα.
Από την άλλη, αν υπάρχει πάρα πολύ άζωτο (χαμηλός λόγος C/N, π.χ. 30/15 ή αλλιώς 2), ο άνθρακας θα καταναλωθεί πρώτος και η χώνευση θα σταματήσει. Το υπολειπόμενο άζωτο θα χαθεί ως αέρια αμμωνία (NH3). Αυτή η απώλεια αζώτου μειώνει τη γονιμότητα της λάσπης στην εκροή.

Υπάρχουν πολλοί πίνακες που περιέχουν τιμές του λόγου C/N για διάφορα οργανικά υλικά, αλλά μπορεί να είναι παραπλανητικοί για τουλάχιστον δύο λόγους:
1. Ο λόγος άνθρακα προς άζωτο που μετριέται χημικά στο εργαστήριο συχνά δεν είναι ο ίδιος με το λόγο C/N που είναι διαθέσιμος στα βακτήρια ως τροφή (ένα μέρος του υλικού ίσως να μην μπορούν να το χωνεύσουν τα βακτήρια, π.χ. άχυρο, λιγνίνη, κ.λπ.)
2. Η περιεκτικότητα σε άζωτο ή άνθρακα ενός συγκεκριμένου είδους ζωικού ή φυτικού αποβλήτου μπορεί να διαφέρει πάρα πολύ, ανάλογα με την ηλικία και τις συνθήκες ανάπτυξης του φυτού και τη δίαιτα, την ηλικία, το βαθμό ελευθερίας κ.λπ. του ζώου.

Άζωτο: Λόγω των ποικίλων χημικών μορφών στις οποίες συναντάται το άζωτο στη φύση (αμμωνία ΝΗ3, νιτρικά ΝΟ3, πρωτεΐνες κ.λπ.) δεν υπάρχουν αξιόπιστα «γρήγορα» τεστ για τη μέτρηση της συνολικής ποσότητας αζώτου σε ένα συγκεκριμένο υλικό. Κάποιες αναλύσεις μετρούν το οργανικό και αμμωνιακό άζωτο (τεστ Kjedahl), άλλες το λόγο νιτρικού προς νιτρώδες κ.λπ. Επίσης, το άζωτο μπορεί να μετρηθεί ως προς την υγρή μάζα, τη ξηρή μάζα ή την περιεκτικότητα του υλικού σε πτητικά στερεά. Όλες αυτές οι μέθοδοι θα δίνουν διαφορετικές τιμές για το ποσοστό του αζώτου. Τέλος, η περιεκτικότητα ενός συγκεκριμένου τύπου κοπριάς ή φυτικού αποβλήτου σε άζωτο μπορεί να διαφέρει ανάλογα με τις συνθήκες καλλιέργειας / ανάπτυξης, την ηλικία, τη δίαιτα κ.ο.κ.

Για παράδειγμα, μια μελέτη ανέφερε ένα χωράφι κριθάρι που περιείχε 39% πρωτεΐνες την 21η μέρα ανάπτυξης, 12% την 49η μέρα (στο στάδιο άνθησης) και μόλις 4% πρωτεΐνη την 86η μέρα. Είναι φανερό το πόσο πολύ εξαρτάται η περιεκτικότητα σε πρωτεΐνες από την ηλικία του φυτού.

Η περιεκτικότητα σε άζωτο της κοπριάς επίσης έχει μεγάλη διακύμανση. Γενικά, οι κοπριές αποτελούνται από κόπρανα, ούρα και κάποιο υλικό υποστρώματος (άχυρο, κοτσάνια καλαμποκιού, σανό κ.λπ.) που μπορεί να χρησιμοποιείται στις κτηνοτροφικές μονάδες. Επειδή τα ούρα είναι ο τρόπος με τον οποίο το ζώο αποβάλλει το άζωτο που του περισσεύει, η περιεκτικότητα των κοπριών σε άζωτο επηρεάζεται σημαντικά από το πόσα ούρα έχουν συλλεχτεί μαζί με τα κόπρανα.

Για παράδειγμα, τα πτηνά αποβάλλουν κόπρανα και ούρα ταυτόχρονα, συνεπώς οι κουτσουλιές από κοτόπουλα, γαλοπούλες, πάπιες και περιστέρια έχουν υψηλότερη περιεκτικότητα αζώτου από τις υπόλοιπες ζωικές κοπριές.

Οι κοπριές που ακολουθούν σε περιεκτικότητα αζώτου είναι αυτές των ανθρώπων, των γουρουνιών, των προβάτων και μετά των αλόγων, λόγω της ποικιλίας στη δίαιτα ή τη βοσκή τους. Τα βοοειδή και άλλα μηρυκαστικά, τα οποία βασίζονται στα βακτήρια στο έντερό τους για τη χώνευση της φυτικής τροφής, έχουν χαμηλή περιεκτικότητα αζώτου στην κοπριά τους, επειδή πολύ από το διαθέσιμο άζωτο χρησιμοποιείται για να τραφούν τα βακτήρια του εντέρου. Ακόμα και στο ίδιο είδος ζώου μπορούν να παρατηρηθούν μεγάλες διαφορές στην ποσότητα αζώτου στην κοπριά.

Για παράδειγμα, η κοπριά των αλόγων από τους στάβλους μπορεί να περιέχει περισσότερο άζωτο από την κοπριά του λιβαδιού επειδή στο στάβλο τα κόπρανα και τα ούρα αποβάλλονται και συλλέγονται σε περιορισμένο χώρο. Από τη στιγμή που υπάρχουν τόσο πολλές μεταβλητές κι επειδή τα αναερόβια βακτήρια μπορούν να χρησιμοποιήσουν τις περισσότερες μορφές του αζώτου, το διαθέσιμο άζωτο των βιολογικών υλικών μπορεί, στην καλύτερη περίπτωση, να γενικευτεί και να παρουσιαστεί ως συνολικό άζωτο (% του ξηρής μάζας).

Άνθρακας: Σε αντίθεση με το άζωτο, ο άνθρακας συναντάται σε πολλές μορφές, οι οποίες δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν άμεσα από τα βακτήρια. Η πιο κοινή μη χωνεύσιμη μορφή άνθρακα είναι η λιγνίνη, μια πολύπλοκη φυτική ένωση που δίνει στα φυτά της ξηράς ακαμψία και τα προστατεύει από την αποσύνθεση. Η λιγνίνη εισέρχεται σε ένα χωνευτή είτε απευθείας, με το ίδιο το φυτικό υλικό ή έμμεσα, ως στρώμα ή φυτική ύλη στην κοπριά που δεν έχει χωνευτεί. Έτσι, μια πιο ακριβής εικόνα του αριθμητή C στο λόγο C/N προκύπτει αν ληφθεί υπόψη η «μη λιγνινική» περιεκτικότητα των φυτικών αποβλήτων.

Ο παρακάτω πίνακας (Πίνακας 04-03 1α-γ) παρουσιάζει μια περίληψη των πιο σημαντικών χημικών ιδιοτήτων των βιολογικών υλικών. Οι τιμές αποτελούν μέσους όρους από πολλές πηγές και θα πρέπει να χρησιμοποιούνται μόνο για προσεγγίσεις.

Ζωικά
απόβλητα
Ολικό άζωτο
((% ξηρή μάζα))
Λόγος C/N Κοπριά Ολικό άζωτο
(% ξηρή μάζα)
Λόγος C/N
Ούρα 16 0.8 Ανθρώπινα κόπρανα 6 6 - 10
Αίμα 12 3.5 Ανθρώπινα ούρα 18
Οστεάλευρα 3.5 Κουτσουλιές κοτόπουλων 6.3 15
Υπολείμματα σφαγείων 4.1* Κοπριά προβάτων 3.8
Ξερά ξύσματα ψαριών 5.1* Κοπριά γουρουνιών 3.8
Κοπριά αλόγων 2.3 25*
Κοπριά βοοειδών 1.7 18*
Πίνακας 04-03 1α:Περιεκτικότητες ζωικών αποβλήτων σε άνθρακα και άζωτο
Το άζωτο είναι ολικό άζωτο – επί ξηρής βάσης Ο άνθρακας είναι είτε ολικός άνθρακας – επί ξηρής βάσης – ή «μη λιγνινικός άνθρακας (*), επί ξηρής βάσης

Φυτικά
απόβλητα
Ολικό άζωτο
(% ξηρή μάζα)
Λόγος C/N Φυτικές
ουσίες
Ολικό άζωτο
(% ξηρή μάζα)
Λόγος C/N
Σανό, Νεαρό χορτάρι 4 12 Σόγια 5
Σανό, αλφάλφα 2.8 17* Βαμβακόσπορος 5*
Σανό, Blue grass 2.5 19 Τσόφλια φυστικιών 36*
Φύκια 1.9 19
Λαχανικά** 2.5 - 4 11 - 19
Κόκκινο τριφύλλι 1.8 27
Άχυρο, Βρώμη 1.1 48
Άχυρο, Σιτάρι 0.5 150
Πριονίδι 0.1 200 - 500
Πίνακας 04-03 1β:Περιεκτικότητες φυτικών υπολειμμάτων σε άζωτο και άνθρακα
Το άζωτο είναι ολικό άζωτο – επί ξηρής βάσης
Ο άνθρακας είναι είτε ολικός άνθρακας – επί ξηρής βάσης – ή «μη λιγνινικός άνθρακας(*), επί ξηρής βάσης.
** Όχι όσπρια

Ιλύς Ολικό άζωτο
(% ξηρή μάζα)
Λόγος C/N
Milorganite 5.4*
Ενεργοποιημένη 5 6*
Φρέσκα λύματα 11*
Πίνακας 04-03 1γ: Περιεκτικότητες ιλύος υγρών αποβλήτων σε άνθρακα και άζωτο
Το άζωτο είναι ολικό άζωτο – επί ξηρής βάσης
Ο άνθρακας είναι είτε ολικός άνθρακας – επί ξηρής βάσης – ή «μη λιγνινικός άνθρακας (*), επί ξηρής βάσης

04-03-03: Παράμετροι λειτουργίας του χωνευτήρα

pH
Τα βακτήρια που παράγουν μεθάνιο χρειάζονται ουδέτερο έως ελαφρώς αλκαλικό περιβάλλον (pH 6.8 to 8.5). Βακτήρια που παράγουν οξέα αναπτύσσονται πολύ γρηγορότερα από εκείνα που παράγουν μεθάνιο. Αν τα βακτήρια που παράγουν οξύ αναπτυχθούν υπερβολικά γρήγορα, ίσως παράξουν περισσότερο οξύ από όσο μπορούν να καταναλώσουν τα μεθανογόνα βακτήρια. Η περίσσεια του οξέος θα συσσωρεύεται στο σύστημα, οδηγώντας σε πτώση του pH. Έτσι κινδυνεύει να αποσταθεροποιηθεί το σύστημα, εμποδίζοντας τη δραστηριότητα των μεθανογόνων βακτηρίων, κάτι που μπορεί ακόμα και να σταματήσει εντελώς την παραγωγή μεθανίου.

Για να αποφευχθεί μια τέτοια αστοχία, είναι κρίσιμης σημασίας η διατήρηση μιας μεγάλης ενεργούς ποσότητας βακτηρίων που παράγουν μεθάνιο. Συνεπώς, συστήματα κατακράτησης βιομάζας, είναι εγγενώς πιο σταθερά από εκείνα που βασίζονται στην ανάπτυξη βακτηρίων, όπως οι χωνευτές πλήρους ανάδευσης και εμβολικής ροής.

Χρόνος Υδραυλικής Κατακράτησης (ΧΥΚ)
Τα περισσότερα αναερόβια συστήματα είναι έτσι σχεδιασμένα ώστε να κατακρατούν το απόβλητο για συγκεκριμένο αριθμό ημερών. Ο αριθμός των ημερών που τα υλικά παραμένουν στον αντιδραστήρα είναι ο Χρόνος Υδραυλικής Κατακράτησης ή ΧΥΚ. Ο Χρόνος Υδραυλικής Κατακράτησης είναι ίσος με τον όγκο του αντιδραστήρα προς την ημερήσια ροή (ΧΥΚ=V/Q).

Ο Χρόνος Υδραυλικής Κατακράτησης είναι σημαντικός, καθώς καθορίζει το διαθέσιμο χρόνο για βακτηριακή ανάπτυξη και την ακόλουθη μετατροπή του οργανικού υλικού σε αέριο. Υπάρχει άμεση σχέση μεταξύ του ΧΥΚ και των Πτητικών Στερεών που μετατρέπονται σε αέριο. Μια τέτοια σχέση για γαλακτομοκικά απόβλητα φαίνεται στην Εικόνα 04-03 3.

Χρόνος Κατακράτησης Στερεών (ΧΚΣ)
Ο Χρόνος Κατακράτησης Στερεών (ΧΚΣ) είναι ο πιο σημαντικός παράγοντας που ελέγχει τη μετατροπή των στερεών σε αέριο. Είναι επίσης ο σημαντικότερος παράγοντας για τη διατήρηση της σταθερότητας του χωνευτήρα. Αν και ο υπολογισμός του συνήθως δεν παρουσιάζεται σωστά, είναι ίσος με την ποσότητα των στερεών που παραμένει στο χωνευτήρα προς την ποσότητα των στερεών που αποβάλλεται κάθε μέρα.

Όπου, V και Cd είναι ο όγκος και η συγκέντρωση των στερεών του χωνευτήρα ανίστοιχα, Qw ο όγκος της εκροής ημερησίων και Cw η συγκέντρωση των στερεών στην εκροή.

Σε ένα συμβατικό αντιδραστήρα πλήρους ανάδευσης ή εμβολικής ροής, o XYK είναι ίσος με το ΧΠΣ. Ωστόσο, σε ένα μεγάλο αριθμό αντιδραστήρων κατακράτησης βιομάζας, ο ΧΠΣ είναι μεγαλύτερος του ΧΥΚ. Αυτό έχει ως συνέπεια οι συγκεκριμένοι χωνευτές να μπορούν να είναι πολύ μικρότεροι από τους συμβατικούς και παρόλα αυτά να επιτυγχάνουν τον ίδιο βαθμό μετατροπής στερεών σε αέριο.

Η μετατροπή των πτητικών στερεών σε αέριο είναι συνάρτηση του ΧΚΣ παρά του ΧΥΚ. Αν ο λόγος ΧΚΣ είναι χαμηλός, δεν υπάρχει επαρκής χρόνος για να αναπτυχθούν τα βακτήρια και να αντικαταστήσουν εκείνα που απομακρύνονται με την εκροή. Αν ο ρυθμός απομάκρυνσης των βακτηρίων είναι μεγαλύτερος του ρυθμού ανάπτυξης, τότε έχουμε «ξέπλυμα» των βακτηρίων. Ο ΧΚΣ στον οποίο έχουμε «ξέπλυμα» είναι ο «κρίσιμος ΧΚΣ».

O Jewel έδειξε ότι 65 % το πολύ των πτητικών στερεών από κοπριά φάρμας γαλακτοκομικών μπορεί να μετατραπεί σε αέριο χωρίς μεγάλους χρόνους παρακράτησης. Ο Burke απέδειξε ότι το 65 – 67 % του χημικά απαιτούμενου οξυγόνου (COD) της κοπριάς από φάρμα γαλακτοκομικών μετατρέπεται σε αέριο. Μεγάλοι χρόνοι παραμονής απαιτούνται για τη μετατροπή της κυτταρίνης σε αέριο.

Εικόνα 04-03 3: Χώνευση Πτητικών Στερεών από απόβλητα φάρμας γαλακτοκομικών

Φορτίο χωνευτήρα (kg/m3/d)
Ούτε ο Χρόνος Υδραυλικής Κατακράτησης (ΧΥΚ) ούτε ο Χρόνος Κατακράτησης Στερεών (ΧΚΣ) μπορούν να περιγράψουν πλήρως την επίδραση που έχει η συγκέντρωση του εισρεόμενου αποβλήτου στον αναερόβιο χωνευτήρα: κάποιο απόβλητο μπορεί να είναι πολύ αραιό ενώ κάποιο άλλο πιο συμπυκνωμένο.

Το πιο πυκνό απόβλητο θα παράγει περισσότερο αέριο ανά μονάδα όγκου του και θα επηρεάσει το χωνευτήρα σε μεγαλύτερο βαθμό από ό,τι το αραιότερο απόβλητο.

Ένα πιο κατάλληλο μέτρο ελέγχου της επίδρασης του αποβλήτου στο μέγεθος και την απόδοση του χωνευτήρα είναι το φορτίο. Το φορτίο μπορεί να καταγράφεται ως κιλά αποβλήτου (συγκέντρωση εισροής επί την ροή εισόδου) ανά κυβικό μέτρο του όγκου του χωνευτήρα.

Μια κοινή μονάδα είναι κιλά εισερχόμενου αποβλήτου ανά κυβικό μέτρο χωνευτήρα ανά ημέρα (kg/m3/d). Ένα kg/m3/d είναι ίσο με 0.0624 lb/ft3/d.

Το φορτίο του χωνευτήρα μπορεί να υπολογιστεί αν είναι γνωστά ο ΧΥΚ και η συγκέντρωση του εισερχόμενου αποβλήτου.

Ο τύπος που το δίνει είναι ο:

, όπου CI είναι η συγκέντρωση εισόδου του αποβλήτου σε Kg/m3.

Αύξηση του φορτίου θα μειώσει το μέγεθος του χωνευτήρα αλλά παράλληλα θα μειώσει και το ποσοστό των πτητικών στερεών που θα μετατραπούν σε αέριο.

Υποφορτώνοντας τη διεργασία (χαμηλός ρυθμός εισροής υποστρώματος) έχει ως αποτέλεσμα χαμηλό ρυθμό παραγωγής βιοαερίου. Αν και αυτό μπορεί να εμποδίσει την αποτυχία της διεργασίας, δεν είναι αποδοτικό οικονομικά, καθώς δεν αξιοποιείται το σύνολο της δυναμικότητας. Ακόμα, η διεργασία εκτελείται σε επίπεδο κάτω του βέλτιστου και ο μικροβιακός πληθυσμός είναι παρών σε μια αργή μη δυναμική κατάσταση.

Αυξάνοντας το φορτίο επιτυγχάνεται αύξηση και στην παραγωγή βιοαερίου αλλά υπάρχει κίνδυνος υπερφόρτωσης, που οδηγεί στη συσσώρευση Πτητικών Λιπαρών Οξέων (ΠΛΟ). Υψηλή συγκέντρωση των ΠΛΟ χαμηλώνει το pH, γεγονός που τα κάνει τοξικότερα στους μεθανογόνους μικροοργανισμούς, κάτι που μπορεί να οδηγήσει σε σταμάτημα της διεργασίας.

Η παρουσία επαρκών θρεπτικών συστατικών έχει επίσης μεγάλη σημασία για την ανάπτυξη των μικροβιακών κυττάρων. Μακρο-θρεπτικά όπως ο άνθρακας, το υδρογόνο, το άζωτο και το οξυγόνο είναι τα κύρια συστατικά των κυττάρων στη βιομάζα. Το θείο, ο φώσφορος, το κάλιο, το ασβέστιο, το μαγνήσιο κ αι ο σίδηρος απαιτούνται για συγκεκριμένες πρωτεΐνες. Αυτά τα μακρο-θρεπτικά πρέπει να είναι παρόντα στα κύτταρα, ενώ άλλα μικρο-θρεπτικά, όπως το νικέλιο, το κοβάλτιο και ο χαλκός χρειάζονται σε μικρότερες ποσότητες. Τα περισσότερα θρεπτικά μπορεί να δράσουν ανασταλτικά αν βρίσκονται σε υψηλές συγκεντρώσεις. Θειικά και φωσφορικά μπορούν να μειώσουν τη διαθεσιμότητα μεταλλικών ιόντων λόγω καταβύθισης αλάτων τους. Υπό φυσιολογικές συνθήκες, όλα τα θρεπτικά συστατικά είναι παρόντα σε επαρκείς ποσότητες στην κοπριά από γουρούνια και βοοειδή.

04-03-04: Σταθερότητα και λειτουργία της διεργασίας παραγωγής βιοαερίου

Εδώ γίνεται ανασκόπηση της αναφοράς [4].

Οι παράγοντες που επηρεάζουν την παραγωγή βιοαερίου είναι κυρίως οι συνθήκες λειτουργίας και η τροφοδοσία:
Οι συνθήκες λειτουργίας, όπως το pH και η θερμοκρασία έχουν άμεση επίδραση στους μικροοργανισμούς
Διαταραχές από την τροφοδοσία περιλαμβάνουν τη σύσταση και συγκέντρωση του αποβλήτου καθώς και η παρουσία τοξικών ή παρεμποδιστικών ουσιών. Πολλές φορές, οι τοξικές ουσίες δεν είναι παρούσες εξαρχής αλλά παράγονται μέσα στον αντιδραστήρα από την αποδόμηση του υποστρώματος (π.χ. πτητικά λιπαρά οξέα – ΠΛΟ – και αμμωνία).

04-03-04α: Παράμετροι που μπορεί να εμποδίσουν ή να καθυστερήσουν τη χώνευση

Τα συστατικά των αποβλήτων δεν αποικοδομούνται ή μετατρέπονται (με αναερόβια χώνευση) σε αέριο στον ίδιο βαθμό.

Τα αναερόβια βακτήρια δεν αποικοδομούν τη λιγνίνη και κάποιους άλλους υδρογονάνθρακες. Η χώνευση αποβλήτου υψηλής περιεκτικότητας σε άζωτο και θείο μπορεί να παράγει τοξικές συγκεντρώσεις αμμωνίας και υδρόθειου. Απόβλητα που δεν είναι εύκολα διαλυτά στο νερό θα διασπώνται αργά.

Για παράδειγμα, έχει αναφερθεί ότι η κοπριά από φάρμες γαλακτοκομίας αποικοδομείται πιο αργά από την κοπριά γουρουνιών ή πτηνοτροφίας.

Η σύσταση της κοπριάς από γαλακτοκομικές φάρμες παρουσιάζεται στον Πίνακα 04-03 2. Όπως φαίνεται από τον πίνακα, η πλειονότητα των πτητικών στερεών αποτελείται από κυτταρίνη και ημικυτταρίνες, οι οποίες αμφότερες μετατρέπονται εύκολα σε μεθάνιο από αναερόβια βακτήρια. Παρόλα αυτά, όπως προαναφέρθηκε, η λιγνίνη δεν αποικοδομείται κατά την αναερόβια χώνευση. Δεδομένου του ότι ένα σημαντικό ποσοστό των πτητικών στερεών στα γαλακτοκομικά απόβλητα είναι λιγνίνη, το ποσοστό των πτητικών στερεών της κοπριάς αγελάδας που μπορεί να μετατραπεί σε αέριο είναι χαμηλότερο συγκριτικά με άλλες κοπριές και απόβλητα.

Τα χαρακτηριστικά της κοπριάς καθορίζουν επίσης και το ποσοστό διοξειδίου του άνθρακα και μεθανίου στο παραγόμενο βιοαέριο. Το τυπικό βιοαέριο από φάρμα γαλακτοκομικών θα αποτελείται από 55 ως 65 % μεθάνιο και 35 – 45 % διοξείδιο του άνθρακα. Ίχνη υδροθείου και αζώτου θα είναι επίσης παρόντα.

Συστατικό Βάρος (% ολικών στερεών)
Πτητικά 83.0
Αιθέρια εκχυλίσματα 2.6
Κυτταρίνη 31.0
Ημικυτταρίνη 12.0
Λιγνίνη 12.2
Άμυλο 12.5
Ακατέργαστη πρωτεΐνη 12.5
Αμμωνία 0.5
Οξέα 0.1
Πίνακας 04-03 2: Σύσταση κοπριάς από γαλακτοκομικά

04-03-04β: Υπόστρωμα και θρεπτικά

Ο τύπος και η σύσταση του υποστρώματος καθορίζουν άμεσα την παραγωγή βιοαερίου. Η συνολική εισροή αναερόβιου υποστρώματος συνήθως μετράται με όρους Χημικά Απαιτούμενου Οξυγόνου (COD) ή ολικών πτητικών στερεών (ΠΣ). Σε αυτή την περίπτωση είναι πολύ σημαντικό να γίνεται σωστός διαχωρισμός ανάμεσα στο διαθέσιμο αποικοδομήσιμο κλάσμα και το αδρανές κλάσμα, καθώς ένα σημαντικό ποσοστό του εισερχόμενου COD ή των ΠΣ μπορεί να είναι αδρανές (βλέπετε ενότητα 04-03-02). Η κοπριά, η οποία περιέχει πολύ νερό και άλλα δύσκολα αξιοποιήσιμα κλάσματα, έχει χαμηλότερο βαθμό παραγωγής μεθανίου ανά ΠΣ ή COD από ό,τι εύκολα αποικοικοδομήσιμο υπόστρωμα, όπως τα οργανικά απόβλητα.
Η λιγνίνη θεωρείται μη βιοαποικοδομήσιμη σε αναερόβιους αντιδραστήρες
Οι υδατάνθρακες χωρίζονται σε εύκολα αποικοδομήσιμα (Ε) και αργά αποικοδομήσιμα (S) κλάσματα
Τα λιπίδια, οι πρωτεΐνες και τα ΠΛΟ θεωρούνται εύκολα αποικοδομήσιμα.

Ένα παράδειγμα διαφορετικών κλασμάτων άνθρακα σε κοπριά από διαφορετικές πηγές φαίνεται στην Εικόνα 03-03 4.

Ο βαθμός παραγωγής μεθανίου από κοπριά αγελάδας είναι μεταξύ 0.1 – 0.4 m3 CH4/kg ΠΣ, ενώ η κοπριά από γουρούνια παρουσιάζει υψηλότερη παραγωγή μεθανίου λόγω υψηλότερης περιεκτικότητας σε πρωτεΐνες και λιπίδια, λιγότερης λιγνίνης και παρουσίας υδατανθράκων που αποικοδομούνται γρηγορότερα. Ο παράγοντας αυτός εξαρτάται σημαντικά από την τροφή των ζώων.

Εικόνα 03-03 4:Μέση συγκέντρωση ΠΣ σε φρέσκια κοπριά βοοειδών, κοπριά γουρουνιών σε πάχυνση, κοπριά γουρουνιού, στερεό κλάσμα από χημική καταβύθιση κοπριάς (SFC), στερεό κλάσμα από φυγοκέντριση κοπριάς γουρουνιών (SFD), υγρό κλάσμα προκατεργασμένο με φυγόκεντρο αφυγραντήρα (E-conc.) και άχυρο σιταριού [5]

04-03-05: Ιδιότητες βιοαερίου – Περιεκτικότητα σε νερό

Το βιοαέριο που παράγεται σε εγκαταστάσεις αναερόβιας χώνευσης είναι κορεσμένο σε υδρατμούς τη στιγμή που απομακρύνεται από το χωνευτήρα. Οι υδρατμοί μπορεί να συμπυκνωθούν – ή και να παγώσει το χειμώνα - στις σωληνώσεις και σε συνδυασμό με τα οξείδια του θείου και άλλα όξινα συστατικά να τους διαβρώσουν. Αυξάνοντας την πίεση ή μειώνοντας τη θερμοκρασία, οι υδρατμοί θα υγροποιηθούν και θα απομακρυνθούν νωρίτερα από το βιοαέριο, οδηγώντας στην παραγωγή ξηρού αερίου. Η ψύξη μπορεί να επιτευχθεί με φυσική διεργασία, οδηγώντας το αέριο μέσα από σωλήνες στο χώμα με παγίδα συμπύκνωσης ή έναν ηλεκτρικό ψύκτη. Το νερό μπορεί επίσης να απομακρυνθεί με προσρόφηση χρησιμοποιώντας SiO2, ενεργό άνθρακα ή μοριακά κόσκινα. Αυτά τα υλικά συνήθως αναγεννώνται με θέρμανση ή/και ελάττωση της πίεσης. Άλλες τεχνολογίες για απομάκρυνση του νερού είναι η απορρόφηση από διαλύματα γλυκόλης ή η χρήση υγροσκοπικών αλάτων.

Συστήματα καθαρισμού χρησιμοποιούνται συχνά για να απομακρύνουν προσμίξεις του βιοαερίου από νερό, σιλοξάνες, πτητικές οργανικές ενώσεις (VOCs), υδρόθειο και διοξείδιο του άνθρακα, σε ένα μόνο στάδιο επεξεργασίας, ώστε να παραχθεί υψηλής καθαρότητας μεθάνιο για πώληση στο δίκτυο φυσικού αερίου. Ο εμπλουτισμός του βιοαερίου για να πετύχει τις προδιαγραφές του δικτύου επιτρέπει στο διαχειριστή να αποκομίσει σημαντικά υψηλότερα έσοδα από το βιοαέριο καθώς έτσι εκπληρώνει το μέγιστο εμπορικό δυναμικό του. Ο διαχειριστής ωφελείται επίσης και από τη σταθερή ζήτηση για φυσικό αέριο και αποφεύγει τα ενοχλητικά προβλήματα λειτουργίας με την αυτόνομη παραγωγή ηλεκτρισμού.

Προκειμένου το καθαρισμένο βιοαέριο να είναι πλήρως ισοδύναμο με το φυσικό αέριο, θα χρειαστεί να προστεθεί στο βιο-μεθάνιο μικρή ποσότητα υδρογονανθράκων, όπως προπάνιο, έτσι ώστε να επιτευχθεί ο σωστός δείκτης Wobbe.

Κατά τη διεργασία Guild, το βιοαέριο συμπιέζεται στα 0.41 – 0.68 MPa, πριν οδηγηθεί στο σύστημα προσρόφησης Guild. Το σύστημα προσρόφησης PSA απομακρύνει νερό, σιλοξάνες, VOCs, υδρόθειο και διοξείδιο του άνθρακα για να δώσει παραγόμενο αέριο που εκπληρώνει τις προδιαγραφές του δικτύου. Μετά το στάδιο της προσρόφησης, το δοχείο προσρόφησης αναγεννάται με μείωση της πίεσης και οι προσμίξεις εκροφώνται με τη χρήση αντλίας κενού και απομακρύνονται από το σύστημα ως απαέρια, μαζί με μικρές ποσότητες μεθανίου. Τα απαέρια μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως καύσιμο στην εγκατάσταση ή να καούν σε πυρσό, ανάλογα με την περίσταση, καθώς έχουν σχετικά χαμηλή θερμογόνο ικανότητα.

04-03-05α: Ιδιότητες αερίου - Χημική σύσταση

Το τελικό προϊόν της ζύμωσης είναι ένα εύφλεκτο αέριο μίγμα που αποτελείται κυρίως από τα παρακάτω:
50 – 75 % μεθάνιο (CH4);
25 – 45 % διοξείδιο του άνθρακα (CO2);
2 – 7 % νερό (H2O);
< 2 % οξυγόνο (O2);
< 2 % άζωτο (N2);
< 1 % αμμωνία (NH3);
< 1 % υδρόθειο (H2S).

Σε ορισμένες περιπτώσεις, το βιοαέριο περιέχει σιλοξάνες. Αυτές δημιουργούνται από την αναερόβιο αποσύνθεση υλικών που συνήθως συναντώνται σε σαπούνια και απορρυπαντικά. Κατά την καύση βιοαερίου που περιέχει σιλοξάνες, εκλύεται πυρίτιο το οποίο μπορεί να αντιδράσει με ελεύθερο οξυγόνο ή άλλα συστατικά του αερίου καύσης. Μπορεί να σχηματιστούν αποθέσεις, οι οποίες περιέχουν κυρίως σίλικα (SiO2) ή άλλα οξείδια του πυριτίου (SixOy) και μπορεί ακόμα να περιέχουν ασβέστιο, θείο, ψευδάργυρο ή φώσφορο. Για περισσότερες πληροφορίες μπορείτε να ανατρέξετε στις παραγράφους περί επικαθίσεων και επισκωριώσεων στο Παράρτημα Τέφρας.

Οι ιδιότητες του βιοαερίου εξαρτώνται από την πίεση και τη θερμοκρασία, καθώς και από την περιεχόμενη υγρασία. Οι κυριότεροι παράγοντες είναι:
η αλλαγή του όγκου ως συνάρτηση της θερμοκρασίας και της πίεσης
η αλλαγή στη θερμογόνο ικανότητα ως συνάρτηση της θερμοκρασίας, της πίεσης και της περιεκτικότητας σε υδρατμούς
και
η αλλαγή της περιεκτικότητας σε υδρατμούς ως συνάρτηση της θερμοκρασίας και της πίεσης

Η θερμογόνος ικανότητα του βιοαερίου είναι περίπου 6 kWh/m3 ή 20-22 MJ/m3 και αυτή η ποσότητα ενέργειας είναι περίπου ίση με αυτή μισού λίτρου ντήζελ. Για τη χρήση ως καύσιμο, το βασικό συστατικό είναι το μεθάνιο [6].

Το δυναμικό μεθανίου (βλ. ενότητες 03-03-04β και -04γ) είναι ο όγκος του μεθανίου που παράγεται κατά την αναερόβια αποικοδόμηση παρουσία βακτηρίων ενός αρχικού δείγματος, εκφρασμένος υπό κανονικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας (0 °C, 1013 hPa)..

Όπως προαναφέρθηκε, διαφορετικά υποστρώματα οδηγούν σε διαφορετικές συστάσεις, όπως φαίνεται και στον Πίνακα 04-03 3.

Η σύσταση του παραγόμενου αερίου εξαρτάται επίσης από το υπόστρωμα, τη συγκέντρωση οργανικής ύλης και το ρυθμό τροφοδοσίας του χωνευτήρα (βλ. ενότητες 04-03-03 και 04-03-04).

Συστατικά Οικιακά απορρίμματα Ιλύς μονάδας επεξεργασίας λυμάτων Γεωργικά απόβλητα Απόβλητα από τη βιομηχανία αγροτικών τροφίμων
CH4, % κ.ο. 50 - 60 60 - 75 60 - 75 68
CO2, % κ.ο. 38 - 34 33 - 19 33 - 19 26
N2, % κ.ο. 5 - 0 1 - 0 1 - 0 -
O2, % κ.ο. 1 - 0 <0.5 <0.5 -
H2O, % κ.ο. (40 °C) 6 6 6 6
Σύνολο, % κ.ο. 100 100 100 100
H2S, mg/m3 100 - 900 1 000 - 4 000 3 000 - 10 000 400
NH3, mg/m3 - - 50 - 100 -
Αρωματικοί H/C, mg/m3 0-200 - - -
Χλωριωμένα ή φθωριωμένα οργανικά αέρια, mg/m3 100 - 800 - - -
Πίνακας 04-03 3: Χημική σύσταση αερίων από διάφορα υποστρώματα. Τα κύρια συστατικά βρίσκονται πάνω από την έντονη γραμμή, ενώ κάτω από αυτή είναι τα συστατικά και οι προσμίξεις που μπορεί να δημιουργήσουν πρόβλημα.

Η παρουσία H2S, CO2 και νερού δίνει διαβρωτικές ιδιότητες στο βιοαέριο και απαιτεί τη χρήση κατάλληλων υλικών (για τη μεταφορά και αποθήκευσή του).

04-03-05β: Ιδιότητες αερίου – Φυσικά χαρακτηριστικά

Εξαιτίας της σύστασής του, η σύγκριση των χαρακτηριστικών του βιοαερίου με αυτά του φυσικού αερίου είναι ενδιαφέρουσα (Πίνακας 04-03 4). Το αέριο που βγαίνει από το χωνευτήρα είναι αρκετά ελαφρύτερο από τον αέρα και η θερμογόνος ικανότητά του είναι μόλις η μισή από αυτή του φυσικού αερίου.

Τύποι αερίων Βιοαέριο 1
Οικιακά απορρίμματα
Βιοαέριο 2
Βιομηχανία αγροτικών τροφίμων
Φυσικό
αέριο
Σύσταση 60 % CH4
33 % CO2
1 % N2
0 % O2
6 % H2O
68 % CH4
26 % CO2
1 % N2
0 % O2
5 % H2O
97 % CH4
2.2 % C2
0.3 % C3
0.1 % C4
0.4 % N2
Ανώτερη θερμογόνος
ικανότητα (ΑΘΙ), kWh/m3
6.6 7.5 11.3
Κατώτερη θερμογόνος
ικανότητα (ΚΘΙ), kWh/m3
6.0 6.8 10.3
Λόγος πυκνότητας
αερίου / αέρα
0.93 0.85 0.57
Πυκνότητα, kg/m3 1.21 1.11 0.73
Δείκτης Wobbe, kWh/m3 6.9 8.1 14.9
Πίνακας 04-03 4: Πίνακας και φυσικές ιδιότητες διαφόρων αερίων

04-03-06: Αναβάθμιση και χρήση του βιοαερίου [7]

Το βιοαέριο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε όλες τις εφαρμογές που είναι σχεδιασμένες για το φυσικό αέριο. Δεν ισχύουν όμως οι ίδιες απαιτήσεις αερίου για όλες τις εφαρμογές χρήσης αερίου. Υπάρχει σημαντική διαφοροποίηση στις απαιτήσεις ποιότητας του βιοαερίου για χρήση σε στατικές εστίες εν συγκρίσει με την έγχυση στο δίκτυο φυσικού αερίου.

Θέρμανση (βλέπε 04-00-08η)
Οι λέβητες δεν έχουν υψηλές απαιτήσεις ποιότητας αερίου. Η υπερπίεση του αερίου συνήθως πρέπει να είναι μεταξύ 8 και 25 mbar. Συνίσταται να μειωθούν οι συγκεντρώσεις του υδροθείου κάτω από τα 1.000ppm, γεγονός που διατηρεί το σημείο δρόσου γύρω στους 150˚C. Αν η συγκέντρωση H2S είναι πολύ υψηλή και εφαρμόζεται συμπύκνωση των καυσαερίων, το θειώδες οξύ που σχηματίζεται στο συμπύκνωμα μπορεί να διαβρώσει τον εξοπλισμό αν δε χρησιμοποιούνται κατάλληλα υλικά. Προτείνεται λοιπόν να χρησιμοποιείται ανοξείδωτος χάλυβας για τις καμινάδες ή καυστήρες συμπύκνωσης και καμινάδες από πλαστικό με μεγάλη αντοχή στη θερμότητα. Πολλοί σύγχρονοι λέβητες έχουν μπρούτζινους εναλλάκτες θερμότητας με επίστρωση κασσίτερου, οι οποίοι μπορεί να διαβρωθούν ακόμα πιο γρήγορα από το σίδερο. Όπου είναι δυνατό θα πρέπει να χρησιμοποιούνται εναλλάκτες θερμότητας από χυτοσίδηρο. Συνίσταται επίσης οι υδρατμοί να συμπυκνώνονται πριν την είσοδο στους καυστήρες.Η απομάκρυνση του νερού θα οδηγήσει επίσης στην απομάκρυνση μεγάλου ποσοστού από το υδρόθειο, ελαττώνοντας τη διάβρωση και τα προβλήματα με το σημείο δρόσου των καυσαερίων.

ΜΕΚ-Συμπαραγωγή (βλέπε 04-00-08ζ)
Η χρήση του βιοαερίου σε μηχανές εσωτερικής καύσης είναι μια καθιερωμένη και πολύ αξιόπιστη τεχνολογία. Χιλιάδες μηχανές λειτουργούν σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων, ΧΥΤΑ και εγκαταστάσεις βιοαερίου. Η ισχύς των μηχανών κυμαίνεται από 45 kW (που αντιστοιχεί σε περίπου 12 kWel) σε μικρές φάρμες μέχρι αρκετά MW σε ΧΥΤΑ μεγάλης κλίμακας. Οι ΜΕΚ που καίνε αέριο έχουν παρόμοιες προδιαγραφές για την ποιότητα του αερίου με τους λέβητες θέρμανσης, με εξαίρεση την απαίτηση για χαμηλότερο υδρόθειο ώστε να είναι εγγυημένος ένας λογικός χρόνος λειτουργίας της μηχανής. Κινητήρες Otto που είναι σχεδιασμένες να λειτουργούν με βενζίνη είναι περισσότερο ευάλωτοι στο υδρόθειο από τις πιο στιβαρές ντηζελομηχανές. Για μεγάλης κλίμακας εφαρμογές (> 60 kWel) επιλέγονται λοιπόν ντηζελομηχανές. Σε ορισμένες περιπτώσεις, οι οργανοπυριτικές ενώσεις στο αέριο μπορεί να δημιουργήσουν προβλήματα λόγω φθοράς των τοιχωμάτων και θα πρέπει να απομακρύνονται.

Καύσιμο για οχήματα (βλέπε 04-00-09α)
Η χρήση του βιοαερίου ως καύσιμο κίνησης απαιτεί τις ίδιες ρυθμίσεις στον κινητήρα και το όχημα όπως και το φυσικό αέριο. Αυτή τη στιγμή, τα πάνω από 1 εκατομμύριο οχήματα φυσικού αερίου σε όλο τον κόσμο δείχνουν ότι το αέριο είναι ένα εφικτό, ευέλικτο και εμπορικό καύσιμο για οχήματα. Παρόλα αυτά, οι προδιαγραφές ποιότητας για το αέριο είναι πολύ αυστηρές. Βάσει αυτών, θα πρέπει το βιοαέριο από ένα χωνευτήρα ή ένα ΧΥΤΑ να αναβαθμιστεί και, μέσα από τη διαδικασία αναβάθμισης να παραχθεί ένα αέριο που είναι συγκρίσιμο με το φυσικό αέριο. Συγκρινόμενο με το πρωτογενές βιοαέριο, το αναβαθμισμένο αέριο θα πρέπει:
να έχει υψηλότερη θερμογόνο ικανότητα για να μπορεί να πετύχει μεγαλύτερη αυτονομία οδήγησης,
να έχει σταθερή ποιότητα αερίου ώστε να πετύχει ασφαλή οδήγηση,
να μην εντείνει τη διάβρωση λόγω υψηλών ποσοτήτων υδροθείου, αμμωνίας και νερού,
να μην περιέχει σωματίδια που φθείρουν μηχανικά τον εξοπλισμό,
να μην προκαλεί απόφραξη λόγω πάγου εξαιτίας υψηλής περιεκτικότητας σε νερό,
να έχει δηλωμένη και επιβεβαιωμένη ποιότητα.

Στην πράξη, αυτά σημαίνουν ότι το διοξείδιο του άνθρακα, το υδρόθειο, η αμμωνία, σωματίδια και το νερό (και κάποιες φορές άλλα ιχνοστοιχεία) πρέπει να απομακρυνθούν έτσι ώστε το παραγόμενο αέριο για χρήση στην αυτοκίνηση να έχει περιεκτικότητα σε μεθάνιο πάνω από 95% κατ’ όγκο.

Οι προδιαγραφές ποιότητας για τη χρήση του βιοαερίου και του φυσικού αερίου σε αυτοκίνητα διαφέρουν από χώρα σε χώρα. Το αναβαθμισμένο βιοαέριο είναι πρακτικά το καθαρότερο δυνατό καύσιμο αυτοκινήτων αναφορικά με το περιβάλλον, την κλιματική αλλαγή και την ανθρώπινη υγεία.

Για μια λεπτομερέστερη τεχνολογική παρουσίαση των μεθόδων αναβάθμισης του βιοαερίου δείτε την παραπομπή [8]. Για πιο λεπτομερείς πληροφορίες για την παραγωγή, καθαρισμό και χρήση του βιοαερίου, δείτε τις αναφορές της σχετικές ομάδας εργασίας της IEA Task37 reports [9].

04-03-07: Τα υπολείμματα ζύμωσης / χώνευσης – στοιχεία ποιότητας και χρήσεις

Τα περισσότερα στερεά που δε μετατρέπονται σε μεθάνιο παραμένουν στο χωνευτήρα ως μια υγρή ιλύ. Αν και υπάρχουν διαφορές ανάλογα με τις πρώτες ύλες που χρησιμοποιήθηκαν και τις συνθήκες της χώνευσης, η ιλύς περιλαμβάνει πολλά απαραίτητα στοιχεία για τα φυτά: άζωτο, φώσφορος, κάλιο καθώς και μικρές ποσότητες μεταλλικών αλάτων (ιχνοστοιχεία) που είναι απαραίτητα για την ανάπτυξη των φυτών όπως το βόριο, το ασβέστιο, ο χαλκός, ο σίδηρος, το μαγνήσιο, το θείο, ο ψευδάργυρος κ.λπ.

Το άζωτο θεωρείται ιδιαίτερα σημαντικό λόγω του ζωτικού του ρόλου στη διατροφή και την ανάπτυξη των φυτών. Το άζωτο στη χωνευμένη ιλύ βρίσκεται κυρίως στη μορφή αμμωνίου (ΝΗ4), ενώ σε αερόβια οργανικά απόβλητα (ενεργή ιλύς, κομπόστ) σε οξειδωμένες μορφές (νιτρικά, νιτρώδη)

Όλο και περισσότερα στοιχεία υποδηλώνουν ότι για πολλά φυτά (ξηράς ή υδρόβια), το αμμώνιο μπορεί να είναι πιο πολύτιμο ως πηγή αζώτου από το οξειδωμένο άζωτο. Στο έδαφος απομακρύνεται πιο δύσκολα με τα στραγγίσματα και έχει μεγαλύτερη τάση να προσροφάται σε σωματίδια (άργιλος και χούμους).

Παρομοίως, σημαντικές άλγες φαίνεται ότι χρησιμοποιούν το αμμώνιο ευκολότερα από τα νιτρικά άλατα. Σε γενικές γραμμές, αυτό σηματοδοτεί μια στροφή από την παλιότερη πεποίθηση των ειδικών στα λιπάσματα, ότι το οξειδωμένο άζωτο ήταν πάντα η πολυτιμότερη μορφή αζώτου για τα φυτά. Για αυτό έχει προταθεί ότι η υγρή χωνευμένη ιλύς δημιουργεί μια αύξηση στο άζωτο αντίστοιχη με εκείνη των ανόργανων λιπασμάτων.

Ως τώρα, οι περισσότερες πληροφορίες που ανέφεραν την ιλύ ως χαμηλής ποιότητας λίπασμα βασίζονταν σε ιλύ αστικών λυμάτων. Κάτι τέτοιο είναι κακό μέτρο σύγκρισης για την ικανότητα λίπανσης της χωνευμένης ιλύος γενικά (η επεξεργασία των αστικών λυμάτων απομακρύνει όλο το υλικό που είναι χρήσιμο για λίπανση). Σε μια περίπτωση, χωνευμένη λυματολάσπη βρέθηκε να περιέχει μόλις το μισό άζωτο των μη επεξεργασμένων λυμάτων, ενώ αλλού βρέθηκε ότι χωνευμένη κοπριά από γουρούνια ήταν 1.4 φορές πλουσιότερη σε άζωτο από ότι μη επεξεργασμένη κοπριά (Πίνακας 04-03 5).

Παρόμοια αποτελέσματα έχουν παρατηρηθεί και σε απόβλητα από εκτροφή κοτόπουλων. Η ιλύς από τους χωνευτήρες μπορεί να ανακυκλωθεί με διάφορους τρόπους, τόσο σε καλλιέργειες στο έδαφος όσο και στο νερό ή λίμνες. Υπάρχουν πολλές δυνατότητες, και παρακάτω μπορούν να δοθούν μόνο σύντομες περιγραφές των δυνατοτήτων.

Ιλύς αστικών λυμάτων Άζωτο
(% ξηρή μάζα)
Ιλύς από χωνευμένη κοπριά Άζωτο
(% ξηρή μάζα)
Μη επεξεργασμένα λύματα 1.0 - 3.5 Γουρούνια 6.1 - 9.1
Χωνευμένα, 10 δήμοι 1.8 - 3.1 Κοτόπουλα 5.3 - 9.0
Χωνευμένα, 12 δήμοι, Οχάιο 0.9 - 3.0 Αγελάδες 2.7 - 4.9
Χωνευμένα, 51 δείγματα, 21 πόλεις 1.8 - 2.3
Χωνευμένα, γενικός Μ.Ο. 2.0
Χωνευμένα, γενικός Μ.Ο 1.0 - 4.0 Τελικό κομπόστ
Ενεργή, 5 δήμοι 4.3 - 6.4 Αστικά 0.4 - 1.6
Ενεργή, γενικός Μ.Ο. 4.0 - 6.0 Απορρίμματα 0.4 - 4.0
Ενεργή, γενικός Μ.Ο. 4.0 - 7.0 Απορρίμματα 1.4 - 3.5
Πίνακας 04-03 5: Τιμή λίπανσης αζώτου διαφόρων ιλύων και κομπόστ

04-03-07α: Τα υπολείμματα ζύμωσης / χώνευσης – χρήση στην κηπουρική και την γεωργία

Η εφαρμογή χωνευμένης ιλύος σε καλλιέργειες έχει διπλό σκοπό καθώς είναι ταυτόχρονα βελτιωτικό εδάφους και λίπασμα. Το χούμους της ιλύος, εκτός από τροφή για τα φυτά, ωφελεί και το έδαφος αυξάνοντας την ικανότητά του να κατακρατά νερό και βελτιώνοντας τη δομή του. Προκαταρκτικά πειράματα με κηπευτικά και οικιακά φυτά έχουν δώσει εντυπωσιακά αποτελέσματα με τη χρήση ιλύος από χωνευτήρας αποβλήτων εκτροφής κοτόπουλων. Παρόλα αυτά, υπάρχουν κάποια πράγματα που πρέπει πρώτα να ληφθούν υπόψη:
1. Φρεσκοχωνευμένη ιλύς, ιδιαίτερα από κοπριά, περιέχει υψηλές ποσότητες αμμωνίας και, σε αυτή την κατάσταση, μπορεί να λειτουργήσει ως χημικό λίπασμα εισάγοντας με το ζόρι μεγάλες ποσότητες αζώτου στο φυτό και αυξάνοντας τη συσσώρευση τοξικών ενώσεων του αζώτου. Δεν υπάρχουν ξεκάθαρες αποδείξεις για κάτι τέτοιο, ωστόσο η πιθανότητα είναι υπαρκτή. Για το λόγο αυτό είναι πιθανότατα καλύτερο να αφεθεί η ιλύς να «ωριμάσει» κάποιες εβδομάδες σε ανοιχτό χώρο (βαρέλια λαδιού, πλαστικές δεξαμενές, κ.λπ.) ή σε ένα κλειστό δοχείο για κάποιους μήνες προτού χρησιμοποιηθεί σε καλλιέργειες. Όσο πιο φρέσκια είναι, τόσο περισσότερο θα πρέπει να αραιωθεί με νερό πριν τη χρήση της
2. Η συνεχής χρήση χωνευμένης ιλύος σε οποιοδήποτε έδαφος τείνει να αυξάνει την οξύτητα του εδάφους. Αυτό μπορεί να αντιμετωπιστεί με προσθήκη μικρών ποσοτήτων δολομίτη ή ασβεστόλιθου σε τακτικά χρονικά διαστήματα στα χωράφια με την ιλύ, αφήνοντας τουλάχιστον 2 εβδομάδες μεταξύ των προσθηκών για να αποφευχθεί υπερβολική απώλεια αζώτου. Δυστυχώς, ο ασβεστόλιθος τείνει να εξατμίζει την αμμωνία, οπότε υπάρχει κίνδυνος να υπάρχει παροδική απώλεια αζώτου κάθε φορά που προστίθεται ασβεστόλιθος στα χωράφια.
3. Σε αντίθεση με την ιλύ από αστικά λύματα, αυτή από τα απόβλητα κτηνοτροφίας δεν περιέχει μεγάλες συγκεντρώσεις βαρέων μετάλλων ή αλάτων, συνεπώς ο κίνδυνος να χρησιμοποιηθούν επικίνδυνα μεγάλες ποσότητες είναι μικρός. Παρόλα αυτά, θα πρέπει να δίνεται προσοχή στη δομή του εδάφους. Αν έχει πολύ άργιλο, η ιλύς θα τείνει να συσσωρεύεται και είναι πιθανό να δημιουργήσει προβλήματα στις ρίζες των φυτών. Σε γενικές γραμμές θα πρέπει να παρακολουθούνται προσεκτικά τα χωράφια με την ιλύ την πρώτη περίοδο χρήσης της και μέχρι η συμπεριφορά της ιλύος στο συγκεκριμένο έδαφος να έχει παρατηρηθεί επαρκώς.

04-03-08: Διεργασίες για βιοαποικοδομήσιμα υλικά

04-03-08α: Καταλληλότητα για καύση: Κατάλληλο υπό συγκεκριμένες συνθήκες

Τα βιολογικά και βιοαποικοδομήσιμα απόβλητα έχουν συχνά υψηλή υγρασία και μπορεί να περιέχουν σωματίδια άγνωστης προέλευσης, για αυτό και η καύση σε συνηθισμένο εξοπλισμό καύσης συνήθως δεν είναι κατάλληλη. Η καύση των αποβλήτων υπάγεται στην (2000/76/EC), η οποία βάζει κάποιους περιορισμούς αν το απόβλητο δεν καίγεται σε ειδική μονάδα καύσης αποβλήτων. Αν τα βιοαποικοδομήσιμα απόβλητα είναι μέρος των αστικών στερεών αποβλήτων (ΑΣΑ), τότε η καύση τους σε μονάδες καύσης ΑΣΑ είναι αποδεκτή. Περισσότερες πληροφορίες για τα παραπάνω μπορούν να βρεθούν στην ενότητα 04-04-01.

04-03-08β: Καταλληλότητα για αεριοποίηση: Δε συνίσταται

Η περιεκτικότητα σε υγρασία των υλικών που είναι κατάλληλα για θερμική αεριοποίηση πρέπει να είναι χαμηλότερη από 25 – 30%. Τα βιολογικά και βιοαποικοδομήσιμα απόβλητα δεν πληρούν πάντα αυτόν τον περιορισμό. Για να προετοιμαστεί απόβλητο για αεριοποίηση θα πρέπει να διαχωριστεί, γεγονός που αυξάνει την τιμή του παραγόμενου αερίου. Συνεπώς, η αεριοποίηση είναι σπάνια κατάλληλη για επεξεργασία αποβλήτων – δείτε επίσης την ενότητα 04-04-02.

04-03-08γ: Καταλληλότητα για πυρόλυση / φρύξη: Δε συνίσταται

Τα υποστρώματα για πυρόλυση και φρύξη (torrefaction) πρέπει να είναι κατά προτίμηση ξερά, με περιεκτικότητα υγρασίας κάτω από 30%. Τα μη διαχωρισμένα απόβλητα σπάνια είναι κατάλληλα για αυτές τις διαδικασίες, όπως αναφέρεται και στην ενότητα 04-04-03.

04-03-08δ: Καταλληλότητα για ζύμωση: Εξαιρετική

Τα βιολογικά και βιοαποικοδομήσιμα απόβλητα συνήθως είναι κατάλληλα για ζύμωση, επειδή το υπόστρωμα για τη ζύμωση πρέπει να είναι κατά προτίμηση υγρό, με περιεκτικότητα σε ξηρή μάζα κάτω από 15%. Αν είναι ξηρότερο, μπορεί να προστεθεί νερό ή κάποιο άλλο υγρό.

04-03-08ε: Καταλληλότητα για αναερόβια χώνευση: Εξαιρετική

Τα βιολογικά και βιοαποικοδομήσιμα απόβλητα συνήθως είναι κατάλληλα για ζύμωση, επειδή το υπόστρωμα για τη ζύμωση πρέπει να είναι κατά προτίμηση υγρό, με περιεκτικότητα σε ξηρή μάζα κάτω από 15%. Η χώνευση μπορεί να εφαρμοστεί και σε ξηρότερο υπόστρωμα αν χρησιμοποιηθούν κατάλληλη τεχνολογία (τεχνολογία ξηρής χώνευσης) και εξοπλισμός.



Αναφορές

1 Encyclopaedia about Chemistry. και Factmonster
2 Fry, LJ. Methane Digesters For Fuel Gas and Fertilizer, California, 1973.
3 Dennis A, Burke PE. Dairy Waste Anaerobic Digestion Handbook. Environmental Energy Company, 2001.
4 Kanokwan B. Online monitoring and control of the biogas process. Ph.D. Thesis. May 2006
5 Møller HB, Sommer SG, Ahring BK. Methane productivity of manure, straw and solid fraction of manure. Biomass and Bioenergy. 2004. 26: 485-495.
6 Biogas composition
7 Biogas upgrading and utilization, 2000, IEA Bioenergy, Task 24.
8 Biogas upgrading technologies – developments and innovations.
9 IEA task 37