Eνεργειακή αξιοποίηση βιοαερίου

Εισαγωγή- Ιστορική Αναδρομή 

Η Αναερόβια Χώνευση (ΑΧ), βασική διαδικασία παραγωγής βιοαερίου καταγράφεται ιστορικά από τον 10 αιώνα π.Χ όταν οι Ασσύριοι τη χρησιμοποιούσαν για θέρμανση νερού όπως επίσης και στην Περσία κατά τη διάρκεια του 16ου μ.Χ. αιώνα.

Ο πρώτος χωνευτής χτίστηκε τη δεκαετία του 1840 στην Πόλη του Otago, Νέα Ζηλανδία. Η πρώτη μονάδα ΑΧ χτίστηκε σε μια αποικία λεπρών στη Βομβάη της Ινδίας το 1859.

 Η πρώτη μονάδα με πρώτη ύλη λύματα έγινε στην Αγγλία το 1895, όπου το παραγόμενο βιοαέριο χρησίμευε για να τροφοδοτήσει το δημόσιο φωτισμό στους δρόμους του Έξετερ. Η πρώτη μονάδα βιοαερίου μεγάλης κλίμακας κατασκευάστηκε το 1911 στο Birmingham της Αγγλίας χρησιμοποιώντας σαν πρώτη ύλη τα λύματα της πόλης, ενώ η πρώτη μονάδα με πρώτη ύλη στερεά απόβλητα κατασκευάστηκε στην Αλγερία το 1938.

 Μεγάλη ώθηση δόθηκε με την ανάπτυξη της επιστήμης της μικροβιολογίας που οδήγησε σε έρευνα τον Buswell τη δεκαετία του 1930 για τον προσδιορισμό αναερόβιων βακτηρίων και τις συνθήκες που προάγουν την παραγωγή μεθανίου.

Η τεχνολογία έκτοτε συνεχώς εξελίσσεται, χρησιμοποιώντας σήμερα Τεχνολογίες Αναλυτικών Διεργασιών και Xημειομετρίας (Process Analytical Technologies and Chemometrics-PAT & PAC), με παραλαβή δειγμάτων σύμφωνα με την Theory of Sampling-TOS, την συνεισφορά Φασματοσκοπίας Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (Nuclear Magnetic Resonance- ΝΜR), Φασματοσκοπίας Εγγύς Υπερύθρου( Near Infrared –NIR) και της Ακουστικής Χημειομετρίας (Αcoustic Chemo metrics) που παρουσιάζεται σαν μια διεπιστημονική προσέγγιση στην παρακολούθηση της διαδικασίας της ΑΧ.

1. Παραγωγή βιοαερίου -βιομεθανίου

Το βιοαέριο παράγεται σε κατάλληλους χωνευτές (digesters) με την τεχνολογία της ΑΧ (κατηγορία ιδ και ιε του Νόμου 3851/2010) χρησιμοποιώντας σαν πρώτη ύλη κυρίως:

• Ζωικά υποπροϊόντα της κατηγορίας 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, τα οποία αναφέρονται -σύμφωνα με το άρθρο 1 του ΦΕΚ 554 /08-03-2013 (Εικόνα 1). Το βιοαέριο αποτελείται κυρίως από μεθάνιο (CH4) 55-70% και διοξείδιο του άνθρακα (CO2) 30- 45%. Η θερμογόνος δύναμη του βιοαερίου είναι συνήθως 22 MJ/Nm3 =6,1 kWh/ Nm3 = 19,3 2 MJ/kg ή 23 MJ/Nm3 = 6,5 kWh/ Nm3 = 20,2 MJ/kg, µε πυκνότητα μεθανίου, υδρογόνου και διοξειδίου του άνθρακα 0,72kg/m 3 @200 C, 0,09kg/m 3 @200 C, 1,97kg/m 3 @200 C, αντιστοίχως.

Έχει αναφερθεί ότι ένας τόνος οργανικών αποβλήτων ανάλογα με την βιοτεχνολογική διαδικασία διαχείρισης, δηλαδή της BTA, Valorga, WAASA, DRANCO, Linde και Kompogas,, παράγει 80 έως 130 m 3 βιοαερίου. Με 40% ηλεκτρική απόδοση και θερμογόνο δύναμη 6,1 kWh/ Nm3 η 6,5 kWh/ Nm3 , το 1m 3 βιοαερίου παράγει 2,44kWh ή 2,60kWh αντιστοίχως. 

Το βιοαέριο χρησιμοποιείται και 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).

3 Μετά την AX, το βιοαέριο υφίσταται καθαρισμό (που συνίσταται σε απομάκρυνση των σωματιδίων H2S, NH3, H2O), αναβάθμιση (δηλ. απομάκρυνση CO2 και προσθήκη προπανίου) και τέλος χρήση με θειόλες (οσμοθετικές ενώσεις).

Το παραγόμενο αέριο ονομάζεται βιομεθάνιο και διακρίνεται σε βιομεθάνιο ποιότητας L (89% CH4), το οποίο χρησιμοποιείται μόνο στην Γερμανία, Γαλλία, Ολλανδία και Βέλγιο ή ποιότητας H (96% CH4), 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 ως καύσιμο μεταφορών, είτε εναλλακτικά να διοχετευτεί στο δίκτυο του φυσικού αερίου (injection).

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 2).

Τα ποσοστά των θρεπτικών συστατικών είναι ενδεικτικά και εξαρτώνται από την πρώτη ύλη ανά περίπτωση.

 Νέες τεχνολογίες και βιοαέριο

Εκτός από την παραγωγή του βιοαερίου με τη διαδικασία της αναερόβιας χώνευσης και την ενεργειακή του αξιοποίηση για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας, καυσίμου μεταφορών, και τη διοχέτευσή του στο δίκτυο του φυσικού αερίου, τα τελευταία χρόνια παρατηρείται έντονο επιστημονικό ενδιαφέρον σε θέματα όπως:

• Στην διαχείριση της διαδικασίας της ΑΧ με στόχο την βελτιστοποίηση της παραγωγής βιοαερίου.
• Στην παραγωγή αναβαθμισμένου βιοαερίου (Bio-synthetic Natural gas- Bio-SNG) (2ης γενιάς), από λιγνο-κυτταρινούχες πρώτες ύλες, που προέρχονται κυρίως από δασικά υπολείμματα, ενεργειακά φυτά, απόβλητα χαρτοβιομηχανίας κ.α.
• Παραγωγή βιο-υδρογόνου (3ης γενιάς), με αναμόρφωση αναβαθμισμένου βιοαέριου για παραγωγή βιο-υδρογόνου
• Παραγωγή υγροποιημένου βιοαερίου (LBG) από ΧΥΤΑ, χρησιμοποιώντας συνδυασμό κρυογονικής και συμβατικής τεχνολογίας αναβάθμισης
•  Μείωση του Methane slip κατά την διάρκεια της αναβάθμισης

 · Ηλεκτροχημική οξειδοαναγωγή του διοξειδίου του άνθρακα για παραγωγή μεθανίου.

 Το βιοαέριο στην ΕΕ και στην Ελλάδα

Σύμφωνα με στοιχεία του European Biogas Association (EBA, 2015), στις χώρες τις ΕΕ υπάρχουν 17.240 μονάδες βιοαερίου, με συνολική εγκατεστημένη ισχύ 8.293 MWe και παραγωγή 63.653 GWh ηλεκτρικής και 29.964 GWh θερμικής ενέργειας, το οποίο αντιστοιχεί σε 14,6 εκατομμύρια οικίες που τροφοδοτούνται με ενέργεια από βιοαέριο.

 Οι δύο χώρες που εμφανίζουν τη μεγαλύτερη παραγωγή βιοαερίου στην Ευρώπη είναι η Γερμανία, με παραγωγή ηλεκτρικής ενεργείας 39.950 GWh, και η Ιταλία με 9.290 GWh, ενώ ο αριθμός των εργαζομένων έφθασε ήδη στις 68.500 θέσεις εργασίας στον τομέα του βιοαερίου.

 Η μεγαλύτερη αγορά έχει δημιουργηθεί στη Γερμανία, με κύκλο εργασιών που ανέρχεται στα 6,9 δισεκατομμύρια ευρώ, 3 δισεκατομμύρια ευρώ με 20.000 θέσεις εργασίας στον χώρο της βιοενέργειας στην Αυστρία. Έως τις 04 Ιουνίου του 2010, που δημοσιεύτηκε στην Εφημερίδα της Κυβέρνησης, ο Ν.3851/2010, η εγκατεστημένη ισχύς μονάδων βιομάζας/βιοαερίου στην Ελλάδα ήταν 40,1 MW με ελάχιστες αιτήσεις για χορήγηση άδειας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας να υπάρχουν στην Ρυθμιστική Αρχή Ενέργειας (ΡΑΕ) την περίοδο εκείνη για διευθέτηση.

Από την ημερομηνία εκείνη μέχρι τον Ιούλιο 2016 έχουν κατατεθεί στον ΔΕΔΔHE, 251 αιτήσεις για σύνδεση σταθμών βιοαερίου αρμοδιότητος ΔΕΔΔΗΕ σύμφωνα με τον Ν. 4152/2013 συνολικής εγκατεστημένης ισχύος 262,6 MW.Οι αιτήσεις αυτές σήμερα βρίσκονται σε διαφορετικά επίπεδα αδειδοτικής ωριμότητας όσον αφορά την άδεια εγκατάστασης και την άδεια λειτουργίας του κάθε έργου.

Πρέπει να σημειωθεί ότι για έργα μικρότερα του 1MWe, δεν χρειάζεται άδεια παραγωγής από την ΡΑΕ, αλλά αίτηση του ενδιαφερόμενου για προσφορά σύνδεσης στο Διαχειριστή του Ελληνικού Δικτύου Διανομής Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΔΕΔΔΗΕ Α.Ε.).

 Για το Διασυνδεδεμένο Σύστημα και το Δίκτυο της ηπειρωτικής χώρας, τα αιτήματα χορήγησης Προσφοράς Σύνδεσης για σταθμούς ΑΠΕ και ΣΗΘΥΑ ισχύος έως και 8 MW υποβάλλονται από τους ενδιαφερόμενους στον ΔΕΔΔΗΕ Α.Ε. ενώ τα αιτήματα για σταθμούς ισχύος άνω των 8 MW υποβάλλονται από τους ενδιαφερόμενους στον Διαχειριστή του Συστήματος (ΑΔΜΗΕ Α.Ε.). Ο ΔΕΔΔΗΕ έως τον Ιούλιο 2016 είχε δώσει προτεραιότητα σε 148 αιτήσεις μονάδων βιοαερίου, συνολικής ισχύος 165 MW για προσφορά σύνδεσης με το δίκτυο, βάση του Ν. 4152/2013.

 Από τις ανωτέρω 21 αιτήσεις ισχύος 33 MW έχουν ήδη λάβει οριστική σύμβαση σύνδεσης, όπως διαπιστώνεται από τον κατωτέρω Πίνακα 1.

Πίνακας 1. Αιτήσεις σύνδεσης σταθμών Βιοαερίου αρμοδιότητας ΔΕΔΔΗΕ σύμφωνα με τον Ν. 4152/2013 (Ιούλιος 2016)

...........

BIOMAZA

ΒΙΟΑΕΡΙΟ

ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ	Αριθμός	ΜW	Αριθμός	ΜW
ΜΔΠ (1)	296	227	108	112
ΟΡΠ (2)	17	21	19	20
ΣΥΜΒΑΣΙΟΠΟΙΗΜΕΝΑ	17	11	21	33
ΣΥΝΟΛΟ	30	239	148	165

(1)= Μη Δεσμευτική Προσφορά

2)=Οριστική Προσφορά Σύνδεσης με ΕΠΟ 

Τα έργα ενεργειακής αξιοποίησης βιοαερίου που βρίσκονται σε λειτουργία στον Ελληνικό χώρο σήμερα είναι 23 έχουν συνολική εγκατεστημένη ισχύ 52 MWe (Ζαφείρης, 2016).

Τα 42,4 MWe προέρχονται από μονάδες βιολογικού καθαρισμού και ΧΥΤΑ και τα 4,94MWe από 8 αγρο-κτηνοτροφικές μονάδες που χρησιμοποιούν σαν πρώτη ύλη για παραγωγή βιοαερίου κοπριές βοοειδών και τυρόγαλο από την επεξεργασία του γάλακτος.

 Επιπλέον υπάρχουν και τρεις μονάδες παραγωγής βιοαερίου στην βιομηχανία τροφίμων που χρησιμοποιούν μόνο θερμική ενέργεια που παράγουν από το βιοαέριο σαν ιδιοκατανάλωση με συνολική ισχύ 1.19ΜWth

Τεράστια καταγράφεται η δυναμική της αγοράς βιοαερίου στην Ελλάδα και οι προοπτικές εμφανίζονται ιδιαίτερα θετικές, παρά την επιβράδυνση που έχει επιφέρει στον κλάδο η οικονομική κρίση.

Σύμφωνα με συντηρητικές εκτιμήσεις του Τμήματος Βιομάζας του ΚΑΠΕ, 17.000.000 τόνοι κτηνοτροφικών αποβλήτων με ισχύ καυσίμου 355MW διοχετεύονται ετησίως ανεξέλεγκτα ανά την επικράτεια, από 30.000 περίπου βουστάσια, χοιροστάσια και πτηνοτροφεία (Zafiris, 2007).

Το δυναμικό των αποβλήτων εκτιμάται ότι είναι αρκετά μεγαλύτερο αν αναλογιστεί κανείς ότι στην Ελλάδα υπάρχουν 240.000 ΜΜΕ του πρωτογενή τομέα που παράγουν απόβλητα.

 H ενεργειακή αξιοποίηση οργανικών αποβλήτων και η σημασία της παρουσιάζεται στα παρακάτω παραδείγματα:

• 4 αγελάδες παράγουν 72 tn/έτος κοπριά με παραγωγή 1.200m 3 CH4, ισχύ 1kW και παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας 5MWh ικανές να καλύψουν ετήσια της ηλεκτρικές ανάγκες μιας κατοικίας.
• 5 αγελάδες παράγουν 90 tn/έτος κοπριά με παραγωγή 2.300m 3 βιοαερίου ≈ 1420m 3 βιομεθανίου, ικανό για συνολική κατανάλωση καυσίμου 1 οχήματος, το οποίο μπορεί να διανύει αποστάσεις 20.000 χιλιομέτρων/έτος.
• 10 στρέμματα παράγουν 100 τόνους ενσιρώματος σόργου και παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας 42MWh ικανές να καλύψουν ετήσια της ηλεκτρικές ανάγκες 8 κατοικιών ή παραγωγή 17.650m 3 βιοαερίου ≈ 10.910m 3 βιομεθανίου, ικανό για συνολική κατανάλωση καυσίμου 7 οχημάτων, τα οποία μπορεί να διανύσουν αποστάσεις 20.000 χιλιομέτρων/έτος. 6 4. Προβλήματα από την αξιοποίηση του βιοαερίου στην Ελλάδα

4. Προβλήματα από την αξιοποίηση του βιοαερίου στην Ελλάδα 

Τα σημαντικότερα προβλήματα σύμφωνα με τους επενδυτές και κατασκευαστικές εταιρείες στην κατασκευή μιας μονάδας βιοαερίου αναφέρονται:

• Στην διαχείριση και στην διαθεσιμότητα των πρώτων υλών : σχετικά με την παραγωγή , συλλογή, μεταφορά και διαθεσιμότητα της πρώτης ύλης
• Στην έγκριση των περιβαλλοντικών όρων: σχετικά με θέματα που σχετίζονται με το χωνεμένο υπόλειμμα και την παστερίωση και ιδιαιτέρα με την άγνοια των  εμπλεκόμενων υπηρεσιών
• Στη ΔΕΗ: σχετικά με τις δυνατότητες σύνδεσης από τον ΔΕΔΔΗΕ, των σταθμών βιομάζας/βιοαερίου ανά περιφέρεια με το δίκτυο. Επιπλέον καθυστέρησης εκ μέρους του Λειτουργού Αγοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΛΑΓΗΕ) να εξοφλήσει την ηλεκτρική ενέργεια, η οποία πωλείται διά της Αγοράς Συναλλαγών Ηλεκτρικής Ενέργειας, όπως αυτή διαμορφώθηκε με τις διατάξεις του νόμου 4001/2011
• Στην αδυναμία της Ελληνικής νομοθεσίας: να ρυθμίζει ενιαία το κόστος διάθεσης των αποβλήτων, με βάση την αρχή ‘ο ρυπαίνων πληρώνει’.
• Στην ελλιπή ενημέρωση: σχετικά με την ενεργειακή αξιοποίηση του βιοαερίου και τα αναμενόμενα οφέλη στην χώρα
• Στην κοινωνική αποδοχή: Η Ελλάδα πάσχει από μία υψηλού βαθμού αντίσταση από τις τοπικές κοινωνίες και από διοικητικούς φραγμούς για τη δημιουργία νέων ενεργειακών υποδομών και ιδιαιτέρα βιομάζας
•  Στην γραφειοκρατία: Ένα πολυστρωματικό σύστημα εγκρίσεων και σύνθετες γραφειοκρατικές διαδικασίες οδηγούν σε μακροχρόνιες διαδικασίες αδειοδότησης. ·Στην απουσία χωροταξικού: Τα διοικητικά εμπόδια επαυξάνονται από την απουσία χωροταξικού σχεδιασμού για τις βιομηχανικές μονάδες και τη διάθεση αποβλήτων.
• Στην χρηματοδότηση: οι τράπεζες δεν δίνουν εύκολα δάνεια εξαιτίας της οικονομικής κρίσης και επιπλέον το επιτόκιο δανεισμού είναι υψηλό
• Σε τεχνικές δυσκολίες: Η χρήση της συμπαραγόμενης θερμικής ενέργειας δεν είναι εύκολη δεδομένων των χαμηλότερων αναγκών για θέρμανση στη χώρα. Επίσης, δεν είναι αρκετά διαδεδομένη η χρήση του υγρού χωνεμένου υπολείμματος ως λίπασμα.

  5. Συμπεράσματα 

• Υπάρχει έντονη πολιτική βούληση από την Ευρωπαϊκή Ένωση για την ανάπτυξη αερίου από βιομάζα ως σημαντική ενεργειακή πηγή ακολουθώντας τις αρχές τις αειφορίας
• Το βιοαέριο/βιομεθάνιο έχει τη δυνατότητα να αυξήσει την ασφάλεια της ενεργειακής τροφοδοσίας και, με βάση τις ενεργειακές του απαιτήσεις και εκπομπές αερίων ρύπων, η παραγωγή του δεν επιβαρύνει την ατμόσφαιρα με εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου
• Είναι απαραίτητη η βελτίωση του αποτυπώματος(footprint) σε μονάδες βιοαερίου από οικονομικής άποψης με βελτίωση της παραγωγής βιοαερίου, μείωση του methane slip και χρήση της μεθοδολογίας ανάλυσης κόστους κύκλου ζωής
• Παρά την τροχοπέδη της γραφειοκρατίας και τα προβλήματα που αντιμετωπίζουν οι επενδυτές και κατασκευαστές μονάδων βιοαερίου στην χώρα μας από την έλλειψη γνώσης και την ημιμάθεια από αρκετούς εμπλεκόμενους φορείς, οι προοπτικές του κλάδου, και η δυνατότητα ανάπτυξης του εντυπωσιάζουν.
•  Η αξιοποίηση της ενέργειας των υποπροϊόντων των γεωργο-κτηνοτροφικών μονάδων, καθώς και ειδικών αγροτο- βιομηχανικών οργανικών υποπροϊόντων μπορεί να γίνει σε μία κεντρική μονάδα βιοαερίου με κύρια προϊόντα το βιοαέριο και το οργανικό λίπασμα με σημαντικά περιβαλλοντικά ενεργειακά και οικονομικά οφέλη.

    7 · Η οικονομικότητα μιας τέτοιας μονάδος βασίζεται κατ’ αρχάς στο γεγονός ότι η πρώτη ύλη (γεωργο-κτηνοτροφικά υποπροϊόντα, κλπ) έχει συχνά μηδενική ή αρνητική αξία και κατά δεύτερο λόγο, τα προϊόντα της μονάδας έχουν αναμφισβήτητα εμπορική αξία. Ως ανανεώσιμη πηγή ενέργειας εμπίπτει σε διατάξεις Νόμου για πώληση ηλεκτρικής ενέργειας, η δε πώληση του πλεονάσματος της θερμότητας μπορεί να αποδώσει επιπρόσθετα έσοδα. Επιπλέον, η παραγωγή στερεού οργανικού λιπάσματος μπορεί να θεωρηθεί σημαντικότατη πηγή εσόδων στον αγροτικό τομέα.

του Χρήστου Ζαφείρη
Υπεύθυνος Έργων Βιοαερίου
Τμ. Βιομάζας, ΚΑΠΕ
19ο χλμ. Λεωφ. Μαραθώνος, 19009 Πικέρμι, Αττικής
E-mail: czafir@cres.gr, Tηλ:210-6603261