Βελτιστοποίηση του σχεδιασμού, της λειτουργίας και της ποιότητας προϊόντων μονάδων ενεργειακής αξιοποίησης βιομάζας

Abstract

The present doctoral dissertation investigates, examines and evaluates the possibility of full utilization of the wastes from agricultural and livestock units. Initially, the important problem of waste management is presented and examined through the investigation of all available technologies through the international literature, their optimal utilization, contributing to a triple benefit: a) Energy production b) Environmental protection and c) Production of new materials / products. The central pillar in this work is the process of anaerobic digestion. The Prefecture of Serres is examined as a case study in which agriculture and animal husbandry are the most important sectors in which its residents are economically active. The Prefecture of Serres was selected as a case study due to the high available biomass potential in agricultural and livestock waste. This study analyzes the biorefinery biomass technology, the energy production technology, biofuels and new materials from waste biomass at the behest of the Circular Economy and Bioeconomy, thus turning waste into a natural source of wealth for the country. The study presents virtually all the obligations of the country, the current state of waste management in the country and abroad, as well as all the innovative new technologies of organic waste management through two scenarios at a real level (case study). In the first and standard scenario (Scenario A.), the utilization of agriculture-livestock waste is described as it is done, until today in large-scale organic waste management facilities (large scale), and in the second and optimized scenario (Scenario B.), the maximum utilization of organic waste, is fully described by optimizing processes through the application of all new innovative and emerging management technologies in the case study. The licensing process is also presented through the existing national and international legal status. Through this doctoral dissertation, the direction that the country should follow in terms of maximum utilization of waste is developed, as it creates incentives for a different perspective on waste management. In conclusion, with the completion of the doctoral dissertation, the author makes a significant effort to change the view of waste from the reader's point of view, from a significant social problem to a significant environmental and economic opportunity. The doctoral dissertation consists of a total of 10 chapters. The first four consist Part A., in which the theoretical-methodological part of the doctoral thesis is mainly developed and the remaining 6 consist Part B.in which the practical application of the case study takes place.Chapter 1 describes the concept of Circular Economy and Bioeconomy. Chapter 2 describes the concepts of biomass, its methods of conversion into energy and new materials through biomass plants, as well as a brief overview of biowaste production in Greece. Chapter 3 presents general data on biogas, the benefits of its use, and the central role it plays in the circular economy. Anaerobic digestion (AC) is extensively analyzed in bibliographic data, analysis of the microbiological process, critical parameters of the process, main applications of biogas, biogas and compost uses (biodegradation of organic matter, use, application, compost as a fertilizer ). The same chapter presents the current state of projects in Greece, the Dynamic of Biogas Plants and the policy of RES in Greece. In the 4th Chapter, the optimization of the design, operation and quality of the biomass energy utilization units through the process of anaerobic digestion is fully analyzed. In Chapter 5, (beginning of Part B.) Scenario A is analyzed, in which the high available potential of biomass through agriculture-livestock waste in the Prefecture of Serres is calculated, and a centralized installation of a large-scale biogas unit is fully dimensioned. Chapter 6 analyzes the optimized scenario B., which essentially presents the operation of an anaerobic biorefinery, in which the anaerobic reactor / digester acts as a central element for the biotransformation of raw materials (substrates) into various intermediate and high end products. Initially, a flow diagram of these contributing processes is shown schematically. Then the calculations used for this result are presented and at the end of the Chapter, a flow process diagram and a mass flow diagram are presented, presenting all the processes that can be used in the biorefinery plant (Laboratory, pilot, large scale) with case study of the Regional Unit of Serres, which has already been studied in Chapter 5. Also, Chapter 6 presents the best spatial Installation of the Central Installation of Combined Electricity and Thermal Energy for the Biomass Biorefinery. Chapter 7 describes all the licensing procedures that must be performed for the construction and operation of a biorefinery plant at national level. In Chapter 8, a reference is made to future prospects, mainly to the technological development that is taking place at international level. Chapter 9 presents all the advantages that result from such a central biorefinery, which has as its central pillar the process of anaerobic digestion. Chapter 10 presents the conclusions that emerge from the doctoral dissertation.

Η παρούσα διδακτορική εργασία, ερευνά, εξετάζει και αξιολογεί την δυνατότητα πλήρους αξιοποίησης των αποβλήτων που προκύπτουν από αγροτικές και κτηνοτροφικές μονάδες. Αρχικά παρουσιάζεται το σημαντικό πρόβλημα διαχείρισης αυτών των αποβλήτων και εξετάζεται μέσω της διερεύνησης όλων των διαθέσιμων τεχνολογιών μέσω της διεθνούς βιβλιογραφίας, η βέλτιστη αξιοποίηση αυτών, συντελώντας σε τριπλό όφελος: α) Παραγωγή Ενέργειας β) Προστασίας του Περιβάλλοντος και γ) Παραγωγή νέων υλικών/προϊόντων. Κεντρικός πυλώνας σε αυτήν την εργασία, είναι η διεργασία της αναερόβιας χώνευσης. Εξετάζεται σαν μελέτη περίπτωσης η Π.Ε Σερρών στην οποία η γεωργία και κτηνοτροφία αποτελούν τους πιο σημαντικούς τομείς στους οποίους δραστηριοποιούνται οικονομικά οι κάτοικοί της. Η Π.Ε Σερρών επιλέχθηκε ως μελέτη περίπτωσης λόγω του υψηλού διαθέσιμου δυναμικού βιομάζας σε απόβλητα αγροτοκτηνοτροφικών μονάδων. Στην παρούσα εργασία αναλύονται η τεχνολογία της βιοδιύλισης βιομάζας, η τεχνολογία παραγωγής ενέργειας, βιοκαυσίμων και νέων υλικών από απόβλητη βιομάζα κατά τις επιταγές της Κυκλικής Οικονομίας και της Βιοοικονομίας, μετατρέποντας έτσι τα απόβλητα σε μια φυσική πλουτοπαραγωγική πηγή για την χώρα. Στην εργασία, ουσιαστικά παρουσιάζονται όλες οι υποχρεώσεις της Χώρας, η υφιστάμενη κατάσταση διαχείρισης αποβλήτων στην Χώρα αλλά και στο εξωτερικό, καθώς και όλες οι καινοτόμες νέες τεχνολογίες διαχείρισης οργανικών αποβλήτων μέσω δυο σεναρίων σε πραγματικό επίπεδο (μελέτη περίπτωσης). Στο πρώτο και τυπικό σενάριο (Σενάριο Α.), περιγράφεται η αξιοποίηση των αγροτοκτηνοτροφικών αποβλήτων όπως γίνεται έως και σήμερα σε μεγάλης κλίμακας εγκαταστάσεις διαχείρισης οργανικών αποβλήτων (large-scale), και στο δεύτερο και βελτιστοποιημένο σενάριο (Σενάριο Β.), περιγράφεται πλήρως η μέγιστη αξιοποίηση των οργανικών αποβλήτων βελτιστοποιώντας τις διεργασίες μέσω της εφαρμογής όλων των νέων καινοτόμων και αναδυόμενων τεχνολογιών διαχείρισης στην μελέτη περίπτωσης. Επίσης παρουσιάζεται η αδειοδοτική διαδικασία μέσω του υφιστάμενου εθνικού και διεθνούς νομικού καθεστώτος. Μέσα από την διδακτορική εργασία αυτή, αναπτύσσεται η κατεύθυνση που πρέπει να ακολουθήσει η χώρα ως προς την μέγιστη αξιοποίηση των αποβλήτων, καθώς δημιουργεί κίνητρα για μια διαφορετική οπτική στη διαχείριση των αποβλήτων. Συμπερασματικά, με την ολοκλήρωση της διδακτορικής εργασίας, γίνεται σημαντική προσπάθεια από τον συγγραφέα, να αλλάξει η θεώρηση των αποβλήτων από την πλευρά του αναγνώστη, από σημαντικό κοινωνικό πρόβλημα σε σημαντική περιβαλλοντική και οικονομική ευκαιρία. Η διδακτορική εργασία αποτελείται συνολικά από 10 κεφάλαια. Τα πρώτα τέσσερα αποτελούν το Α. Μέρος, στο οποίο αναπτύσσεται κυρίως το θεωρητικό-μεθοδολογικό κομμάτι της διδακτορικής εργασίας και τα υπόλοιπα 6 αποτελούν το Β. Μέρος στο οποίο πραγματοποιείται η πρακτική εφαρμογή της μελέτης περίπτωσης. Στο 1ο κεφάλαιο περιγράφεται η έννοια της κυκλικής οικονομίας και της βιοικονομίας. Στο 2ο κεφάλαιο περιγράφονται οι έννοιες της βιομάζας, οι μέθοδοι μετατροπής της σε ενέργεια και νέα υλικά μέσω των βιοδιυλιστηρίων βιομάζας καθώς και μια σύντομη αναφορά στην παραγωγή βιοαποβλήτων στην Ελλάδα. Στο 3ο κεφάλαιο παρουσιάζονται γενικά στοιχεία για το βιοαέριο, τα οφέλη που απορρέουν από την χρήση του, καθώς και ο κεντρικός ρόλος που παίζει στην κυκλική οικονομία. Αναλύεται εκτεταμένα η αναερόβια χώνευση (Α.Χ) βιβλιογραφικά δεδομένα, ανάλυση της μικροβιολογικής διεργασίας, κρίσιμοι παράμετροι της διεργασίας, κύριες εφαρμογές του βιοαερίου, οι χρήσεις του βιοαερίου και του κόμποστ (Βιοδιάσπαση της οργανικής ουσίας, χρήση, εφαρμογή, Βελτίωση του κόμποστ ως λίπασμα). Στο ίδιο κεφάλαιο παρουσιάζεται η παρούσα κατάσταση των έργων στον Ελλαδικό χώρο, το Δυναμικό βιοαερίου καθώς και η πολιτική των Α.Π.Ε στην Ελλάδα. Στο 4ο Κεφάλαιο, αναλύεται πλήρως η βελτιστοποίηση του σχεδιασμού, της λειτουργίας και της ποιότητας των μονάδων ενεργειακής αξιοποίησης βιομάζας μέσω της διεργασίας της αναερόβιας χώνευσης. Στο 5ο Κεφάλαιο, (αρχή του Β. Μέρους) αναλύεται το σενάριο Α, κατά το οποίο υπολογίζεται το υψηλό διαθέσιμο δυναμικό βιομάζας αγροτο-κτηνοτροφικών αποβλήτων στην Π.Ε Σερρών, και διαστασιολογείται πλήρως κεντρική εγκατάσταση συνδυασμένης συμπαραγωγής μονάδας βιοαερίου μεγάλης κλίμακας(large – scale). Στο 6ο Κεφάλαιο αναλύεται το βελτιστοποιημένο σενάριο Β., στο οποίο παρουσιάζεται ουσιαστικά η λειτουργία ενός αναερόβιου βιοδιυλιστηρίου, στην οποία ο αναερόβιος αντιδραστήρας / χωνευτής δρα ως κεντρικό στοιχείο για τη βιομετατροπή πρώτων υλών (υποστρωμάτων) σε διάφορα ενδιάμεσα και τελικά προϊόντα υψηλής αξίας. Αρχικά παρουσιάζεται σχηματικά ένα διάγραμμα ροής αυτών των συντελούμενων διεργασιών. Στην συνέχεια παρουσιάζονται οι υπολογισμοί που χρησιμοποιήθηκαν για αυτό το αποτέλεσμα και στο τέλος του Κεφαλαίου παρουσιάζεται διάγραμμα ροής διαδικασιών καθώς και διάγραμμα ροής μάζας , παρουσιάζοντας όλες τις διεργασίες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο βιοδιυλιστήριο βιομάζας (Εργαστηριακές, πιλοτικές, μεγάλης κλίμακας) με μελέτη περίπτωσης την Π.Ε Σερρών που ήδη μελετήθηκε στο 5ο Κεφάλαιο. Επίσης στο 6ο Κεφάλαιο παρουσιάζεται η βέλτιστη Χωροθέτηση της Κεντρικής Εγκατάστασης Συνδυασμένης Συμπαραγωγής Ηλεκτρικής και Θερμικής ενέργειας για το Βιοδιυλιστήριο Βιομάζας. Στο 7ο Κεφάλαιο, περιγράφονται όλες οι αδειοδοτικές διαδικασίες που πρέπει να πραγματοποιηθούν για την κατασκευή και λειτουργία ενός βιοδιυλιστηρίου βιομάζας σε εθνικό επίπεδο. Στο 8ο Κεφάλαιο, γίνεται μια αναφορά στις μελλοντικές προοπτικές κυρίως στην τεχνολογική εξέλιξη που πραγματοποιείται σε διεθνές επίπεδο. Στο 9ο Κεφάλαιο παρουσιάζονται όλα πλεονεκτήματα που προκύπτουν από μια τέτοια κεντρική εγκατάσταση βιοδιύλισης, που έχει ως κεντρικό πυλώνα την διεργασία της αναερόβιας χώνευσης. Στο 10ο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συμπεράσματα που προκύπτουν από την διδακτορική εργασία.