Integrated management and exploitation of agricultural residues: application to energy production

Abstract

Agriculture is the world's largest economic activity with variable environmental impacts such as air pollution and nitrate pollution of groundwater and surface water. Biomass as a renewable source of bioenergy, is one of the most important contributors to the global energy supply. Biomass refers to all the matter obtained from photosynthesis and can be utilized either as energy or material. Agro-industrial sector’s biomass is the most abundant and renewable resource on earth with billion tons to be generated annually in the world. While most European countries classify the energy use of biomass as a major source of electricity and thermal energy, in a lot of countries is still disposed uncontrollably in the environment or is being burnt in an open-field manner. The same happens also in Greece, which is a country with intense agricultural activity and considerable proportion of its residual biomass consists of crop residues and livestock manure. In Greece, only a small percentage of biomass is used to meet the electrical energy needs, as the country still largely depends on fossil fuels. As EU is focusing on a higher level of sustainability of engineering solutions related to waste management, the emerging concept of circular economy has been gaining a lot of attention. Adding value to agricultural waste via thermochemical or biochemical processes is vital for the development of circular economy concepts. Biomass can be converted into useful forms of energy using a number of different processes. There are: a) thermochemical conversion methods, b) biochemical conversions methods and c) physicochemical conversion methods. There are many factors that can influence the choice of the biomass processing method such as the type and quantity of biomass feedstock and the desired form of the energy generated. One biological valorization process that has been established to acquire sustainable and affordable biofuel is anaerobic digestion (AD). It is considered as one of the best environmental and low-cost solutions for the treatment of different biodegradable wastes, which are generated due to anthropogenic activities. During this process, the organic matter is decomposed by a microbial consortium under an oxygen-free environment and is converted into valuable energy while decreasing its volume. Several parameters can affect the efficiency of the AD process such as the system configuration, pH, humidity, and temperature. Due to the variability of the factors that can influence the choice of the conversion process and the multi-dispersed nature of the agricultural residues the principal objective of this thesis is to provide an integrated approach of agricultural residues’ management and exploitation in order to produce energy. AD process was chosen as the environmentally friendly valorization method for the production of energy for the case of biodegradable residual biomass. As Greece produces large amount of residual biomass, a comprehensive literature review was performed on primary agricultural and livestock wastes that include: (a) crop residues that are left in the fields, (b) animal manures and (c) secondary agricultural wastes consisted of liquid and solid wastes from agricultural products processing plants. In the present study, the quantities produced, their qualitative and quantitative characteristics and the theoretical energy potential that could rise from their utilization are presented. In Greece 10 Mt/y of agricultural residues, 26 Mt/y of animal manure and 13.2 Mt/y of agro-industrial residues are generated. From the calculation of the energy potential of Greece’s residual biomass it was estimated that the theoretically energy output can reach up to 91 TWh (13 TWh from agricultural residues and 78 TWh from animal manure) meaning that the country could cover its own electric energy needs with only the utilization of agricultural and livestock residues. AD is a well-known biological process that has been investigated for few decades. However, in Greece there is still lack of experimental knowledge on the valorization of locally available substrates, especially in the area of co-digestion. The aim of this study is to valorize the main abundant biomass derived from agricultural residues, which can be found in Greece. Greece was divided into a Northern and a Southern part and relevant plans were made for systematic residual biomass valorization through energy production via AD. Optimum mixtures were tested in continuous reactors concerning Northern Greece and Southern Greece spring/summer and fall/winter seasons that resulted from previous literature review, experimental design, and Biochemical Methane Potential (BMP) assays. The different mixtures that examined in the present study concerning Northern Greece (10% corn silage-80% cattle manure-10% malt), Southern Greece fall/winter season (10% corn silage-57% cattle manure-23% orange peels-10% olive pomace) and Southern Greece spring/summer season (10% corn silage-14% cattle manure-66% unsuitable for human consumption watermelon-10% tomato processing residues) were successfully treated through the single-stage AD process. As Life Cycle Assessment (LCA) is a method to quantify the environmental sustainability of processes or services, the environmental sustainability was also investigated herein by two LCA case studies concerning the management of sheep and goat manure and olive tree prunings. In Greece, these residues produce significant amount of wastes. Regarding sheep and goat manure the alternative scenarios are: its composting to be used as fertilizer and its use for energy production through AD, while for olive prunings the alternative scenarios are: their direct combustion in an open-field manner and their use for energy production through gasification. The sustainable management scenarios of both case studies prove to have positive environmental impact indicating the importance of adopting more environmentally friendly technologies to manage the agricultural field’s residues. Since in Greece there is no organized practice in agricultural and animal wastes management and their exploitation is still set aside, due mainly to economic reasons and lack of incentives for their efficient utilization, in the present thesis a technoeconomic assessment for the environmentally friendly useful exploitation of biomass residues produced in the Prefectures of Ilia and Achaia (Western Greece) for the generation of energy by an innovative AD-pyrolysis processing plant was carried out. Concerning the AD process, its feedstock were corn residues and cattle manure, while the feedstock of the pyrolysis plant was olive tree prunings. The results obtained herein prove that the undertaking of the specific investment is very positive since the return on investment is estimated at 23% and the payback period becomes equal to 4.4 years. The main factors affecting the investment characteristics of the proposed AD-pyrolysis processing unit are the capacity, the fuel price, the incentice cost and the products price. The results of the present study prove that that the presence of an integrated and organized approach of agricultural residues’ management is of great importance from economic and environmental perspectives.

Η γεωργία είναι η μεγαλύτερη οικονομική δραστηριότητα στον κόσμο με ποικίλες περιβαλλοντικές επιπτώσεις, όπως η ατμοσφαιρική ρύπανση και η νιτρορύπανση των υπόγειων και επιφανειακών υδάτων. Η βιομάζα ως ανανεώσιμη πηγή βιοενέργειας, είναι από τους σημαντικότερους παράγοντες που συνεισφέρουν στον παγκόσμιο ενεργειακό εφοδιασμό. Η βιομάζα αναφέρεται σε όλη την ύλη που λαμβάνεται από τη φωτοσύνθεση και μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε ως ενέργεια είτε ως υλικό. Η βιομάζα του αγροτοβιομηχανικού τομέα είναι ο πιο άφθονος και ανανεώσιμος πόρος στη γη με δισεκατομμύρια τόνους να παράγονται ετησίως στον κόσμο. Ενώ οι περισσότερες ευρωπαϊκές χώρες κατατάσσουν την ενεργειακή χρήση της βιομάζας ως κύρια πηγή ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας, σε πολλές χώρες εξακολουθεί να διατίθεται ανεξέλεγκτα στο περιβάλλον ή να καίγεται απευθείας στους αγρούς. Το ίδιο συμβαίνει και στην Ελλάδα, η οποία είναι μια χώρα με έντονη αγροτική δραστηριότητα και σημαντικό ποσοστό της υπολειμματικής βιομάζας της αποτελείται από υπολείμματα καλλιεργειών και κοπριά. Στην Ελλάδα, μόνο ένα μικρό ποσοστό βιομάζας χρησιμοποιείται για την κάλυψη των αναγκών σε ηλεκτρική ενέργεια, καθώς η χώρα εξακολουθεί να εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τα ορυκτά καύσιμα. Καθώς η ΕΕ εστιάζει σε υψηλότερο επίπεδο βιωσιμότητας των λύσεων μηχανικής που σχετίζονται με τη διαχείριση αποβλήτων, η αναδυόμενη έννοια της κυκλικής οικονομίας έχει κερδίσει μεγάλη προσοχή. Η προσθήκη αξίας στα γεωργικά απόβλητα μέσω θερμοχημικών ή βιοχημικών διεργασιών είναι ζωτικής σημασίας για την ανάπτυξη των εννοιών της κυκλικής οικονομίας. Η βιομάζα μπορεί να μετατραπεί σε χρήσιμες μορφές ενέργειας χρησιμοποιώντας μια σειρά από διαφορετικές διεργασίες. Υπάρχουν: α) μέθοδοι θερμοχημικής μετατροπής, β) μέθοδοι βιοχημικής μετατροπής και γ) μέθοδοι φυσικοχημικής μετατροπής. Υπάρχουν πολλοί παράγοντες που μπορούν να επηρεάσουν την επιλογή της μεθόδου επεξεργασίας της βιομάζας, όπως είναι ο τύπος και η ποσότητα της πρώτης ύλης και η επιθυμητή μορφή της παραγόμενης ενέργειας. Μια διαδικασία βιολογικής μετατροπής που έχει καθιερωθεί για την απόκτηση βιώσιμων και οικονομικά προσιτών βιοκαυσίμων είναι η αναερόβια χώνευση (ΑΧ). Θεωρείται ως μια από τις καλύτερες περιβαλλοντικές και χαμηλού κόστους λύσεις για την επεξεργασία διαφορετικών βιοαποικοδομήσιμων αποβλήτων, τα οποία παράγονται λόγω ανθρωπογενών δραστηριοτήτων. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, η οργανική ύλη αποσυντίθεται από μικροοργανισμούς σε περιβάλλον χωρίς οξυγόνο και μετατρέπεται σε πολύτιμη ενέργεια ενώ μειώνεται ο όγκος της. Διάφορες παράμετροι μπορούν να επηρεάσουν την αποτελεσματικότητα της διαδικασίας της ΑΧ, όπως η διαμόρφωση του συστήματος, το pH, η υγρασία και η θερμοκρασία. Λόγω της μεταβλητότητας των παραγόντων που μπορούν να επηρεάσουν την επιλογή της διαδικασίας μετατροπής της βιομάζας και της μεγάλης διασποράς των αγροτικών υπολειμμάτων, ο κύριος στόχος αυτής της διατριβής είναι να παρέχει μια ολοκληρωμένη προσέγγιση διαχείρισης και αξιοποίησης των αγροτικών υπολειμμάτων για την παραγωγή ενέργειας. Η ΑΧ επιλέχθηκε ως η φιλική προς το περιβάλλον μέθοδος αξιοποίησης για την παραγωγή ενέργειας για την περίπτωση της βιοαποικοδομήσιμης υπολειμματικής βιομάζας. Καθώς η Ελλάδα παράγει μεγάλη ποσότητα υπολειμματικής βιομάζας, διενεργήθηκε μια ολοκληρωμένη βιβλιογραφική ανασκόπηση για τα πρωτογενή αγροτικά και κτηνοτροφικά απόβλητα που περιλαμβάνουν: (α) υπολείμματα καλλιεργειών που αφήνονται στα χωράφια, (β) ζωική κοπριά και (γ) δευτερογενή αγροτικά απόβλητα που αποτελούνται από υγρά και στερεά απόβλητα από μονάδες επεξεργασίας αγροτικών προϊόντων. Στην παρούσα μελέτη παρουσιάζονται οι παραγόμενες ποσότητες, τα ποιοτικά και ποσοτικά χαρακτηριστικά τους και το θεωρητικό ενεργειακό δυναμικό που θα μπορούσε να προκύψει από την αξιοποίησή τους. Στην Ελλάδα παράγονται 10 Mt/έτος αγροτικά υπολείμματα, 26 Mt/έτος ζωική κοπριά και 13.2 Mt/έτος αγροτοβιομηχανικά υπολείμματα. Από τον υπολογισμό του ενεργειακού δυναμικού της υπολειμματικής βιομάζας της Ελλάδας εκτιμήθηκε ότι το συνολικό θεωρητικό ενεργειακό περιεχόμενο μπορεί να φτάσει έως και τις 91 TWh (13 TWh από αγροτικά υπολείμματα και 78 TWh από ζωική κοπριά) που σημαίνει ότι η χώρα θα μπορούσε να καλύψει τις δικές της ανάγκες σε ηλεκτρική ενέργεια μόνο με την αξιοποίηση αγροτικών και κτηνοτροφικών υπολειμμάτων. Η ΑΧ είναι μια πολύ γνωστή βιολογική διαδικασία που έχει διερευνηθεί εδώ και μερικές δεκαετίες. Ωστόσο, στην Ελλάδα εξακολουθεί να υπάρχει έλλειψη πειραματικών γνώσεων σχετικά με την αξιοποίηση τοπικά διαθέσιμων υποστρωμάτων, ιδιαίτερα στον τομέα της συν-χώνευσης. Σκοπός της παρούσας μελέτης είναι η αξιοποίηση της άφθονης βιομάζας της Ελλάδας που προέρχεται από αγροτικά υπολείμματα. Η Ελλάδα χωρίστηκε σε βόρειο και νότιο τμήμα και έγιναν σχετικές προτάσεις για συστηματική αξιοποίηση της υπολειμματικής βιομάζας για την παραγωγή ενέργειας μέσω ΑΧ. Τα βέλτιστα μείγματα δοκιμάστηκαν σε αντιδραστήρες συνεχούς λειτουργίας και αφορούν τις περιόδους άνοιξη/καλοκαίρι και φθινόπωρο/χειμώνα για τις περιοχές της Βόρειας και Νότιας Ελλάδας που προέκυψαν από προηγούμενη βιβλιογραφική ανασκόπηση, πειραματικό σχεδιασμό και αναλύσεις Βιοχημικού Μεθανογόνου Δυναμικού (ΒΜΔ). Η εφαρμογή μονοβάθμιου συστήματος ΑΧ είχε ως αποτέλεσμα την επιτυχή επεξεργασία των διάφορων μειγμάτων που εξετάστηκαν στην παρούσα μελέτη και αφορούν τη Βόρεια Ελλάδα (10% ενσίρωμα καλαμποκιού-80% κοπριά βοοειδών-10% βύνη), την περίοδο φθινοπώρου/χειμώνα της Νότιας Ελλάδας (10% ενσίρωμα καλαμποκιού-57% κοπριά βοοειδών-23% φλούδες πορτοκαλιού-10% υπολείμματα διφασικού ελαιοτριβείου) και την περίοδο άνοιξης/καλοκαιριού της Νότιας Ελλάδας (10% ενσίρωμα καλαμποκιού-14% κοπριά βοοειδών-66% ακατάλληλο προς ανθρώπινη κατανάλωση καρπούζι-10% υπολείμματα επεξεργασίας ντομάτας). Καθώς η Αξιολόγηση Κύκλου Ζωής (ΑΚΖ) είναι μια μέθοδος ποσοτικοποίησης της περιβαλλοντικής βιωσιμότητας διεργασιών ή υπηρεσιών, ηπεριβαλλοντική βιωσιμότητα διερευνήθηκε και στη παρούσα διδακτορική διατριβή από δύο περιπτωσιολογικές μελέτες ΑΚΖ που αφορούν τη διαχείριση της κοπριάς αιγοπροβάτων και των κλαδεμάτων ελιάς. Στην Ελλάδα, αυτά τα υπολείμματα παράγουν σημαντική ποσότητα αποβλήτων.Όσον αφορά την κοπριά αιγοπροβάτων, τα εναλλακτικά σενάρια είναι: η κομποστοποίησή της για να χρησιμοποιηθεί ως λίπασμα και η χρήση της για παραγωγή ενέργειας μέσω ΑΧ, ενώ για τα κλαδέματα ελιάς τα εναλλακτικά σενάρια είναι: η απευθείας καύση τους στους αγρούς και η χρήση τους για παραγωγή ενέργειας μέσω αεριοποίησης. Τα σενάρια αειφορικής διαχείρισης και για τις δύο περιπτώσεις αποδεικνύονται ότι έχουν θετικό περιβαλλοντικό αντίκτυπο, υποδεικνύοντας τη σημασία της υιοθέτησης πιο φιλικών προς το περιβάλλον τεχνολογιών για τη διαχείριση των αγροτικών υπολειμμάτων. Δεδομένου ότι στην Ελλάδα δεν υπάρχει οργανωμένη πρακτική διαχείρισης αγροτικών και ζωικών αποβλήτων και η εκμετάλλευσή τους εξακολουθεί να είναι περιορισμένη, κυρίως λόγω οικονομικών αιτιών και έλλειψης κινήτρων για την αποτελεσματική αξιοποίησή τους, στην παρούσα διατριβή γίνεται μια τεχνοοικονομική αξιολόγηση για τη φιλική προς το περιβάλλον χρήσιμη εκμετάλλευση της υπολειμματικής βιομάζας που παράγεται στους Νομούς Ηλείας και Αχαΐας (Δυτική Ελλάδα) για την παραγωγή ενέργειας από μια καινοτόμο μονάδα ΑΧ-πυρόλυσης. Όσον αφορά την ΑΧ, η πρώτη ύλη της ήταν τα υπολείμματα καλαμποκιού και η κοπριά βοοειδών, ενώ η πρώτη ύλη του εργοστασίου πυρόλυσης ήταν τα κλαδέματα ελιάς. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν αποδεικνύουν ότι η ανάληψη του συγκεκριμένου εγχειρήματος είναι πολύ θετική αφού ο ρυθμός επιστροφής της αρχικής επένδυσης υπολογίζεται σε 23% και ο χρόνος αποπληρωμής είναι ίσος με 4.4 έτη. Οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν τα επενδυτικά χαρακτηριστικά της προτεινόμενης μονάδας επεξεργασίας AΧ-πυρόλυσης είναι η δυναμικότητα, η τιμή του καυσίμου, το κόστος κινήτρου και η τιμή των προϊόντων. Τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης αποδεικνύουν ότι η ύπαρξη μιας ολοκληρωμένης και οργανωμένης προσέγγισης για τη διαχείριση αγροτικών υπολειμμάτων έχει μεγάλη σημασία από οικονομική και περιβαλλοντική άποψη.