2 seminar na temu Proizvodnja bioplina i biometana

2. seminar na temu: „Proizvodnja bioplina i biometana iz biorazgradivog otpada“ u okviru IEE Urban. Biogas projekta 20. 3. 2014. , Energetski institut Hrvoje Požar Energetski, ekonomski i ekološki učinci korištenja bioplina dobivenog digestijom biorazgradivog organskog otpada Andrea Hublin EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša

Sadržaj Ø Ø Ø anaerobna razgradnja (digestija) biorazgradivog organskog otpada ü prednosti - oporaba energije, okolišna prihvatljivost, smanjenje emisije stakleničkih plinova optimiranje proizvodnje bioplina dobivenog kodigestijom biorazgradivog organskog otpada modeliranje procesa kodigestije biorazgradivog organskog otpada tehno-ekonomski i ekološki aspekti korištenja bioplina dobivenog digestijom agro-industrijskog otpada analiza osjetljivosti 2 EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša

Digestija - prednosti u odnosu na ostale postupke obrade otpada Ø proizvodnja neutralnog goriva s obzirom na ugljikov dioksid u obliku bioplina - energetski učinkovita i ekološki prihvatljiva tehnologija za proizvodnju bioenergije ü zamjena fosilnih goriva u proizvodnji električne energije i topline, korištenje stlačenog biometana u prometu, proizvodnja električne energije i topline u gorivim ćelijama, proizvodnja kemijskih spojeva, utiskivanje biometana u mrežu prirodnog plina Ø proizvodnja digestata Ø usklađenost s nacionalnom regulativom vezanom uz gospodarenje otpadom - smanjenje količine odloženog biorazgradivog otpada Ø smanjena količina proizvedenog mulja - anaerobna obrada u odnosu na aerobnu Ø smanjena emisija neugodnih mirisa Ø učinkovito uklanjanje patogenih mikroorganizama 3 EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša

Podjela procesa anaerobne razgradnje 4 EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša

Optimiranje proizvodnje bioplina dobivenog kodigestijom biorazgradivog organskog otpada (1) Ø cilj - maksimalna proizvodnja bioplina Ø parametri koji utječu na proces anaerobne razgradnje: ü ü ü vrsta i sastav supstrata temperatura p. H-vrijednost i kapacitet pufera inhibicija i toksičnost miješanje i hidrauličko vrijeme zadržavanja supstrata u reaktoru brzina unosa organske tvari u reaktor Ø supstrat - biorazgradiva frakcija ulaznog materijala - izvor energije i hranjivih tvari, određuje uvjete u reaktoru ü karakterizacija preko vrijednosti kemijske potrošnje kisika (KPK) i masenog udjela hlapive tvari ü potencijal stvaranja metana (prinos metana) - važan čimbenik vrednovanja supstrata za kodigestiju EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša 5

Optimiranje proizvodnje bioplina dobivenog kodigestijom biorazgradivog organskog otpada (2) Ø kodigestija - najčešći način proizvodnje bioplina anaerobnom razgradnjom mješavina dvaju ili više različitih supstrata u cilju postizanja optimalnog omjera C: N za rast bakterija ü poboljšanje potencijala stvaranja bioplina i metana ü odabir vrste i količine supstrata pogodnih za mješavinu supstrata ovisi o masenom udjelu suhe tvari te masenim udjelima ugljikohidrata, proteina i lipida koji utječu na prinos metana i bioplina Ø razdvajanje procesa anaerobne razgradnje u dva stupnja - poboljšanje učinkovitosti i stabilnosti procesa, smanjenje troškova ü prvi stupanj - hidroliza i acidogeneza ü drugi stupanj - acetogeneza i metanogeneza 6 EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša

Optimiranje proizvodnje bioplina dobivenog kodigestijom biorazgradivog organskog otpada (3) Karakteristike supstrata koji se koriste u procesu anaerobne razgradnje 1 Omjer C: N (g g-1) 3 - 10 6 - 20 3 - 10 3 -5 Maseni udio suhe tvari (%) 3 -8 5 - 12 10 - 30 15 Maseni udio hlapive tvari (%) 70 - 80 80 Prinos bioplina (m 3 kg-1 hlapive tvari) 0, 25 - 0, 80 0, 20 - 0, 30 0, 35 - 0, 60 0, 40 - 0, 68 22 8 - 12 90 0, 35 - 0, 80 - 25 90 0, 80 - 0, 95 U 4 - 10 1 -5 80 - 95 0, 35 - 0. 78 U, L - 80 - 100 - 150 12 - 25 10 - 25 35 - 70 - 90 60 - 70 20 - 25 15 - 20 10 80 - 90 90 75 80 0, 15 - 0, 35 0, 20 - 0, 50 0, 55 0, 56 0, 25 - 0, 50 - 0, 60 Vrsta supstrata Organska tvar svinjski izmet goveda izmet peradi iznutrice U, P, L 75 - 80 % LAK 20 - 25 % P sirutka koncentrirana sirutka trop (ostatak fermentacije voćnih otpadaka) slama vrtni otpad trava travnata silaža otpad od voća ostaci hrane U - ugljikohidrati; P - proteini; L - lipidi; LAK - laktoza Al Seadi: Good practice in quality management of AD residues from biogas production. IEA Bioenergy. Task 24 Energy from Biological Conversion of Organic Waste, 2001. 1 T. EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša 7

Optimiranje proizvodnje bioplina dobivenog kodigestijom sirutke i goveđe gnojovke (1) Ø kodigestija sirutke i goveđe gnojovke ü sirutka - nusproizvod mljekarske industrije - sadrži laktozu, topljive proteine, lipide, mineralne soli, izrazito podložna biorazgradnji ( 99%) • veliko organsko opterećenje - vrijednost KPK od 60 000 do 100 000 mg dm -3 • prinos metana - veći od 400 dm 3 kg-1 hlapive tvari ü goveđa gnojovka - sadrži veliki udio vode, neotopljene i otopljene organske tvari (ugljikohidrate, lipide i proteine) i anorganske spojeve - slaba anaerobna biorazgradivost • organsko opterećenje - vrijednost KPK od 39 000 do 54 000 mg dm-3 • prinos metana - od 100 do 400 dm 3 kg-1 hlapive tvari Ø optimalni uvjeti za maksimalnu proizvodnju bioplina i metana u kotlastom reaktoru: temperatura 55 o. C, početni volumni udio sirutke 10 %, uz dodatak 5 g dm-3 bikarbonatnog pufera (za kontrolu p. H-vrijednosti)2 2 A. Hublin, T. Ignjatić Zokić, B. Zelić: Optimization of biogas production from co-digestion of whey and cow manure. Biotechnol. Bioprocess Eng. 17 (2012) 1284 -1293 EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša 8

Optimiranje proizvodnje bioplina dobivenog kodigestijom sirutke i goveđe gnojovke (2) Ø učinkovitost procesa kodigestije ü povećan volumen proizvedenog bioplina za 12 % ü najveći volumni udio metana u bioplinu iznosi 79 % ü smanjenje ukupnog organskog opterećenja izraženog preko vrijednosti KPK od 55 % Specifični volumen proizvedenog bioplina(□) i vrijednost KPK (■) tijekom 45 dana kodigestije smjese koja sadrži 10 % sirutke i 90 % gnojovke, pri 55 o. C EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša 9

Modeliranje procesa kodigestije biorazgradivog organskog otpada Ø cilj - simulacija proizvodnje metana tijekom procesa kodigestije ü biorazgradivost supstrata i inhibirajuće djelovanje produkata razgradnje utječu na kinetiku različitih faza anaerobne razgradnje 2 A. Hublin, B. Zelić: Modelling of the whey and cow manure co-digestion process. Waste Manage. Res. 31 (2013) 353 -360 10 EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša

Tehno-ekonomska analiza Ø pretpostavke: ü kogeneracijsko postrojenje na bazi plinskog motora - 300 k. W električne snage, 510 k. W toplinske snage ü ekskrementi 450 uvjetnih grla razgrađuju se u kotlastom reaktoru ü temperatura 55 o. C Ø Bioplinska energana sastoji se od dva dijela: ü bioplinsko postrojenje - sastoji se od jedinice za skladištenje supstrata, sustava za doziranje i punjenje sirovinom, digestora (fermentora), plinohrana (spremnika za bioplin), spremnika za digestat i sustava za preradu/pročišćavanje bioplina ü energana - sastoji se od jedinica za proizvodnju električne energije i topline, trafostanice i jedinice za kontrolu i praćenje tehnoloških procesa 11 EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša

Shematski prikaz bioplinske energane 12 EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša

Tehno-ekonomski aspekti korištenja bioplina dobivenog digestijom agro-industrijskog otpada Masena i energetska bilanca bioplinske energane 13 EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša

Ekonomska analiza investicijskog projekta (1) Ø pretpostavke: ü trošak nabave goveđe gnojovke i sirutke biti će samo trošak transporta; sirutka će se nabavljati u dogovoru s mljekarama, po tržišnoj cijeni ü proizvedeni bioplin će se koristi kao gorivo u kogeneracijskom postrojenju na bazi plinskog motora ü digestat će biti iskorišten na obradivim površinama, bez naknade ü sva proizvedena električna energija (umanjena za vlastitu potrošnju) plasirati će se u elektroenergetsku distribucijsku mrežu po poticajnoj otkupnoj cijeni koja će se ostvariti na temelju sklopljenog ugovora s Hrvatskim operatorom tržišta energije (HROTE) u trajanju od 14 godina (u 15. godini cijena električne energije više neće biti poticajna nego tržišna - procjenjuje se kao sadašnja tržišna cijena električne energije uvećana za očekivanu stopu inflacije za sljedećih 15 godina) 14 EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša

Ekonomska analiza investicijskog projekta (2) Ø pretpostavke: ü od ukupno proizvedene topline dio će se iskoristiti za zagrijavanje digestora (fermentora); drugi dio proizvedene topline prodavati će se obližnjim staklenicima za uzgoj povrća ili za drugu namjenu; preostala neiskorištena toplina ispuštati će se u okolišni zrak ü analiza je provedena za period promatranja koji uključuje period investiranja od 2 godine i varijante perioda efektuiranja investicijskog projekta: 12, 15 i 20 godina ü diskontna stopa od 6 % korištena je pri izračunu neto sadašnje vrijednosti 15 EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša

Ekonomska analiza investicijskog projekta (3) Ø pretpostavljeno postrojenje je isplativo za period promatranja od 12 i 15 godina ü ostvaruje se pozitivna neto sadašnja vrijednost ü interna stopa profitabilnosti veća je od diskontne stope 16 EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša

Analiza osjetljivosti Ø ključne varijable koje utječu na efikasnost investicijskog projekta: ü investicijska ulaganja - utjecaj s obzirom na postotnu promjenu ulaganja u zemljište, bioplinsko kogeneracijsko postrojenje, operativne troškove ü cijena električne energije - utjecaj s obzirom na postotnu promjenu otkupne cijene električne energije Ø neto sadašnja vrijednost, interna stopa profitabilnosti i jednostavan period povrata investicijskih ulaganja korišteni su kao pokazatelji efikasnosti investicijskog ulaganja - analiza je provedena za period promatranja od 2 godine investiranja i 15 godina efektuiranja investicijskog projekta 17 EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša

Rezultati analize osjetljivosti (1) 18 EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša

Rezultati analize osjetljivosti (2) Ø neto sadašnja vrijednost - investicijski projekt je najosjetljiviji na promjenu otkupne cijene električne energije ü promjena se odnosi samo na poticajnu cijenu prema Tarifnom sustavu važeću za prvih 14 godina efektuiranja (ona se korigira jednom godišnje u odnosu na porast indeksa inflacije) Ø interna stopa profitabilnosti i period povrata - investicijski projekt je najosjetljiviji na promjenu troškova investicijskih ulaganja ü potencijalan utjecaj investitora - troškovi nabave opreme, efikasno planiranje i provedba investicijskih ulaganja 19 EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša

Rezultati analize osjetljivosti (3) 20 EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša

Ekološki aspekti korištenja bioplina dobivenog iz agro-industrijskog otpada Ø direktno smanjenje emisije ugljikovog dioksida (CO 2) koji nastaje kao produkt izgaranja fosilnog goriva ü pretpostavka da se ugljen koristi za proizvodnju električne energije i topline ü korištenjem bioplina za proizvodnju ekvivalentne količine električne energije ostvaruje se godišnje smanjenje od oko 1, 7 kt CO 2 k. Wh-1 ü korištenjem bioplina za proizvodnju ekvivalentne količine topline ostvaruje se godišnje smanjenje od oko 1, 8 kt CO 2 k. Wh-1 Ø indirektno smanjenje emisije matana (CH 4) - smanjenje količine odloženog biorazgradivog otpada ü pretpostavka da se iz jedne tone biorazgradivog otpada (67% razgradivog organskog ugljika) tijekom 20 godina emitira 0, 05 tona CH 4 ü korištenjem 5 400 t biorazgradivog otpada godišnje ostvaruje se smanjenje od oko 0, 27 kt CH 4 odnosno 5, 7 kt CO 2 -eq EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša 21

Zaključci Ø sirutka i goveđa gnojovka mogu se učinkovito razgraditi uz proizvodnju bioplina u jednostupnjevitom procesu u kotlastom reaktoru Ø isplativost bioplinskog postrojenja ostvaruje se korištenjem poticajne cijene za otkup električne energije Ø pretpostavljeno bioplinsko postrojenje isplativo je za period promatranja od 12 i 15 godina, u odnosu na neto sadašnju vrijednost, internu stopu profitabilnosti i period povrata investicijskog projekta Ø analiza osjetljivosti provedena je za period promatranja od 2 godine investiranja i 15 godina efektuiranja investicijskog projekta - investicijski projekt je najosjetljiviji na promjenu otkupne cijene električne energije u odnosu na neto sadašnju vrijednost te na promjenu troškova investicijskih ulaganja u odnosu na internu stopu profitabilnosti i period povrata Ø pozitivni ekološki učinci - direktno smanjenje emisije ugljikovog dioksida i indirektno smanjenje emisije metana EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša 22

Kontakt Dr. sc. Andrea Hublin, dipl. ing. EKONERG - institut za energetiku i zaštitu okoliša Odjel za zaštitu atmosfere i klimatske promjene Vodeći konzultant Koranska 5, 10000 Zagreb tel. +385 1 6000134 fax. +385 1 6171560 e-mail: andrea. hublin@ekonerg. hr EKONERG institut za energetiku i zaštitu okoliša