OBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE BIOPLIN - eihp.hr · This project has received funding from the European Union’sHorizon 2020 Research and Innovation programme under grant agreement No

Energetski institut Hrvoje Požar

OBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE

BIOPLIN

Ivona Ivić, mag.ing.cheming.

Dinko Đurđević, mag.ing.oecoing.

Matko Perović, dipl.ing.stroj.


23. veljače 2018., Virovitica

This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and

Innovation programme under grant agreement No 691755


(est.1994)

• Energetski institut osnovan od strane Vlade RH

• Misija: razvoj modernih i održivih energetskih tržišta

kroz integraciju OIE i EE, novih tehnologija i

razmjenom iskustava

• ~89 (80% visokoobrazovanih)

• 6+1 Odjela:

• Odjel za OIE, EE i zaštitu okoliša (25): multidisciplinarni

tim (7 različitih profesija i profila)

• EIHP je tržišno orijentiran





H2020 Biogas Action

• www.BiogasAction.eu

• www.oBioplinu.com

• 1.1.2016.-31.12.2018.

• BiogasAction nastoji biti pokretač razvoja europskog tržišta bioplina

te povećati proizvodnju bioplina i biometana u EU usmjeravajući se

na otklanjanje ne-tehničkih prepreka i izgradnju boljeg okruženja za

proizvodnju bioplina i biometana, u skladu s ciljevima za 2020

godinu.

• Projekt zagovara razvoj tržišta (malih) bioplinskih postrojenja koja

ne koriste energetske usjeve u osam ciljanih zemalja i pomaže

razvoju tržišta u odnosu na zatečeno stanje.

• Budžet: 1,99 M€

http://www.biogasaction.eu/

http://www.obioplinu.com/



Konzorcij



Neki od zadataka BA za RH:

• Pomoći u uspostavljanju povoljnijeg zakonodavnog okvira

• Uspostava platforme za bioplin www.oBioplinu.com

• Procjena budućih smjerova razvoja tržišta bioplina

• Procjena socio-ekonomskih utjecaja na društvo od proizvodnje bioplina

• do 6.2017.

• ___________________________________________________od 6.2017.

• Treninzi, radionice usmjerene na jačanje kapaciteta:

• Javnih djelatnika

• Operatera bioplinskih postrojenja

• Dionika tržišta bioplina

• Aktivnosti usmjerene na područje:

• Bjelovarsko-bilogorske županije i Koprivničko-križevačke županije

http://www.obioplinu.com/



Sadržaj

1.Uvod

2.Bioplinsko postrojenje

3.Proces anaerobne digestije

4.Primjena energije iz bioplina – EU i Hrvatska

5. Iskorištavanje digestata nastalog procesom AD

6.Zaključak



Uvod

• Porast broja bioplinskih postrojenja u svijetu

• Razvoj suvremenih tehnologija proizvodnje i korištenja

bioplina

• Energija bioplina = doprinos cilju nacionalne

energetske sigurnosti, ublažavanje posljedica

stakleničkih plinova

• Europski bioplinski sektor - tisuće bioplinskih instalacija

• Proizvodnja električne energije iz bioplina u

kogeneracijskim jedinicama

• Tek djelomična upotreba toplinske energije



Što je bioplin?

• mješavina plinova koja nastaje prilikom truljenja organske tvari bez

prisustva zraka

• anaerobna digestija (AD) – biokemijski proces u kojem se kompleksni

organski spojevi razgrađuju djelovanjem različitih vrsta bakterija u

anaerobnim uvjetima

– nastaju bioplin i digestat

PlinDonja ogrjevna vrijednost

MJ/m3 kWh/Nm3

Prirodni plin 36 9,9

Bioplin (60% CH4) 21,6 6

Biometan (95 %

CH4)36 9,5

Plin %

Metan (CH4) 55 – 70

Ugljikov dioksid (CO2) 30 – 45

Vodikov sulfid (H2S)

1 – 2Vodik (H2)

Amonijak (NH3)

Ugljikov monoksid (CO) U tragovima

Dušik (N2) U tragovima

Kisik (O2) U tragovima



Shematski koncept proizvodnje BP na

poljoprivrednom gospodarstvu



Glavne faze u procesu nastanka bioplina

Izvor: Al Seadi, 2003.



Parametri procesa anaerobne digestije

• Temperatura

• psihrofilni režim (<20 °C)

• mezofilni režim (30-42 °C)

• termofilni režim (43-55 °C)

• pH vrijednost: 5,5 - 8,5 (optimum 7-8)

• Amonijak

• previsoka razina može dovesti do zaustavljanja procesa (glavni

izvor u AD su bjelančevine)

• Elementi u tragovima

• željezo, nikal, kobalt, selen, molibden, volfram (važni za rast i

preživljavanje anaerobnih bakterija)



Sirovina (biomasa)

• Kao sirovina se najčešće uzima gnoj ili gnojovka u kombinaciji s drugom

sirovinom biljnog porijekla (bogate škrobom, šećerom, uljima, itd.) ili

životinjskog porijekla (bogate proteinima i mastima)

• Ne-razgradljivo: lignin (drvo)

• Teško- razgradljivo: celuloza, hemiceluloza



Proizvodnja bioplina ovisno o vrsti supstrata



• Postrojenje za proizvodnju BP se uvijek prilagođuje

sirovini koju koristi

• Idejno rješenje ovisi o vrsti sirovine i količinama



Glavni dijelovi bioplinskog postrojenja



Dostava sirovina

• Mora biti stabilna i kontinuirana

• Kontrola i bilježenje podataka (vrsta,

težina, kvaliteta)

Skladištenje sirovina

• Nadomješta sezonske oscilacije u

dobavi

• Vrsta skladištenja ovisi o sirovini

(tekuće-kruto)

• Navozni

silos

• Spremnik

za gnojovku



Priprema sirovine

• Sortiranje i odvajanje

• Sanitacija

• Usitnjavanje

• Miješanje, homogenizacija



Sustav hranjenja fermentora

• Cilj je uspostaviti kontinuirani tijek sirovine (u praksi nekoliko manjih obroka)

• Tehnika hranjenja ovisi o suhoj tvari sirovine

• Suha sirovina pužnim vijcima, a tekuća sirovina pumpama



Unos supstrata u fermentor

• Stavljanje u fermentor mora biti bez prisustva zraka



Digestori

• Digestor je „srce” bioplinskog postrojenja

• Spremnik nepropustan za zrak

• Različitih veličina, materijala, oblika

• Dva osnovna sustava digestije

Sadržaj suhe tvari <15 % >15 %

Sustav digestije Mokra Suha

Tip fermentora Kontinuirani Obročni



Grijanje digestora

• Cilj je konstantna temperatura (visina temperature

ovisno o vrsti procesa)

• Promjene u temperaturi se moraju kompenzirati



Načini miješanja u fermentorima



Spremnik za bioplin

• Nadoknađuje promjene u proizvodnji

bioplina

• Najčešća su skladišta s niskim tlakom



Skladištenje digestata izvan spremnika



Plinski motor

o Kogeneracija: istovremena proizvodnja

električne i toplinske energije



Načini korištenja bioplina tj. biometana



Proizvodnja energije iz bioplina na razini EU

Plin sa odlagališta otpada

Plin iz gradskog mulja i

mulja industrijskog efluenta

Ostali bioplin



Bioplinsko postrojenje u Schlittersu, Njemačka

• Osnovano 2007.

• 330 kWel

• Sirovina 10 000 t/god organskog otpada iz restorana, prehrambeni proizvodi s isteklim rokom trajanja, itd.

• Električna i toplinska energije



Proizvodnja energije iz bioplina na razini Hrvatske

• Ukupno instalirano

(stanje na

31.12.2016.): 30,435

MWel

• 26 BP postrojenja je

isporučivalo

električnu energiju

elektroenergetskoj

mreži po

zajamčenim

otkupnim cijenama

(feed-in tarife)



Bioplinsko postrojenje Gradec



• Bioplinsko postrojenje - anaerobna digestija (AD)

bioplin digestat

• Bioplin → obnovljivo gorivo + smanjenje emisija

• Skladištenje

• Toplinska, električna energija; energija biogoriva

• Digestat

• Hranjive tvari za biljke kako bi se prehranila ljudska

populacija

• N, P, K: rast populacije = rast potražnje

• Novi proizvodi – npr. bioplastika

Udio svjetskih rezervi fosfatne rude u svijetu

Izvor: BlueTech Research, 2013



Iskorištavanje digestata nastalog procesom AD

• Rekuperacija hranjivih tvari

• Energetska uporaba digestata

• Građevinski materijal

• Materijal za bioplastiku (kemijska industrija)



• Digestat nakon procesa AD sadrži još uvijek mnogo hranjivih tvari (P i N)

• Moguće je izdvojiti i do 90% P i oko 50% N sadržanih u digestatu

• Pasterizacija dobivenih materijala – toplinska energija iz kogeneracije?

• Manje neugodnih mirisa u osiromašenom digestatu

• Tekuća frakcija kao tekućina za fertigaciju ili upotreba u druge svrhe

(dodatno izdvajanje hranjivih tvari)

Rekuperacija hranjivih tvari



• Visok udio P u krutoj frakciji digestata

• Dodatak kemikalija (MgCl2, NaOH) → stvaranje kristala struvita

• NH4+ + PO4

3- + Mg2+ + 6 H2O → NH4MgPO4 x 6 H2O

• Struvit = sporo otpuštajuće gnojivo bogato fosforom

• Potreba za kemikalijama poskupljuje proces

• upuhivanje CO2 u otopinu (regulacija pH)

• Mg(OH) umjesto MgCl2

• Metoda trenutno ograničena na sustave pročišćavanja otpadnih voda

(problem separacije struvita od ostatka digestata)

• Mogućnost upotrebe digestata s ukomponiranim struvitom kao gnojivo

Struvit



Energetska uporaba digestata

• Spaljivanje peleta digestata

• Superkritična (mokra) oksidacija

• Rasplinjavanje plazmom

• Piroliza

• Hidrotermalna karbonizacija

• Rasplinjavanje

• …



Spaljivanje peleta digestata

o Najjednostavnija energetska upotreba

o Gorivo u otvorenim ložištima, u pećima za

grijanje prostorija i štednjacima za pripremu

hrane

o 15-16 MJ/kg (bez uključenog procesa sušenja)

– Približno vrijednosti crnogoričnog drveta

(16,3 MJ/kg)

o Prethodno potrebno sušenje - sadrži velike

količine vode (čak i do 80 %)

o Pepeo u obliku granula ( sadrži Mg, B, Cu, Zn,

Mn, Co, CaO, K2O, P2O5)

– 7-8 % mase uzorka

Izvor: Biomass energy use, CLEANPELLET project

Izvor: Pedrazzi et. al, 2015, „Digestate as bio-fuel

in domestic furnaces”



Piroliza

• Proces degradacije kemijskih molekula pod utjecajem visokih temperatura

(300-900°C) u anaerobnim uvjetima

• Proizvodi koji nastaju:

• plinovita frakcija (uglavnom sadrži H2, CH4, CO2, plinove u tragovima) –

kalorijska vrijednost dobivenog sintetskog plina oko 15 MJ/m3

• kruta frakcija (pirolitički koks) – uključuje i inertne spojeve i prašinu sa

značajnom količinom teških metala

• tekuća frakcija (sadrži uglavnom ulja, vodu, katran i organske spojeve)

• Potrebno prethodno sušenje (pirolitički proces zaprima sirovinu do 30 %

vlažnosti)

Izvor: Hübner i Mumme, 2015, „Integration of pyrolysis and

anaerobic digestion – Use of aquqous liquor from digestate

pyrolysis for biogas production”



Rasplinjavanje

• Proces pretvorbe krutog goriva u plinovito, tretirajući

kruto gorivo u reaktoru s kisikom, zrakom i parom, ili

drugim medijem za proces rasplinjavanja

• Zrak, kisik ili vodena para koriste se kao izvor kisika

i/ili služi kao plin nosilac za uklanjanje produkata

reakcije s mjesta reakcije

• Ukoliko se koristi zrak: nastaje plin s 10-15 MJ/m3

i sadržajem N od 50-60%

• Pri atmosferskom tlaku i temperaturama 700-1000 °C

• Produkti su

• plin (sadrži CO, H2, CH4 i ugljikohidrate u

tragovima, vodu, N2 i različita onečišćenja)

• kruti ostatak (koji se sastoji od negorivog

materijala i male količine C)

• Proizvodi suvišak energije i zbog toga zahtijeva

dodatnu energiju samo tijekom pokretanja procesa

Izvor: Fluidized bed gasifiers, National

Energy Technology Laboratory, USA



Problemi teških metala u krutim ostacima?

Gubitak hranjivih tvari iz digestata?

→ Mogućnost oporabe nastalih ostatak u obliku gnojiva

Rasplinjavanje Piroliza Spaljivanje

Uobičajeni

uvjeti u

reaktoru

- 800-1400 ℃

- Nestehiometrijska

količina zraka (O2) ili

bez prisustva zraka

(termalno

rasplinjavanje)

- 400-800 ℃

- Uz nedostatak

zraka (O2)

- 850-950 ℃

- Stehiometrijska

količina zraka (O2)

tijekom spaljivanja

Uobičajeni

proizvodi (%

wt.)

- Gorivi plin, do 90

- Ugljen, do 30

- Ulje, do 5

- Gorivi plin, do 50

- Ugljen, do 40

- Ulje, do 40

- Pepeo, do 30

- Ispušni plinovi, do 90



Građevinska industrija

• Zamjena za sirovine i materijale koji su trenutno u

upotrebi

• Kruta frakcija sadrži slabo razgrađena

celulozna i lignocelulozna vlakna

• Primjeri upotrebe:

• Materijal za punilo ili učvršćivač

• Izolacijski materijal

• Šper-ploče

• Paneli

• Dobra čvrstoća, krutost i unutarnja čvrstoća

• potencijalna zamjena za postojeće materijale

(male količine: oko 4 000 t/god. za 1 MWel)

Izvor: Deutsche Bundesstiftung Umwelt, Research

project digestate fibres, 2012



Kemijska industrija - bioplastika

o Polyhydroxyalkanoates (PHAs) = biorazgradiva

termoplastika proizvedena bakterijskom

fermentacijom

o Svojstva:

– UV stabilnost, talište do 180°C, niska

zasićenost vodom, dobra rastezna čvrstoću,

visoka transparentnost, ravnopravno miješanje

s PET ambalažom, isti tijekovi oporabe

– Biorazgradivost

– Visoka cijena proizvodnje, ograničena

funkcionalnost, dodatna linija proizvodnje,

podložnost termalnoj degradaciji

Izvor: van der Hoeven, 2016, „PHA: promising, versatile,

biodegradable”

Izvor: Higuchi-Takeuchi et al, 2016, „Synthesis of High-

Molecular-Weight Polyhydroxyalkanoates by Marine

Photosynthetic Purple Bacteria”



• Rastuće tržište (pakiranje, elektronika, automobilska industrija, igračke,

…)

Izvor: European Bioplastics,

nova-Institute, 2016



Izvor: AlgaeBioGas, http://algaebiogas.eu/home

• Upotreba algi za proizvodnju bioplastike



Kemijska industrija – proizvodi u biorafinerijama

• Lignin iz digestata kao sirovina

• Dobiveni proizvodi i odabir

procesa ovisi o funkcionalnosti

dobivenog lignina

• Proizvodi u biorafinerijama:

• Proizvodnja supramolekularnih materijala i aromatskih kemikalija

• Proizvodnja bioetanola iz lignocelulozne sirovine

• Smole, polimeri, ugljična vlakna, itd.

Izvor: Berman, 2008, „Biorefinery of the future”



Zaključak

• Velik broj postojećih bioplinskih postrojenja, dodatna u izgradnji

• Ekonomska isplativost bioplinskog postrojenja bez državnih poticaja?

• Razvoj novih tehnologija?

• Tržišna vrijednost za industrijske i poljoprivredne krajnje korisnike?

• Definiranje tehnike vrednovanja digestata!

• Doprinos globalnim naporima za smanjenje utjecaja klimatskih promjena i

prelasku na nisko-ugljično gospodarstvo na više područja istraživanja:

• Građevinska industrija: razvoj novog izolacijskog materijala s niskim ugljičnim

otiskom

• Industrijska biotehnologija (bioplastika): razvoj novih materijala koji manje

štete okolišu

• Zaštita okoliša: pohrana CO2 u celuloznom materijalu, proizvodnja mineralnog

gnojiva

• Energetika: učinkovitija (efficacy) zamjena fosilnih izvora kroz bolju

učinkovitost bioplinskog postrojenja, upotreba digestata kao izvora energije

• Značajni ukupni i potencijalni lokalni, nacionalni i globalni socijalni, ekonomski i

ekološki učinci upotrebe bioplina kao energenta

Ivona Ivić, mag.ing.cheming.Dinko Đurđević, mag.ing.oecoing

Odjel za obnovljive izvore energije, energetsku efikasnost i zaštitu okoliša

Savska 163, 10000 Zagreb

[email protected]@eihp.hr

Hvala na pažnji!

Documents

OBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE BIOPLIN - eihp.hr · This project has received funding from the European Union’sHorizon 2020 Research and Innovation programme under grant agreement No