Συμπαραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας μέσω αεριοποίησης αγροτικών υπολειμμάτων στον Αγροτικό Συνεταιρισμό Ερυθρών

Ηλίας, Χρήστος

Cogeneration of electricity and heat through gasification of agricultural residues in the Agricultural Cooperative of Erythron

Μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία

Author

Ηλίας, Χρήστος

Date

2023-07-24

Advisor

Papapostolou, Christiana
Κτενίδης, Παναγίωτης

ilias_201711.pdf (5.127Mb)

Keywords

Συμπαραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας - θερμότητας ; Αεριοποίηση ; Βιομάζα ; Αγροτικός Συνεταιρισμός Ερυθρών

Abstract

Η βιομάζα αποτελεί τη μεγαλύτερη και σημαντικότερη ανανεώσιμη πηγή ενέργειας στο σύνολο των ΑΠΕ διαθέτοντας πάρα πολλά πλεονεκτήματα. Η πολυποίκιλη μετατροπή της σε ενέργεια την καθιστά “βασιλιά” των ΑΠΕ, Για παράδειγμα μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρική και θερμική ενέργεια, αλλά και σε βιοκαύσιμα σημαντικής προστιθέμενης αξίας όπως η βιομεθανόλη, η αμμωνία, το βιοντήζελ, η βιοαιθανόλη κλπ. Η βιομάζα αποτελεί το σημαντικότερο κομμάτι της κυκλικής οικονομίας καθώς τα ζωικά απόβλητα, τα υπολείμματα αγροτικών εκμεταλλεύσεων, τα απορρίμματα και γενικά προϊόντα χαμηλής ή άνευ αξίας μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν. Τόσο η βιομάζα όσο και τα ορυκτά καύσιμα εμπεριέχουν άνθρακα, αλλά μόνο η βιομάζα είναι ανανεώσιμη πηγή ενέργειας καθώς ο άνθρακας που βρίσκεται στη βιομάζα είναι ουδέτερος, καθότι προσλαμβάνεται από τη φύση (ηλιακή ενέργεια) αξιοποιείται για την παραγωγή ενέργειας και επιστρέφει σε αυτήν χωρίς να μεταβάλλεται το ισοζύγιο του. Η παραγωγή και μετατροπή της βιομάζας σε ενέργεια μέσω απλών ή και σύνθετων τεχνολογιών είναι αρκετά φιλική στο περιβάλλον και δεν δημιουργεί περιβαλλοντικά προβλήματα, καθιστώντας την κυρίαρχη στις υπόλοιπες ΑΠΕ. Υπάρχουν όμως και μειονεκτήματα της, όπως η εφοδιαστική αλυσίδα προμήθειας και αποθήκευση της, το οποίο είναι από τα σημαντικότερα, γιατί η βιομάζα βρίσκεται διάσπαρτη παντού. Επίσης η χαμηλή ενεργειακή της πυκνότητα, το ποσοστό υγρασίας της, η ποικιλομορφία της σε σχέση με τα ορυκτά καύσιμα, αποτελούν σημαντικούς παράγοντες οι οποίοι αυξάνουν το κόστος μετατροπής της σε ενέργεια. Την τελευταία δεκαετία η έρευνα και η πρόοδος που έχει συντελεστεί σε διάφορες τεχνολογικές μεθόδους μετατροπής της βιομάζας σε ενέργεια είναι αρκετά ελκυστικές σε παγκόσμιο επίπεδο και υιοθετούνται από όλο και περισσότερους ειδικά σε ανεπτυγμένες χώρες, όπου θα καλύπτουν μεγάλο τμήμα της παραγωγής ενέργειας στο μέλλον. Μία από τις πιο σύγχρονες και αξιόλογες τεχνολογικές μεθόδους αξιοποίησης της βιομάζας είναι η θερμική μέθοδος της αεριοποίησης κατά την οποία μετατρέπονται τα οργανικά ή και ορυκτά καύσιμα τα οποία έχουν τη βάση τους στον άνθρακα, σε διοξείδιο του άνθρακα, υδρογόνο και μονοξείδιο του άνθρακα. Κατά τη διάρκεια της αεριοποίησης συντελούνται πλήθος χημικών αντιδράσεων οι οποίες αναφέρονται αναλυτικά στην παρούσα εργασία, καθώς επίσης περιγράφονται τα πλεονεκτήματά της και οι σημαντικότεροι τύποι αντιδραστήρων (αεριοποιητών). Επίσης περιγράφονται τα σημαντικότερα κριτήρια που αφορούν στην ποιότητα, της προς ενεργειακά αξιοποιούμενης βιομάζας και έχουν να κάνουν με τη θερμογόνο της δύναμη, την παραγόμενη τέφρα και το ποσοστό της υγρασίας. Η παρούσα εργασία κλείνει με τη μελέτη και χωροθέτηση μιας μονάδας αεριοποίησης ισχύος 100KW για χρήση από τον αγροτικό συνεταιρισμό Ερυθρών ο οποίος βρίσκεται στα όρια του νομού Αττικής, απέχει 55 χιλιόμετρα από την Αθήνα και διαθέτει 65.000 στρέμματα ιδιόκτητο κάμπο. Ο αγροτικός συνεταιρισμός Ερυθρών διαθέτει όλες αυτές τις προϋποθέσεις για την ενεργειακή αξιοποίηση των αγροτικών υπολειμμάτων του (βιομάζα), όπως σύγχρονο εξοπλισμό και υποδομές. Λόγω του ότι η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από την ενεργειακή αξιοποίηση της βιομάζας τυγχάνει μηδενικής σχεδόν ανάπτυξης και ελάχιστων παραδειγμάτων στην Ελλάδα, η παρούσα εργασία έρχεται να συμβάλλει στην παρουσίαση και υλοποίηση ενός εν δυνάμει πραγματικού έργου, σε ένα τόσο σημαντικό ενεργειακό τομέα, επιδεικνύοντας όλα τα οφέλη που θα προκύψουν για το περιβάλλον και τον άνθρωπο.

Abstract

Biomass is the largest and most important renewable energy source in the renewable energy mix and has many advantages. Its versatile conversion into energy makes it the 'king' of RES, for example, it can be converted into electricity and heat, but also into biofuels with significant added value such as biomethanol, ammonia, biodiesel, bioethanol, etc. Biomass is the most important part of the circular economy as animal waste, farm residues, waste and general products of low or no value can be reused. Both biomass and fossil fuels contain carbon, but only biomass is a renewable energy source as the carbon in biomass is neutral, as it is taken up by nature (solar energy), used for energy production and returned to it without altering its balance. The production and conversion of biomass into energy through simple or complex technologies is quite environmentally friendly and does not pose any environmental problems, making it the dominant renewable energy source. However, there are also disadvantages, such as the supply chain for its procurement and storage, which is one of the most important, because biomass is scattered everywhere. In addition, its low energy density its moisture content and its diversity compared to fossil fuels are important factors that increase the cost of converting it into energy. In the last decade, research and progress made in various technological methods of converting biomass into energy have become quite attractive globally and are being increasingly adopted especially in developed countries where they will cover a large part of energy production in the future. One of the most modern and remarkable technological methods of biomass utilization is the thermal method of gasification, during which organic or fossil fuels, which are based on carbon, are converted into carbon dioxide, hydrogen and carbon monoxide. During gasification, a number of chemical reactions take place, which are described in detail in the context of this thesis, as well as its advantages and the most important types of reactors (gasifiers). Moreover as analysed in detail, the most important criteria concerning the quality of the biomass to be used for energy purposes are listed, criteria which have to do with its calorific value, the ash produced and its moisture content. This paper concludes with the study and siting of a gasification unit of 100KW for use by the agricultural cooperative Erythron, which is located in the boundaries of the prefecture of Attica, 55 km from Athens and has 65,000 acres of privately owned land. The rural cooperative of Erythron has all these conditions for the energy utilisation of its agricultural residues (biomass), such as modern equipment and infrastructure. Due to the fact that the production of electricity from the energy utilization of biomass has almost no development and few examples in Greece, the present work comes to contribute to the presentation and implementation of a potential real project in such an important energy sector, demonstrating all the benefits that will result for the environment and people.