Post on 14-Sep-2019
Energetski institut Hrvoje Požar
OBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE
BIOPLIN
Ivona Ivić, mag.ing.cheming.
Dinko Đurđević, mag.ing.oecoing.
Matko Perović, dipl.ing.stroj.
Energetski institut Hrvoje Požar
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
Energetski institut Hrvoje Požar
(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
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
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€
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
Konzorcij
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
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
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
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
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
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
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
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
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
Shematski koncept proizvodnje BP na
poljoprivrednom gospodarstvu
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
Glavne faze u procesu nastanka bioplina
Izvor: Al Seadi, 2003.
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
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)
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
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
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
Proizvodnja bioplina ovisno o vrsti supstrata
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
• Postrojenje za proizvodnju BP se uvijek prilagođuje
sirovini koju koristi
• Idejno rješenje ovisi o vrsti sirovine i količinama
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
Glavni dijelovi bioplinskog postrojenja
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
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
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
Priprema sirovine
• Sortiranje i odvajanje
• Sanitacija
• Usitnjavanje
• Miješanje, homogenizacija
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
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
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
Unos supstrata u fermentor
• Stavljanje u fermentor mora biti bez prisustva zraka
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
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
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
Grijanje digestora
• Cilj je konstantna temperatura (visina temperature
ovisno o vrsti procesa)
• Promjene u temperaturi se moraju kompenzirati
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
Načini miješanja u fermentorima
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
Spremnik za bioplin
• Nadoknađuje promjene u proizvodnji
bioplina
• Najčešća su skladišta s niskim tlakom
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
Skladištenje digestata izvan spremnika
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
Plinski motor
o Kogeneracija: istovremena proizvodnja
električne i toplinske energije
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
Načini korištenja bioplina tj. biometana
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
Proizvodnja energije iz bioplina na razini EU
Plin sa odlagališta otpada
Plin iz gradskog mulja i
mulja industrijskog efluenta
Ostali bioplin
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
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
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
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)
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
Bioplinsko postrojenje Gradec
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
• 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
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
Iskorištavanje digestata nastalog procesom AD
• Rekuperacija hranjivih tvari
• Energetska uporaba digestata
• Građevinski materijal
• Materijal za bioplastiku (kemijska industrija)
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
• 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
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
• 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
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
Energetska uporaba digestata
• Spaljivanje peleta digestata
• Superkritična (mokra) oksidacija
• Rasplinjavanje plazmom
• Piroliza
• Hidrotermalna karbonizacija
• Rasplinjavanje
• …
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
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”
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
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”
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
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
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
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
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
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
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
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”
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
• Rastuće tržište (pakiranje, elektronika, automobilska industrija, igračke,
…)
Izvor: European Bioplastics,
nova-Institute, 2016
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
Izvor: AlgaeBioGas, http://algaebiogas.eu/home
• Upotreba algi za proizvodnju bioplastike
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
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”
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and
Innovation programme under grant agreement No 691755
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
iivic@eihp.hrddurdevic@eihp.hr
Hvala na pažnji!